1.引言

本文所研究的通訊系統(tǒng)是1.5MW風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)控制系統(tǒng)的重要組成部分之一，該系統(tǒng)采用風(fēng)速風(fēng)向傳感器、可編程邏輯控制器、無線傳輸模塊等設(shè)備實(shí)現(xiàn)向風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主控站實(shí)時(shí)傳遞風(fēng)速、風(fēng)向信息的功能。在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，并網(wǎng)裝置的控制系統(tǒng)必須滿足能在較寬的風(fēng)速變化范圍內(nèi)實(shí)時(shí)追蹤風(fēng)能的最大功率點(diǎn)，以獲得最大的發(fā)電效率，這就客觀上要求主控系統(tǒng)須實(shí)時(shí)掌握風(fēng)速和風(fēng)向信息以便及時(shí)做出相應(yīng)的調(diào)整，提高傳動(dòng)系統(tǒng)的柔性，使功率輸出更加平穩(wěn)。

2.通訊系統(tǒng)組成

圖1 通訊系統(tǒng)框圖

圖1為該通訊系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，其中風(fēng)速風(fēng)向傳感器和控制主站的通訊是通過通訊子站來實(shí)現(xiàn)的，通訊子站是由CPU224以及一個(gè)無線傳輸模塊SC-107組成，該無線傳輸模塊與主站的無線模塊分別通過通訊子站以及控制主站的COM2口與其連接。

3. 通訊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1格雷碼轉(zhuǎn)換二進(jìn)制

通訊子站按照功能可以分為三個(gè)部分：格雷碼與二進(jìn)制之間的轉(zhuǎn)換、PLC的自由口通訊和CRC校驗(yàn)。格雷碼與二進(jìn)制轉(zhuǎn)換單元用于將風(fēng)速傳感器傳過來的格雷碼轉(zhuǎn)換成CPU能夠識(shí)別的二進(jìn)制，自由口通訊單元用于實(shí)現(xiàn)通訊子站與控制總站之間的通訊，CRC校驗(yàn)單元用于實(shí)現(xiàn)信息幀的實(shí)時(shí)校驗(yàn)，以保證系統(tǒng)通信的準(zhǔn)確性和可靠性。

在隨動(dòng)位置控制系統(tǒng)和位移檢測(cè)中，系統(tǒng)要控制的量有線位移或角位移，如在風(fēng)電系統(tǒng)中風(fēng)速風(fēng)向傳感器要進(jìn)行旋轉(zhuǎn)物體角位移的測(cè)量，旋轉(zhuǎn)編碼器是必不可少的，它能將角位移轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，為了減少輸出數(shù)字信號(hào)的錯(cuò)誤幾率，一般采用格雷碼形式輸出。

格雷碼是一種無權(quán)碼，采用絕對(duì)編碼方式，典型格雷碼是一種具有反射特性和循環(huán)特性的單步自補(bǔ)碼，它的循環(huán)、單步特性消除了隨機(jī)取數(shù)時(shí)出現(xiàn)重大誤差的可能，反射、自補(bǔ)特性使得數(shù)據(jù)求反非常方便。格雷碼屬于可靠性編碼，是一種錯(cuò)誤最小化的編碼方式，因?yàn)樵谀承┣闆r下，例如從十進(jìn)制的3轉(zhuǎn)換成4時(shí)，二進(jìn)制碼的每一位都要變，使數(shù)字電路產(chǎn)生很大的尖峰電流脈沖。而格雷碼是一種數(shù)字排序系統(tǒng)，它在任意兩個(gè)相鄰的數(shù)之間轉(zhuǎn)換時(shí)，只有一個(gè)數(shù)位發(fā)生變化，另外由于最大數(shù)與最小數(shù)之間也僅有一位數(shù)不同，故又叫格雷反射碼或循環(huán)碼。

