西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系 王 丹

1.引言

對(duì)綠色可再生能源的開(kāi)發(fā)和利用，特別是對(duì)風(fēng)能的開(kāi)發(fā)利用，已經(jīng)受到全人類(lèi)的普遍關(guān)注[1]。隨著我國(guó)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，如何保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)組安全運(yùn)行，高效的利用風(fēng)力資源已經(jīng)成為非常重要的一個(gè)課題擺在了我們面前。

風(fēng)電場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)是保證風(fēng)電機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)之一，我國(guó)已經(jīng)把風(fēng)電場(chǎng)微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)列為國(guó)產(chǎn)化的突破口。目前，大型風(fēng)電場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)在我國(guó)還處在研制、開(kāi)發(fā)階段，試驗(yàn)的樣品可靠性、功能等方面還不能滿(mǎn)足大型機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行的要求。從國(guó)外引進(jìn)的大型風(fēng)電廠(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)比較完善，但價(jià)格十分昂貴。如果機(jī)組數(shù)量太大，上、下位機(jī)之間距離超過(guò)幾十公里時(shí)，這些從國(guó)外引進(jìn)的監(jiān)控系統(tǒng)在通訊方面也出現(xiàn)各種各樣的問(wèn)題，有待進(jìn)一步解決。CAN總線(xiàn)技術(shù)在國(guó)內(nèi)外許多工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)中得到廣泛運(yùn)用，效果十分理想，把這項(xiàng)新技術(shù)應(yīng)用在大型風(fēng)電廠(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)中是一種新的探索。

2.風(fēng)電場(chǎng)對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)的要求

(1)下位機(jī)能獨(dú)立運(yùn)行，完成本機(jī)組安全運(yùn)行所需的各種控制要求。現(xiàn)代微機(jī)技術(shù)發(fā)展得快，選用功能齊全、性能可靠的微機(jī)是可以完成的。這一要求比較容易實(shí)現(xiàn)。

(2)上位機(jī)和下位機(jī)可靠雙工通訊，盡量節(jié)省通訊電纜。由于風(fēng)力發(fā)電組排列不一定很規(guī)則，特別是在山上建立風(fēng)電場(chǎng)，這就決定上位機(jī)和下位機(jī)組成的通訊網(wǎng)不十分規(guī)范。即不是總線(xiàn)形，也不是星型或環(huán)型，確切地講，應(yīng)該是分布式網(wǎng)絡(luò)，因此，一般的通訊方式很難保證通訊可靠。

(3)一般風(fēng)電場(chǎng)有幾十臺(tái)風(fēng)機(jī)組成，上、下位機(jī)之間距離較遠(yuǎn)，有時(shí)可能超過(guò)幾公里。這就要求雙工通訊要有較強(qiáng)的負(fù)載能力，通訊距離較遠(yuǎn)。

(4)能避免各種干擾，主要指工業(yè)干擾（如高壓交流電場(chǎng)、靜電場(chǎng)、電弧、可控硅）、自然界干擾（如雷電沖擊）、高頻干擾（如微波通訊、無(wú)線(xiàn)電信號(hào)、雷達(dá)）[2]。

