（检测技术与自动化装置专业论文）电力参数检测基站.pdf

山东科技大学硕士学位论文摘要 摘要 本文介绍了一种实现电力参数检测基站的设计。它集电测技术、现场总线技术、通 信技术于- 体，具有速度快、准确度高、实时性好等突出优点。整个电力参数检测基站 由主机和集中器及采集器组成。采集器用于实时采集电力参数且自带r s 一4 8 5 通信接口， 集中器可随时对其进行数据的采集和命令的发布。集中器的作用是对采集器的数据进行 集中，并通过c a n 总线将数据传送给主机，以完成电参数的实时监测信息分析与处理。 采集器也可称作智能传感器，通过输入信号获得电参数。其中谐波测量采用锁相倍 频采集方法，避免了频谱泄漏的产生，使用f a f t 算法分析采样数据，不仅速度快精度高， 而且抗混叠。 r s 一4 8 5 总线采用主从式结构进行多机通信，集中器为主机，采集器为从机，从机不 能主动发送命令或数据，一切都由主机控制，各台从机之间也不能相互通信。在r s 一4 8 5 电路设计过程中，选定了s n 6 5 l b c l 8 4 这一款芯片，芯片对耦合在数据线上的瞬态噪声具 有更强的免疫力，从而使数据通信的可靠性有了实质的提高。 c a n 是一种多主方式的串行通讯总线，网络上任意一个节点均可在任意时刻。主动 地向网络上任意一个节点发送信息，从而通信方式比较灵活。每个c a n 节点主要包括c a n 控制器和c a n 总线收发器及光耦隔离电路。 还详细介绍了c a n 总线节点的设计要点。提出了本系统设计上的不足和待改进之处。 关键词：采集器集中器r s - - 4 8 5 通信c a n 总线 锁相倍频 f a f t 些童型苎查兰塑兰兰堡丝奎 苎兰 a b s t r a c t t h i st e x ti n t r o d u c e sad e s i g no ft h em e a s u r e m e n ts t a t i o no fe l e c t r i c a lp o w e rp a r a m e t e r s t h es y s t e m a d o p t st h r e ek i n d so ft e c h n o l o g i e s ：e l e c t r i cm e a s u r e m e n tt e c h n o l o g y ，f b t e c h n o l o g y , a n dc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y i tr e a l i z e sq u i c k ，a c c u r a t ea n dr e a l - t i m em e a s u r e t h ew h o l es y s t e mi sc o m p o s e do fm a i n f r a m e ，c o n c e n t r a t o r sa n da c q u i s i t i o nu n i t s a c q u i s i t i o n u n i ts a m p l e sr e a l t i m ee l e c t r i cp o w e r p a r a m e t e r sa n dh a sr s - 4 8 5c o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e s o c o n c e n t r a t o rc a ns a m p l ed a t af r o ma c q u i s i t i o nu n i ta n dt r a n s m i tc o m m a n dt oa c q u i s i t i o nu n i t c o n c e n t r a t o rc a nt r a n s m i td a t af r o ma c q u i s i t i o nu n i tt om a i n f r a m et or e a l i z ea s s a y i n ga n d t r a n s a c t i n gr e a l t i m em e a s u r e m e n tm e s s a g e s a c q u i s i t i o nu n i ta l s oc a nb en a m e da si n t e l l e c t u a l i z e ds e u s o ee l e c t r i cp a r a m e t e r sc a r tb e a c q u i r e db yi t t h i s t e x ta d o p t sas a m p l i n gm e t h o db a s e do nf r e q u e n c ym u l t i p l i c a t i o n p h a s e l o c k e dt od e t e c th a r m o n i c sa n dc a na v o i ds p e c t r u ml e a k a g e i tc a nr e a c hh i g hp r e c i s i o n a n dc a na n t i - a l i a sb yt a k i n gf a f ta l g o r i t h mt oa n a l y s i ss a m p l i n g r s 一4 8 5b u sa d o p t sp r i n c i p a la n ds u b o r d i n a t em o d et oc o m m u n i c a t e c o n c e n t r a t o ri sa h o s t a c q u i s i t i o nu n i ti sas u b o r d i n a t e i tc a n ts e n df o r w a r d l yo u to r d e r so rd a t u m e v e r y t h i n g i sc o n t r o l l e db yt h eh o s t a n ds u b o r d i n a t e sc a n tc o m m u n i c a t ee a c ho t h e r i nc o u r s eo f r s 4 8 5 c i r c u i td e s i g n ，ic h o o s es n 6 5 l b c l8 4 t h i sc h i ph a st h ei m m u n i t yt oi n s t a n t a n e o u sn o i s e s c o u p l i n go nt h ed a t ab u s t