课程设计牵引供电系统的遥信数据采集系统.doc

成绩：学号： 华东交通大学成教分院课程设计所属课程名称 电力系统远动原理及应用 课程设计题目 牵引供电系统的遥信数据采集系统 班 级 学生姓名 指导教师 二一一 年 十一 月 二十三 日华东交通大学成教分院课程设计（论文）任务书专业电气工程及自动化 班级09级一、课程设计（论文）题目 牵引供电系统的遥信数据采集系统 二、课程设计（论文）工作自 2012 年 04 月 05 日起至 2012 年 04 月 16 日止三、课程设计（论文）的内容要求：1 设计原始资料1.1 具体题目说明远动系统的核心是 SCADA 系统， 即数据采集与监视控制系统。 在电力系统中， 远动系统应用最为广泛，技术发展也最为成熟。针对图 1.1 提供的开闭所主接线电路 图，进行远动系统模块的设计，设计出牵引供电系统的遥信数据采集系统。图 1.1 纽结型开闭所主接线电路图1.2 要完成的内容(1) 计算机绘制开闭所通用系统结构框图； (2) 设计一个具体的MCS51单片机数据采集最小系统，开关量输入数据，路数为 16路，开关量输入数据类型为各断路器、隔离开关的状态信息； (3) 选用问答式传输规约，以16路开关量为例，编写上传调度中心的遥信数据报文 的帧结构； (4) 计算机绘制相应的遥信数据采集程序流程图。2 硬件设计2.1 各开关原件及数据采集点编号2.1.1 各开关元件编号 如图 2.1 所示， 对纽结型开闭所主接线电路中的开关元件进行编号， 其中 QS1QS10 为隔离开关编号，QF1QF6 为断路器编号。QS5 TV1 TA6 TA1 QF1 QS7 TV2 QF4 TA8QS1TA2 QS2 TA3 QF2TA9 QS8 QF5 TA10QS3 TA4 QF3 QF6 TA11QS9QS4TA5 TA7QS6QS10TA12 TV4TV3图 2.1 各开关元件编号图2.1.2 数据采集点定义 根据图 2.1 中各开关元件的编号，对需要进行数据采集的开关元件进行十六制定 义，数据定义如表 2.1 所示。电力系统监控技术课程设计 表 2.1 数据采集点定义 编号 开关 编号 开关 00H QS1 08H QS9 01H QS2 09H QS10 02H QS3 0AH QF1 03H QS4 0BH QF2 04H QS5 0CH QF3 05H QS6 0DH QF4 06H QS7 0EH QF5 07H QS8 0FH QF62.2 被控站通用系统开闭所自动化终端装置由系统电源、功能插件、接口插件或接口端子板、蓄电池等 组成。此外，还可以根据用户实际需要配置各种通信单元等扩展设备，开闭所自动化终 端概要图见图 3，功能插件包括主控插件、交流采样插件、遥信采集插件、遥控插件。 接口插件包括交流采样接口插件、端子板、遥控输出接口插件、遥信采集接口插件。开 闭所自动化终端装置各功能插件中，主控插件、系统电源模块属于基本插件，其余功能 插件遥信采集插件、遥控输出插件、交流采样插件和通信插件为选配插件，可以根据用 户需要灵活配置，接口插件应根据功能插件的配置进行相应选择。图 2.2 开闭所自动化终端结构图电力系统监控技术课程设计2.2.1 数据采集通道 如图 2.3 所示，数据采集通道设计成十六路模拟量的输入，遥信信息通常由电力设 备的辅助接点提供，辅助接点的开合直接反应出该设备的工作状态。提供给远动装置的 辅助接点大多为无源接点，即空接点，这种节点无论是在“开”状态还是“合”状态下，接 点两端均无电位差。断路器和隔离开关提供的就是这一类辅助接点。另一种辅助接点则 是有源节点， 有源节点在“开”状态时两端有一个直流电压， 是由系统蓄电池提供的 110V 或 220V 直流电压。一些保护提供此类接点。各开关量对应的引脚如表 2.2 所示。图 2.3 数据采集通道图表 2.2 各开关量对应的引脚 引脚 开关 引脚 开关 P0.0 QS1 P2.0 QS9 P0.1 QS2 P2.1 QS10 P0.2 QS3 P2.2 QF1 P0.3 QS4 P2.3 QF2 P0.4 QS5 P2.4 QF3 P0.5 QS6 P2.5 QF4 P0.6 QS7 P2.6 QF5 P0.7 QS8 P2.7 QF62.2.2 控制输出通道 控制输出通道通常以继电器触点的方式提供，继电器一方面可以起到信号隔离作用，另一方面直接介入控制回路，控制回路中信号的通断。