3.CAN總線(xiàn)簡(jiǎn)介

CAN總線(xiàn)是德國(guó)BOSH公司從80年代初為解決現(xiàn)代汽車(chē)中眾多的控制與測(cè)量?jī)x器之間的數(shù)據(jù)交換而開(kāi)發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通訊協(xié)議，它能夠滿(mǎn)足分布系統(tǒng)在強(qiáng)電磁干擾等環(huán)境下可靠工作的要求。CAN總線(xiàn)協(xié)議具有下列幾個(gè)重要特點(diǎn)：(1)同步、串行、多主、面向通信數(shù)據(jù)塊的通信方式，網(wǎng)上節(jié)點(diǎn)數(shù)多達(dá)110個(gè)；(2)CAN總線(xiàn)上任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)均可在任意時(shí)刻主動(dòng)向網(wǎng)絡(luò)上其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，不分主從，通信方式靈活；(3)每幀數(shù)據(jù)信息為O～8個(gè)字節(jié)，具體長(zhǎng)度由用戶(hù)決定，這樣可減少信息碰撞幾率；(4)信息有優(yōu)先級(jí)別之分，采用非破壞性總線(xiàn)仲裁，當(dāng)總線(xiàn)上有兩個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)向網(wǎng)絡(luò)上輸送信息時(shí)，優(yōu)先級(jí)低的節(jié)點(diǎn)主動(dòng)停止數(shù)據(jù)發(fā)送，而優(yōu)先級(jí)高的節(jié)點(diǎn)繼續(xù)發(fā)送；(5)強(qiáng)有力的錯(cuò)誤控制及錯(cuò)誤重發(fā)功能，采用CRC校檢方式，每幀信息中不可檢錯(cuò)概率少于3×10-5；(6)最大通信速率為1Mb/s，直接通信距離最遠(yuǎn)可達(dá)10km，沒(méi)有物理層規(guī)定，在實(shí)際應(yīng)用中可采用單線(xiàn)制、雙線(xiàn)制、同軸電纜、雙絞線(xiàn)和光纜、微波等傳輸介質(zhì)[3]。

綜上所述，CAN現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)具有多主、實(shí)時(shí)、高可靠性、低成本等優(yōu)點(diǎn)，特別適用于在條件十分惡劣的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸，是大型風(fēng)電場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)類(lèi)型的理想選擇。

4.風(fēng)電場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于上面所述風(fēng)電場(chǎng)對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)的要求以及CAN總線(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)，下面采用了CAN現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)設(shè)計(jì)了由多臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組成大型風(fēng)電場(chǎng)的監(jiān)控系統(tǒng)，總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

風(fēng)電場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)負(fù)責(zé)管理每臺(tái)風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行數(shù)據(jù)、狀態(tài)、保護(hù)裝置動(dòng)作情況、故障類(lèi)型等。為了實(shí)現(xiàn)上述功能，風(fēng)電廠(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)由就地監(jiān)控系統(tǒng)、中央監(jiān)控系統(tǒng)、遠(yuǎn)程監(jiān)控制系統(tǒng)三個(gè)部分的有機(jī)結(jié)合組成。

就地監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)置在每臺(tái)風(fēng)電機(jī)塔筒的控制柜內(nèi)，它的下位機(jī)應(yīng)能將機(jī)組的數(shù)據(jù)、狀態(tài)和故障情況等通過(guò)CAN總線(xiàn)與中央監(jiān)控系統(tǒng)的上位機(jī)通訊，同時(shí)上位機(jī)應(yīng)能向下位機(jī)傳達(dá)控制指令，由下位機(jī)的控制系統(tǒng)執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。

中央監(jiān)控系統(tǒng)一般運(yùn)行在位于中央控制室的一臺(tái)通用PC機(jī)或工控機(jī)上，通過(guò)與分散在風(fēng)電場(chǎng)上的每臺(tái)風(fēng)力機(jī)就地控制系統(tǒng)進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)全場(chǎng)風(fēng)力機(jī)的集群監(jiān)控。風(fēng)電場(chǎng)中央監(jiān)控系統(tǒng)與風(fēng)力機(jī)就地控制系統(tǒng)之間的通信屬于較遠(yuǎn)距離的一對(duì)多通信，本文采用CAN現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)作為數(shù)據(jù)傳輸載體。中央監(jiān)控系統(tǒng)主要職能為：能根據(jù)畫(huà)面的切換隨時(shí)監(jiān)視風(fēng)電現(xiàn)場(chǎng)每一臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)，控制風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行參數(shù)，對(duì)故障機(jī)組進(jìn)行實(shí)時(shí)報(bào)警處理，并做出故障診斷，給出機(jī)組發(fā)生故障的具體位置、程度以及維修建議等。

遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)根據(jù)需要布置在不同地點(diǎn)的遠(yuǎn)方監(jiān)控中心或者研究機(jī)構(gòu)，實(shí)行對(duì)整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的遠(yuǎn)程調(diào)度和監(jiān)控，解決技術(shù)難題并進(jìn)行科學(xué)研究等。遠(yuǎn)程監(jiān)制系統(tǒng)一般通過(guò)調(diào)制解調(diào)器或電流環(huán)等通訊方式訪(fǎng)問(wèn)中央控制室主機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

5.CAN總線(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

鑒于就地監(jiān)控系統(tǒng)下位機(jī)的重要性，可選用按照工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，并安裝CAN總線(xiàn)網(wǎng)卡的工控機(jī)（IPC486以上配置），它從元件的選用到散熱、防振、防塵、抗電磁干擾方面，都符合工業(yè)環(huán)境的要求具有很高的可靠性。

為保證中央監(jiān)控系統(tǒng)可靠性，可使用兩臺(tái)裝有CAN總線(xiàn)接口卡的高性能的商用PC構(gòu)成上位機(jī)組，其中一臺(tái)作為主機(jī)，另一臺(tái)作為從機(jī)，主機(jī)故障時(shí)從機(jī)啟用。

遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的硬件配置則根據(jù)經(jīng)濟(jì)條件以及個(gè)人喜好進(jìn)行選擇，但應(yīng)具備最基本的通信以及顯示等功能。

CAN通信適配卡是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，它主要由微控制器、CAN總線(xiàn)收發(fā)接口和CAN通信控制器三部分，配上鎖存器、復(fù)位電路、EPROM、雙口RAM等輔助電路和元器件組成。對(duì)于微控制器、CAN收發(fā)接口和CAN通信控制器可以分別采用8051、82C250芯片和SJA1000。CAN卡接口原理圖如圖2所示[3]。

CAN通信適配卡插在上位機(jī)和工控機(jī)的擴(kuò)展槽上，負(fù)責(zé)將上位機(jī)和CAN總線(xiàn)上的數(shù)據(jù)傳輸點(diǎn)聯(lián)系起來(lái)。當(dāng)上位機(jī)發(fā)出信號(hào)時(shí)，通知CAN通信適配卡，CAN通信適配卡根據(jù)命令來(lái)完成數(shù)據(jù)寫(xiě)入、標(biāo)志位的置位等工作。反之，上位機(jī)也可以通過(guò)適配卡來(lái)接收數(shù)據(jù)采集點(diǎn)的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)存放在適配卡上的雙口RAM中，上位機(jī)再通過(guò)RAM來(lái)讀取數(shù)據(jù)。

6.CAN總線(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

6.1 用戶(hù)層通信協(xié)議設(shè)計(jì)

根據(jù)CAN總線(xiàn)技術(shù)規(guī)范和ISO11898標(biāo)準(zhǔn)，上述硬件設(shè)計(jì)已經(jīng)完成了物理層和數(shù)據(jù)鏈路層設(shè)計(jì)，所以只需設(shè)計(jì)用戶(hù)層協(xié)議，其幀結(jié)構(gòu)定義如圖3所示。系統(tǒng)站點(diǎn)之間的通信均以該協(xié)議為基礎(chǔ)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

DIR：方向位。主站向從站發(fā)送信息時(shí)為0，反之為1。

Address：地址域。主站發(fā)送信息時(shí)，該域?yàn)槟康牡刂?，從站發(fā)送信息時(shí)，該域?yàn)樵刂罚瑥V播時(shí)該域無(wú)意義。

TYPE：幀類(lèi)型。當(dāng)其為100時(shí)，為單幀廣播，為000時(shí)，為單幀點(diǎn)對(duì)點(diǎn)。主站發(fā)送信息時(shí)，幀類(lèi)型為單幀點(diǎn)對(duì)點(diǎn)，從站發(fā)送信息時(shí)，幀類(lèi)型為單幀廣播，這樣總線(xiàn)網(wǎng)上所有站點(diǎn)都能接收到信息。