由于在數(shù)字系統(tǒng)中只能識(shí)別0和1，各種數(shù)據(jù)要轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制代碼才能進(jìn)行處理，所以要把風(fēng)速傳感器輸出的二進(jìn)制格雷碼轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制碼。其轉(zhuǎn)換法則是保留格雷碼的最高位作為自然二進(jìn)制碼的最高位，而次高位自然二進(jìn)制碼為最高位自然二進(jìn)制碼與次高位格雷碼相異或而得到，而自然二進(jìn)制碼的其余各位與次高位自然二進(jìn)制碼的求法相類似。格雷碼轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制碼程序流程圖如圖2所示。

圖2 格雷碼轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制碼程序流程圖

3.2 自由口通訊

在1.5MW垂直軸風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，由于風(fēng)速傳感器位于轉(zhuǎn)動(dòng)的垂直軸頂端，在運(yùn)行時(shí)是隨垂直軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)的，與位于地面的控制主站控制箱無法用傳輸線連接。所以要把風(fēng)向風(fēng)速信息通過通訊子站實(shí)時(shí)的傳送到控制主站，必須把通訊子站放置于旋轉(zhuǎn)的桿塔內(nèi)部，采用無線傳輸模塊實(shí)現(xiàn)通訊子站和控制主站之間的通訊。

本系統(tǒng)采用無線模塊SC-107,它共有三種可用接口方式：TTL串口方式/RS232方式/RS485方式。本系統(tǒng)選擇RS485為接口方式，該無線模塊具有完善的通訊協(xié)議，傳輸距離遠(yuǎn)，在天線高度大于3米的情況下，可靠傳輸距離大于2500米，完全滿足通信系統(tǒng)的要求。

S7-200系列PLC內(nèi)部集成了RS-485串行通訊口，可在PPI（point to point）、MPI(multi-point)和自由口（free point）3種通訊方式下工作，PPI和MPI方式只適用于SIEMENS SIMATIC 工控產(chǎn)品之間用傳輸線的通訊，這種方式是利用其內(nèi)部的編程指令實(shí)現(xiàn)通訊的，無法與第三方廠商的工控產(chǎn)品進(jìn)行通訊。

自由口通訊方式是S7-200 PLC一個(gè)很有特色的功能，它使S7-200可以與任何具有串行口且通訊協(xié)議公開的智能設(shè)備進(jìn)行通訊，自由口通訊在物理接口上要求雙方都使用RS485接口，其通訊協(xié)議完全由用戶程序控制。鑒于本文通訊子站是通過無線模塊實(shí)現(xiàn)和控制主站進(jìn)行通訊的，故本文選擇自由口通訊方式。

本測(cè)控系統(tǒng)所采用的CPU224有兩個(gè)串行RS-485通訊口，每個(gè)串行口都可以通過用戶編程來選擇不同的通訊協(xié)議。SMB30和SMB130分別用來配置通訊端口0和通訊端口1的工作模式，通訊端口控制字節(jié)設(shè)置如圖3所示。

3.2.1通訊協(xié)議確定

通訊協(xié)議是指通訊雙方就如何交換信息所建立的一些規(guī)定和過程，它是通訊網(wǎng)絡(luò)的靈魂。由于S7-200系列PLC只有工作在自由口通訊方式下才需要用戶自己定制協(xié)議，因此，本系統(tǒng)無線模塊和PLC之間的通訊協(xié)議制定如下：

（1）串行通訊波特率為9600bps,毎字符8位，字節(jié)校驗(yàn)采用無校驗(yàn)方式。

（2）通訊采用中斷方式進(jìn)行，連接中斷0到接收結(jié)束事件，中段1到為10ms定時(shí)中斷，中斷2到發(fā)送結(jié)束事件。

（3）一個(gè)完整的數(shù)據(jù)幀至少包括4個(gè)字節(jié):第一個(gè)字節(jié)為起始字節(jié)，表示通訊開始；第二個(gè)字節(jié)為狀態(tài)字節(jié)（或命令字節(jié)），用于說明通訊的目的或內(nèi)容；中間字節(jié)為傳送的數(shù)據(jù)，（如果為命令字節(jié)，則中間字節(jié)沒有內(nèi)容）；最后還有一個(gè)校驗(yàn)字節(jié)和一個(gè)通訊結(jié)束標(biāo)志字節(jié)。