若提供的继电器触点容量不 够时，还可以再介入一级中介继电器。如图 2.4 所示，控制输出为一对动合触点，遥控 对象为“0”时，触点断开；遥控对象为“1”时，继电器动作，触点闭合。一般继电器 可以提供一对动合触点和一对动断触点，实际系统中要接动合触点还是接动断触点，应 视要求 而定。图 2.4 控制输出通道图2.3 MCS51 单片机最小系统2.3.1 原理框图 采用多通道共享采样/保持器与 A/D 转换器。这种 A/D 转换输入方式适合于对同一 信号不同量程的 A/D 转换，它也比较经济，占用 CPU 输入口少，因而可以更有效地利 用 CPU 的输入口。尤其对于那些接口有限的微型机，这种方式更有效。CPU 对各路通 道的访问采用软件控制，由多路转换开关进行切换.。原理框图如图 2.5 所示。图 2.5 单片机最小系统原理框图2.3.2 系统电路图 该系统以 MCS51单片机为核心，可以对16路模拟量、16路数字开关量和两路脉 冲量进行采集，模拟量采集精度达到12位，在实际应用中，可以对电压信号进行直接采 集，如果要对传感器的标准电流量进行采集时，还需加入采样电阻，把电流转换成电压后进行采集。对采集的脉冲量的频率取决于单片机的时钟频率，一般不能高于单片机的 运行时钟，如单片机用12MHz 的晶振，则采集的脉冲频率只能低于12MHz。本系统在 实际应用中已调试通过，采集的数据精度高，速度快。 铁路电力远动系统由远动控制主站、远动终端和通信通道三部分组成，是近年来在 国内全面推广的铁路电力新技术，其技术含量高，是涉及铁路电力工程设计、各级电力 调度管理模式、远动终端的数据采集和处理、各级远动控制主站与远动终端之间数据通 信及计算机系统等多专业的系统工程。 单片机8051芯片提供16位地址线，其寻址空间为64K 字节。由于8051除提供读写控 制信号外， 还提供了程序指令读取控制信号。 因此8051的程序空间和数据空间是分开的， 最大寻址空间为64K 字节。实际上，数据空间除可以分配给数据存储器，还可以分配给 其他外围芯片。 如图2.6所示为设计的系统原理框图。系统选择一个串行的 A/D 转换芯片，用模拟 开关作扩展，两个模拟开关即可扩展成16路的模拟量输入。开关量的采集可以直接用单 片机的 I/O，用两个并口即可完成16路的开关量采集。AT89C51单片机还有两个外部中 断接口，即可用来测量脉冲量的输入，采集其输入频率。单片机可以通过串口与上位 PC 机进行通讯，把采集到的数据发送到上位机上。图 2.6 十六位最小系统数据采集原理3 程序设计3.1 规约及主站、子站地址3.1.1 传输规约 报文：Polling 方式中无论是主站向子站发送的命令。还是子站向主站回送的数据， 都称报文。每个报文含有一个完整的意义，但是不同的报文长度不一定相同。 类别与类型：类型是指数据不同的分类。数据的类型分别为模拟量、状态量、状态 变化量、时标量等。类别指数据或信息一举不同的扫描周期划分为 12345670 类。对各 种数据要分别指定属于某一类别，任一类别扫描周期可由外面输入定义。 模块：一台 RTU 由若干模块构成，每个模块有特定的地址说明，模块地址通常占 一个人字节， ，但只用其中的低五位表示。这里的模块是逻辑概念而不是物理概念。一 个物理概念的模块可以占一个模块地址，也可以占两个模块地址；与此同时，一个地址 的模块也可以由好几块印制板构成。 RTU 与前置机之间采用异步通信方式，字符格式是：一位起始位，一位停止位，无 奇偶校验位，每个字符八位数据位。 3.1.2 主站和子站地址 (1) 报文的格式 本规约中的报文可分为三种报文格式：主站向子站询问的报文格式，子站向主站回 答确认或否定确认的报文格式，主站向子站或子站向主站传送数据的报文格式。 主站向子站询问的报文格式见图 3.1(a)，我们称它为报文格式 1。报文的第一个字 节为子站地址 i，可以取 00HFFH。当 RTU 地址取 FFH 时，该报文为广播命令，他是 面向全部子站设备的操作命令，所有子站都要接受收，第二个报文类型可以取 05H 和 1AH。当报文类型代码为 05H 时，该报文为类别询问报文；为 1AH 时，该报文为重复 询问报文。 类别询问报文的数据区为一个字节， 称询问类别， 它的 8 位与 8 种类别对应， 。 当主站希望收集某几个类别的变化数据时，就将询问类别的某几位置“1”。如果询问第 8 类别的数据，就将询问类别字节置成全“0”。