采用總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)功率因素動(dòng)態(tài)補(bǔ)償系統(tǒng)進(jìn)行控制和監(jiān)測

1. 前 言

上世紀(jì)90年代興起的現(xiàn)場總線技術(shù)是用于現(xiàn)場儀表與控制系統(tǒng)和控制室之間的一種全分散、全數(shù)字化、智能、雙向、多節(jié)點(diǎn)的通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，它是控制結(jié)構(gòu)的一次革命;系統(tǒng)把控制的權(quán)力很大部分交給了處于現(xiàn)場的智能節(jié)點(diǎn)，交互信息通過現(xiàn)場總線傳送。現(xiàn)場總線式的控制系統(tǒng)正在逐步取代集散式的控制系統(tǒng)而成為主流系統(tǒng);其中，CAN總線由于可靠性高、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng)、通信實(shí)時(shí)性好、系統(tǒng)造價(jià)低廉、維護(hù)成本低等特點(diǎn)而具有廣泛的應(yīng)用前景。

2. CAN總線概述

CAN總線是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)。CAN可實(shí)現(xiàn)全分布式多機(jī)系統(tǒng)，且無主、從機(jī)之分;CAN可以用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)及全局廣播幾種方式傳送和接收數(shù)據(jù);CAN直接通訊距離最遠(yuǎn)可達(dá)10km（傳輸率為5kbps），通訊速率最高可達(dá)1Mbps（傳輸距離為40m）;CAN總線上節(jié)點(diǎn)數(shù)可達(dá)110個(gè)。

CAN根據(jù)優(yōu)先權(quán)進(jìn)行總線訪問仲裁，總線中的數(shù)值為兩種互補(bǔ)邏輯數(shù)值之一：“顯形”或“隱性”。“顯形”數(shù)值表示邏輯“0”，而“隱性”表示邏輯“1”?！帮@形”和“隱性”位同時(shí)發(fā)送時(shí)，最后總線數(shù)值將為“顯形”。CAN總線數(shù)值信號(hào)內(nèi)部包含傳輸?shù)刂?，即所謂的標(biāo)識(shí)符（ID），標(biāo)識(shí)符還兼有識(shí)別優(yōu)先權(quán)的作用。當(dāng)許多節(jié)點(diǎn)一起開始發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，首先發(fā)送標(biāo)識(shí)符，每個(gè)發(fā)送器將發(fā)送電平同總線上監(jiān)測到的電平進(jìn)行比較，若相等則發(fā)送器繼續(xù)發(fā)送;當(dāng)送出一個(gè)“隱性”電平，而監(jiān)測到的為“顯形”電平時(shí)，表明節(jié)點(diǎn)丟失仲裁，并且不再發(fā)送更多位。顯而易見，標(biāo)識(shí)符越低，節(jié)點(diǎn)優(yōu)先權(quán)越高。CAN總線信號(hào)傳輸為廣播式，所有的節(jié)點(diǎn)都可以監(jiān)聽到總線上的信號(hào)，當(dāng)節(jié)點(diǎn)監(jiān)測到總線上的數(shù)據(jù)幀的標(biāo)識(shí)符與自己的標(biāo)識(shí)符相符時(shí)就接收數(shù)據(jù)幀。錯(cuò)誤監(jiān)測和自動(dòng)隔離性能確保了總線正常工作。

3 .功率因素動(dòng)態(tài)補(bǔ)償系統(tǒng)

功率因素動(dòng)態(tài)補(bǔ)償系統(tǒng)對(duì)低壓電力系統(tǒng)的無功功率進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測、動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)和負(fù)載用電狀態(tài)通過電壓、電流互感器間接監(jiān)測。本系統(tǒng)在保證系統(tǒng)可靠工作和降低成本的條件下，考慮到通用性、實(shí)時(shí)性和擴(kuò)展性等方面的因素，采用了主要由上位計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)模塊構(gòu)成的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。智能節(jié)點(diǎn)通過對(duì)各個(gè)模擬量和開關(guān)量信息的采集檢測，達(dá)到電力的合理調(diào)配，并且將有關(guān)參數(shù)通過CAN總線控制器由CAN總線傳遞給上位機(jī)。上位機(jī)完成故障錄波、自動(dòng)數(shù)據(jù)分析、人機(jī)界面顯示和報(bào)表打印等。補(bǔ)償單元是由電容器組和晶閘管觸發(fā)電路組成，它根據(jù)智能節(jié)點(diǎn)的解算值投入電容器來產(chǎn)生補(bǔ)償電流注入低壓電網(wǎng)，以此補(bǔ)償無功功率。

4. CAN總線在功率因素動(dòng)態(tài)補(bǔ)償系統(tǒng)的應(yīng)用

上位計(jì)算機(jī)系統(tǒng)由通用個(gè)人計(jì)算機(jī)以及接通至通用PC機(jī)內(nèi)部的CAN總線通信接口適配卡PCCAN組成。該系統(tǒng)負(fù)責(zé)系統(tǒng)的總體調(diào)度，向網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)發(fā)送命令，接收節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，并對(duì)節(jié)點(diǎn)信息加以分析、存儲(chǔ)、顯示及打印。智能節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)對(duì)電流及功率進(jìn)行檢測，并對(duì)無功功率進(jìn)行補(bǔ)償。智能節(jié)點(diǎn)模塊中采用以80C196KC微處理器為核心的硬件結(jié)構(gòu)。Intel公司的高性能16位單片機(jī)80C196采用CHMOS工藝，具有功耗低、運(yùn)行速度快、集成度高等優(yōu)點(diǎn)。該控制器硬件結(jié)構(gòu)CPU沒有采用習(xí)慣的累加器結(jié)構(gòu)，改用寄存器-寄存器結(jié)構(gòu)，消除了累加器存在時(shí)的瓶頸效應(yīng)，提高了操作速度和數(shù)據(jù)吞吐能力。這些特點(diǎn)使得80C196很適合用于數(shù)據(jù)量大、功能復(fù)雜的現(xiàn)場控制器中。CAN通信接口采用SJA1000通信控制器和82C250總線接受器。SJA1000是PHILIPS公司生產(chǎn)的獨(dú)立CAN通信控制器，它是82C200的替代產(chǎn)品，引腳與82C200兼容。82C250是CAN控制器和物理總線間的接口芯片，它提供對(duì)總線的差動(dòng)發(fā)送能力和對(duì)CAN控制器的差動(dòng)接受能力。CAN硬件接口電路如圖2所示：