DLC：報(bào)文長(zhǎng)度域。給定其后數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，可為O～8個(gè)字節(jié)。

CmdO，Cmdl：命令功能符。根據(jù)系統(tǒng)具體情況，可有多種定義。本文給出了常用的幾種定義，如表1所示。

物理通道序號(hào)：用戶(hù)設(shè)定的輸入輸出通道的編號(hào)(0～255)，Data(O～4)，5字節(jié)長(zhǎng)的數(shù)據(jù)[4]。

6.2 中央監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)CAN網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)程序提供的接口函數(shù)，用戶(hù)可方便地使用C，C++，VC++等語(yǔ)言設(shè)計(jì)上位機(jī)初始化、發(fā)送和接收程序。程序采用主動(dòng)方式發(fā)送命令信息，采用中斷方式接收信息。

表1 命令功能

圖1 總體結(jié)構(gòu)框圖

圖2 CAN卡接口原理圖

圖3 用戶(hù)層協(xié)議幀結(jié)構(gòu)圖

圖4 CAN初始化程序框圖

圖6 從站主程序流程圖

（1）CAN初始化它主要完成模式設(shè)置（PeliCAN模式）、時(shí)鐘輸出寄存器設(shè)置、接收碼寄存器ACR設(shè)置、接收屏蔽碼寄存器AMR設(shè)置、總線(xiàn)定時(shí)器設(shè)置和輸出控制寄存器設(shè)置[5]。其流程圖如圖4。

（2）數(shù)據(jù)發(fā)送程序信息從CAN控制器發(fā)送到CAN總線(xiàn)是由CAN控制器自動(dòng)完成的，發(fā)送程序只需把被發(fā)送的信息幀送到CAN的發(fā)送緩沖區(qū)，并啟動(dòng)發(fā)送命專(zhuān)即可。其流程圖如圖5。

（3）接收程序信息從CAN總線(xiàn)到CAN接收緩沖區(qū)是由CAN控制器自動(dòng)完成的，接收程序只需從接收緩沖區(qū)讀取要接收的信息即可。

6.3 就地監(jiān)控系統(tǒng)下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

就地監(jiān)控系統(tǒng)下位機(jī)（從站）主要完成兩項(xiàng)任務(wù)：一是執(zhí)行數(shù)據(jù)采集與處理和輸出控制任務(wù)。二是接收主站命令，進(jìn)行相應(yīng)操作。第一項(xiàng)任務(wù)可在主程序當(dāng)中完成，第二項(xiàng)任務(wù)在中斷服務(wù)程序中完成。程序采用C51或ASM51匯編語(yǔ)言設(shè)計(jì)，程序流程圖如圖6所示。

7.結(jié)論

目前國(guó)內(nèi)風(fēng)電場(chǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)大多依賴(lài)從國(guó)外進(jìn)口，自主開(kāi)發(fā)的監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)于促進(jìn)風(fēng)電場(chǎng)整體國(guó)產(chǎn)化建設(shè)具有舉足輕重的作用。文中介紹的實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)在大型風(fēng)電場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)中得到了應(yīng)用，原系統(tǒng)采用的是傳統(tǒng)的DCS系統(tǒng)，不僅工程安裝復(fù)雜，成本高，而且數(shù)據(jù)傳輸速率低，實(shí)時(shí)更新慢，經(jīng)常出現(xiàn)跟蹤滯后現(xiàn)象，影響了系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，嚴(yán)重時(shí)還出現(xiàn)燒毀現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的事故。采用文中研究設(shè)計(jì)的CAN總線(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)后，不僅解決了老系統(tǒng)的缺點(diǎn)，而且提高了系統(tǒng)的抗干擾能力和系統(tǒng)信息集成能力，并且具有靈活的軟硬件組態(tài)功能。實(shí)踐證明，本文提出的基于CAN總線(xiàn)的大型風(fēng)電場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)模型切實(shí)可行，符合未來(lái)監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

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