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(wú)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(guò)通訊子站來(lái)實(shí)現(xiàn)的，通訊子站是由CPU224以及一個(gè)無(wú)線傳輸模塊SC-107組成，該無(wú)線傳輸模塊與主站的無(wú)線模塊分別通過(guò)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(guò)來(lái)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(wú)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(wú)法用傳輸線連接。所以要把風(fēng)向風(fēng)速信息通過(guò)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(wú)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(wú)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(wú)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(wú)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(kāi)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(guò)無(wú)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(guò)用戶編程來(lái)選擇不同的通訊協(xié)議。SMB30和SMB130分別用來(lái)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(guò)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(wú)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(wú)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(kāi)始；第二個(gè)字節(jié)為狀態(tài)字節(jié)（或命令字節(jié)），用于說(shuō)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(méi)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(xiě)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(guò)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(yǔ)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(guò)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(guò)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(guò)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(xiě)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(kāi)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(guò)來(lái)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(guò)來(lái)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(xiě)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(guò)無(wú)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(wú)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。）