（4）設(shè)定信息結(jié)束字符為16#A0。

圖3 通訊端口控制字

3.2.2通訊程序的設(shè)計(jì)

通訊程序的設(shè)計(jì)需要遵循一定的約定，如中斷通訊處理程序要短小精悍、要避免在同一端口XMT與RCV指令的同時(shí)執(zhí)行等，本文所編寫的通訊流程圖如圖4所示。

圖4自由口程序流程圖

3.3CRC校驗(yàn)

在通信過程中，由于信道上存在各種復(fù)雜因素（例如：沖擊噪聲和熱噪聲等）的影響，信號(hào)將受到不同程度的干擾，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成誤碼甚至阻斷通信、所以應(yīng)對(duì)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，保證數(shù)據(jù)通信的準(zhǔn)確可靠，其中循環(huán)冗余校驗(yàn)碼（CRC校驗(yàn)）是目前計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信器應(yīng)用最為廣泛的一種校驗(yàn)編碼方法，是一種強(qiáng)有力的檢測(cè)手段，該技術(shù)被用于各種數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中。

PLC是適合工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)使用的控制器，它的編程語言和方法與計(jì)算機(jī)有較大的不同，所以，要把高可靠性的CRC校驗(yàn)算法應(yīng)用于PLC,必須在CRC基本原理的基礎(chǔ)上在進(jìn)行變形處理，根據(jù)CRC校驗(yàn)的原理推論，任何一個(gè)為8的倍數(shù)的數(shù)據(jù)序列的校驗(yàn)碼，都可以簡(jiǎn)化為三字節(jié)數(shù)據(jù)求余，因此計(jì)算數(shù)據(jù)序列的校驗(yàn)碼可歸結(jié)為如何實(shí)現(xiàn)三字節(jié)數(shù)據(jù)序列求余。

在利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行CRC計(jì)算時(shí)，為了簡(jiǎn)化運(yùn)算，通常把求余算法轉(zhuǎn)換為雙字節(jié)運(yùn)算，而CRC-16的生成多項(xiàng)式G(X)=X16+X15+X2+1為17位，以16進(jìn)制表示為18005H,因此需做變換，即把最高位去掉，為8005H。

仍以上述三字節(jié)數(shù)據(jù)序列D123=[d1,d2,d3]為例，其計(jì)算思想為：取第一字節(jié)d1，低字節(jié)補(bǔ)零，則為雙字節(jié)d10，左移8次，當(dāng)移出位為1時(shí)，對(duì)生成多項(xiàng)式進(jìn)行模2減法運(yùn)算，得到余數(shù)；取第二字節(jié)d2，低字節(jié)補(bǔ)零，則為雙字節(jié)d20，與前面余數(shù)模2進(jìn)行加法運(yùn)算，重復(fù)前述移位和計(jì)算過程，得到新的余數(shù)；對(duì)第三字節(jié)同樣處理，最終得到三字節(jié)序列的余數(shù)。

對(duì)多字節(jié)數(shù)據(jù)序列的求余，在前三字節(jié)數(shù)據(jù)序列求余的基礎(chǔ)上類推即可。

該軟件為可以計(jì)算任何字節(jié)個(gè)數(shù)的通用程序，設(shè)計(jì)過程中主要考慮以下環(huán)節(jié)：

（1）CRC程序作為一個(gè)子程序供主程序調(diào)用，由于使用的是不帶參數(shù)的調(diào)用指令，所以要處理好輸入數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)地址設(shè)計(jì)（指針地址）。