SJA1000的AD0至AD7是分時(shí)復(fù)用地址/數(shù)據(jù)線，與單片機(jī)的系統(tǒng)總線引腳P1.0 至P1.7相連作為單片機(jī)的外部擴(kuò)展存儲(chǔ)器。SJA1000的INT腳與HSI.0腳相連，當(dāng)中斷允許時(shí)，一旦有中斷發(fā)生，SJA1000的16腳INT就會(huì)被激活，出現(xiàn)一個(gè)由高電平到低電平的跳變，而80C196KC的外部中斷HSI.0接受這一中斷信號(hào)后，CPU隨即響應(yīng)中斷，由執(zhí)行其他任務(wù)轉(zhuǎn)向?yàn)閳?zhí)行該中斷任務(wù)。

上位機(jī)的CAN總線通信接口適配卡采用研華生產(chǎn)的pcl841板卡，pcl841能夠同時(shí)在兩套CAN網(wǎng)絡(luò)上運(yùn)行，提供4 KB的基地址空間，提供16 MHz的CAN控制頻率。同時(shí)提供的庫函數(shù)有七個(gè)子程序可供調(diào)用：

1 caninitHW（） 初始化CAN接口

2 canExitHW（） 釋放CAN節(jié)點(diǎn)

3 canReset（） 復(fù)位CAN控制器

4 canConfig（） 設(shè)置CAN命令字

5 canNormalR～n（） 設(shè)置CAN工作模式

6 canSendMsg（） 發(fā)送數(shù)據(jù)楨

7 canReceiveMsg（） 接受數(shù)據(jù)楨

通過調(diào)用這七個(gè)子程序，可以完成CAN總線通訊軟件的大部分工作，極大地降低了開發(fā)人員的工作難度，減小了工作量，縮短了開發(fā)周期。

5. 控制系統(tǒng)通訊的軟件實(shí)現(xiàn)

因?yàn)镃AN控制器發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)幀需要的時(shí)間是微秒級(jí)，補(bǔ)償系統(tǒng)控制周期的時(shí)序是毫秒級(jí)（20毫秒），而上位機(jī)中斷頻率最高不過幾秒，因此，每個(gè)智能節(jié)點(diǎn)的微處理器在外部中斷服務(wù)程序中接受上位機(jī)發(fā)來的信息，在主程序內(nèi)不斷地向上位機(jī)傳輸數(shù)據(jù)信息，根據(jù)CAN協(xié)議ID標(biāo)識(shí)符越低其優(yōu)先權(quán)越高，所以通過定義不同的ID標(biāo)識(shí)符使上位機(jī)比智能節(jié)點(diǎn)優(yōu)先發(fā)送的數(shù)據(jù)。其主程序和外部中斷服務(wù)程序流程圖分別如圖3、圖4所示。

通過反復(fù)調(diào)試，已把通信部分的程序做成了模塊，在實(shí)際系統(tǒng)中的應(yīng)用良好。下面給出通信模塊程序的部分代碼（采用C96高級(jí)語言編寫）

main（）

｛

……

＊CR=0x001b; /＊開始復(fù)位模式，開放接收、出錯(cuò)、超載中斷，并置位

＊ACR=0x02; /＊初始化接受代碼寄存器

＊AMR=0xfd; /＊初始化接受屏蔽寄存器

＊BTR0=0x00;

＊BTR1=0x14; /＊確定波特率、同步跳轉(zhuǎn)寬度、位周期長度、采樣數(shù)目

＊OCR=0xaa; /＊選擇輸出方式

＊CR=0x001a; /＊初始化結(jié)束，SJA1000返回其工作模式

……

cansend：

temp2=＊SR&0x04; /＊查詢狀態(tài)寄存器

if（temp2==0x00）goto cansend;

sebuffer=（unsigned char＊）0x800c;

＊seid=0; /＊發(fā)送數(shù)據(jù)的目的地

＊sedlc=i1; /＊發(fā)送數(shù)據(jù)的數(shù)目

for（i1=0;i1《6;i1++）

｛

＊sebuffer=a［i1］;

sebuffer++;

｝ /＊送數(shù)據(jù)至發(fā)送緩沖區(qū)

＊CMR=0x05; /＊發(fā)送數(shù)據(jù)

wait1：

temp2=＊SR&0x00;

if（temp2==0x08）goto wait1 /＊發(fā)送完畢否

callms（ ）; /＊延時(shí)

goto cansend; /＊繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)

｝

6. 結(jié) 論

CAN通訊系統(tǒng)經(jīng)過充分的調(diào)試在功率因素動(dòng)態(tài)補(bǔ)償系統(tǒng)的控制和監(jiān)測中取得實(shí)際的應(yīng)用。實(shí)踐證明，CAN現(xiàn)場總線監(jiān)控系統(tǒng)具有全數(shù)字化通訊、抗干擾能力強(qiáng)、實(shí)時(shí)性能好、測量及控制精度高的優(yōu)點(diǎn)，所以它必將隨自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展而被廣泛采用。

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