重复询问报文的数据区为两个字节，称重 复询问类别标志和询问类别标志。当主站发出的类别询问报文没有收到子站的正确回答 时，主站向子站发送重复询问报文。重复询问报文中的重复询问类别标志是原先发送的 类别报文中询问类别字节的重复。该报文中的询问类别标志字节某位为“1”，表示原先 发送的类别询问报文中没有询问的类别，这一次需要访问。报文的校验码为一个字节。(a) 格式 1 （b） 格式 2 图 3.1 主站向子站询问的报文格式子站向主站回答确认或否定确认的报文格式见图 3.1(b)，我们称它为报文格式 2， 。 这两种报文都是三个字节，第一个字节为子站地址，取 00HFEH。第二字节报文类型 取 06H 时，确认报文，它表示子站正确收到主站命令；取 15H 时，为否定确认报文。 第三字节类别标志字节的 07 位，与数据类别的 07 位相对应。如果 RTU 中某一类别 的数据有变化，在子站向主站的回答报文中，将报文标志字节中的对应位置成“1”，数 据无变化的类别，对应位取“0”。这种报文不带校验字节。 传送数据的报文格式见图 9，我们称它为报文格式 3。报文的第一个字节为子站地 址，第二字节的 8 位中只用低 6 位作为报文类型的代码。在子站向主站的报文中，最高 位为“1”表示子站的事件顺序记录向主站报告， 次高位为“1”表示子站的随机存储器出错。 第三个字节的取值范围时 00HFBH。在子站向主站的报文中，数据至少包含一个类别 标志，它是数据区的第一个字节，类别标志字的某一位为“1”时，表示子站某一类别的 数据有变化，需要向主站报告，因此数据区长度 N 的取值可为 01HFBH。图 3.2 主站向子站传送数据的报文格式(2) 主站和子站的地址 子站向主站的回答报文共有 10 条，按功能可分为确认报文、诊断报文和传送报文， 详细见表 3。 主站向子站发送的命令共有 24 条，按功能可分为：查询命令，送参数命令，控制 命令和专用命令四大类。表 4 列出了 24 种命令的分类、各种命令的名称、报文类型码和报文字节数。表 3.1 子站向主站回答报文表 报文分类 确认报文 报文名称 确认 否定确认 电源合闸 向主站报告时标数据出现 模块状态变化 送数报文 用数据回答主站的类别询问 用数据回答主站的数据召唤报文 带缺损指示的数据回答 报告参数组号 报文类型 06H 15H 16H 17H 18H 1BH 1CH 1DH 2FH 报文字节数 3 3 6 7 可变 可变 可变 可变 7表 3.2 主站子站的命令报文表 命令分类 命令名称 召唤故障模块 类别询问 查询命令 请求数据报文 召唤事件记录数据 重复询问 查询参数组号 设置 RTU 工作方式 发送压缩因子 设置时钟 送参数命令 设置回答数据区最大长度 发送扫描频率 发送滤波系数 指定参数组号 复位 RTU 停止 RTU 扫描 允许 RTU 扫描 停止 I/O 模块扫描 允许 I/O 模块扫描 电源合闸确认 诊断报文 同步命令 预同步命令 带反送校核的遥控命令。报文类型 02H 05H 0DH 0FH 1AH 2EH 03H 04H 0CH 10H 11H 13H 2DH 01H 07H 08H 09H 0AH 12H 0EH 14H 19H 1EH报文字节数 5 4 可变 7 5 5 可变 13 11 6 13 13 6 5 5 5 可变 可变 5 可变 5 9 9控制命令专用命令电力系统监控技术课程设计3.2 程序流程图图3.3 数据采集传递流程图结论：经过这次对区间遥信采集系统的设计，使我进一步了解了遥信在铁路系统中的重要 性，铁路的电力供应与铁路的行车和安全密切相关，是铁路运输基层设施的重要组成部 分。列车速度的提高，各种车辆安全监测设备的投入，对供电系统的可靠性要求越来越 高。提高供电质量，缩小故障影响范围，减少停电时间，是铁路部门对供电段提出的基 本要求。根据远动终端的功能要求，建立了完成各种功能的特殊模块，各功能模块的功 能软件各不相同。随着铁路贯通线，变配电所综合自动化的不断建设和配电自动化系统 功能的日臻完善，电力远动系统已成为铁路供电段向铁路沿线各种行车安全监控设备不 断提供优质供电不可缺少的工具。通过本次课程设计，可以得出以下结论： (1) 遥信信息通常由电力设备的辅助接点提供，辅助接点的开合直接反映出该设备 的工作状态； (2) 不论是有源还是无源触点，必须加入信号隔离措施，以免强电系统损坏远动设 备； (3) 在遥信状态的采集方面采用