（2）子程序中使用了雙循環(huán)結(jié)構(gòu)，外層循環(huán)為輸入數(shù)據(jù)的字節(jié)個(gè)數(shù)，內(nèi)層循環(huán)對(duì)每個(gè)字節(jié)中每一位進(jìn)行處理。

（3）編程時(shí)采取字節(jié)順序右移的方式，當(dāng)溢出1時(shí)，與生成多項(xiàng)式進(jìn)行“異或”運(yùn)算（對(duì)多項(xiàng)式進(jìn)行編碼時(shí)，多項(xiàng)式各冪次的系數(shù)總在模2域內(nèi)做運(yùn)算，這時(shí)加法和減法皆為“異或”運(yùn)算）。

（4）對(duì)求CRC校驗(yàn)碼的字節(jié)序列的首字節(jié)，設(shè)定了一個(gè)初始化因子，這對(duì)程序很重要，在解碼過程中，也要使用相同的初始化因子。圖5所示為實(shí)現(xiàn)本算法的PLC軟件流程簡(jiǎn)圖。

圖5 CRC校驗(yàn)程序流程圖

5. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

將該通訊系統(tǒng)應(yīng)用于許繼集團(tuán)研發(fā)的1.5MW垂直軸風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)中，采用本文所寫的程序，對(duì)通訊系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn), 實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下所示：

圖6 CPU224內(nèi)存單元數(shù)據(jù)

圖6為STEP7-Micro/WIN開發(fā)環(huán)境對(duì)CPU224部分內(nèi)存數(shù)據(jù)的監(jiān)視界面，其中VD0中的內(nèi)存數(shù)據(jù)顯示的是由風(fēng)向風(fēng)速傳感器傳過來的格雷碼，QD0內(nèi)存中的數(shù)據(jù)顯示的是由CPU224把傳感器傳過來的格雷碼轉(zhuǎn)換成的二進(jìn)制數(shù)的十六進(jìn)制表示形式。

為了檢驗(yàn)該通訊分站的通訊程序能否正常可靠運(yùn)行，程序編制好之后，可以利用支持串口調(diào)試的軟件工具（如SSCOM3.2）進(jìn)行軟件通訊測(cè)試，就可確定程序是否可靠。

由圖7串口調(diào)試軟件的顯示界面可以看到，串口返回的數(shù)據(jù)顯示子站CPU224向主站發(fā)送和從主站返回的的數(shù)據(jù)均為為 99223377，所得的CRC校驗(yàn)碼為DA64。

圖7 串口測(cè)試軟件的界面

由圖8 CRC校驗(yàn)軟件的顯示內(nèi)容可知：由CRC校驗(yàn)專用軟件得到的校驗(yàn)值可知，所得到的CRC校驗(yàn)值是正確的.

圖8 CRC校驗(yàn)軟件的界面

6. 結(jié)論

本系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用于許繼集團(tuán)研發(fā)的1.5MW垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)中的通訊系統(tǒng)中，試運(yùn)行表明，通訊系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)正確，程序編寫合理，數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)準(zhǔn)確。

本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路是根據(jù)垂直軸風(fēng)力發(fā)電現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際控制要求提出的，這種通訊模式，尤其是通過無線傳輸模塊進(jìn)行PLC之間的通訊是一種新嘗試，具有較高的工程應(yīng)用價(jià)值，它不僅充分利用了無線傳輸模塊和PLC各自的優(yōu)點(diǎn)，提高了控制性能，滿足了現(xiàn)場(chǎng)要求，適用于工作環(huán)境惡劣、干擾強(qiáng)但又要求較高控制精度的實(shí)時(shí)工業(yè)控制系統(tǒng)中。

（摘編自《電氣技術(shù)》，原文標(biāo)題為“基于PLC控制的垂直軸風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)中通訊系統(tǒng)的研究”，作者為王全勝、宋建成、姚為正。）