h e r e b yt h ed e p e n d a b i l i t yo fd a t ac o m m u n i c a t i o nh a sm a t e r i a l i m p r o v e m e n t c a ni sak i n do f s e r i a lc o m m u n i c a t i o nb u sw h o s ew o r k i n gi sm u l t i h o s t ，a n yn o d eo f t h e n e t w o r kc a l lm o m e n t a r i l ya n df o r w a r d l ys e n dm e s s a g et oo t h e rn o d e s s ot h em o d eo f c o m m u n i c a t i o ni sm o r ef l e x i b l e e a c hc o n c e n t r a t o ri sau n a t t a c h e dc a n b u sn o d e a n de a c h n o d ei sc o m p o s e do fc a nc o n t r o l l e r , c a n - b u st r a n s c e i v e ra n dp h o t o e l e c t r i cc o u p l i n g i s o l a t i o nc i r c u i t t h i st e x ta l s oi n t r o d u c e st h em a i np o i n to ft h ed e s i g no nc a n - b u sn o d ei nd e t a i l s o m e w e a kp o i n t sa n dt h ea s p e c t so f n e e d i n gi m p r o v e m e n t sa r eb r o u g h tf o r w a r d k e y w o r d ：a c q u i s i t i o nu n i t c o n c e n t r a t o rr s - 4 8 5c o m m u n i c a t i o n c a n b u s f r e q u e n c ym u l t i p l i c a t i o np h a s e l o c k e d f a f t 声明 本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除了所列参考文献和世所公 认的文献外，全部是本人在导师指导下的研究成果。该论文资料尚没有呈交于 其它任何学术机关作鉴定。 硕士生签名：剖霞 日期：弘略r 妇 a f f i r m a t i o n id e c l a r et h a tt h i sd i s s e r t a t i o n ，s u b m i t t e di nf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t s f o rt h ea w a r do fm a s t e ro fp h i l o s o p h yi ns h a n d o n gu n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n d t e c h n o l o g y , i sw h o l l ym yo w nw o r ku n l e s sr e f e r e n c e d o fa c k n o w l e d g e t h e d o c u m e n th a sn o tb e e ns u b m i t t e df o rq u a l i f i c a t i o na ta n yo t h e ra c a d e m i c i n s t i t u t e s i g n a t ur e 止) ( 凯 d a 搬 嗍川，埘 山东科技大学硕士学位论文 绪论 l 绪论 1 1 课题的提出 电力参数检测基站所采用的技术是将数据采集、远程传输和智能化信息处理相结合 的一项综合性新技术。它以自动、远程抄表技术为核心，集电测技术、现场总线技术、 通信技术、用电管理技术于一体，具有速度快、精度高、实时性好等突出优点，从根本 上克服了传统抄表模式的弊端，给电能管理的现代化带来了新的希望。目前，美国、欧 洲等发达国家己把自动抄表技术及电力参数的远程检测技术广泛应用于配电管理。我国 对此技术的研究与应用起步较晚，但发展迅速。随着电力市场管理改革的不断深入，对 电力参数检测基站的研究必将成为热点与方向。 电能作为现代社会中使用最为广泛的能源，其应用程度是衡量一个国家发展水平的 重要标志之一。近年来，随着我国电力事业的迅猛发展，电力系统的规模日益扩大，电 能紧缺的问题己逐步解决。但与此同时，有关电能质量的监测问题却日益紧迫的摆在了 我们面前。电子电力技术和电弧炉的广泛使用，在带来技术经济上一系列效益的同时， 也使电网谐波含量大为增加。电网谐波污染的日益严重，导致了电气设备寿命缩短，网 损加大，增加了电网发生谐波谐振的可能性，使继电保护和自动装置不能正常动作或操 作，导致仪表指示和电度计量不准以及计算机和通信受干扰等一系列重要问题。有关电 能质量问题的研究已引起了各国电力工作者的高度重视。我国对电能质量的研究正处于 起步阶段，但也取得了一定的进展。 随着电力系统运行管理的系统化、网络化、自动化和智能化，功能单一的电力系统 测量仪表已经不适应现代化电能管理的需要。我国的电力监测仪表有待于进一步研制并 完善其功能。电能质量的监测，不论在理论上还是在实践中，都有许多值得深入研究的 问题。研制一种新型的电能质量监测装置，集测量、控制和通信等功能于一体，有效地 进行电能质量监测，对于保证电力系统运行的安全性、经济性和可靠性具有重要意义。 电力参数检测基站所采用的技术的核心是自动抄表技术，它集计算机技术、通信技 山东科技 学碗上学位论文 绍论 术、用电及计量技术于一体，具有速度快、精度离、同时性好的突出优点：同时，可以缓 解抄表人员的劳动强度、降地人为因素造成得抄表误差、快速统计等等。固此可以说， 电力参数检测系统是提高电力系统管理自动化水平的一项重要技术手段。 建立电力参数检测基站，由智能传感器( 采集器) 检测出电网电压、电流、有功功 率、无功功率、功率因数及谐波分量，然后通过底层通信刚络与集中器进行数据通信； 最后集中器通过上层通信网络与主机进行数据通信。 1 2 国内外研究现况 国外从9 0 年代以来己经出现了定制电力( c u s t o mp o w e r ) 的供电技术。把大功率电力 电子技术和配电自动化技术综合起来，以用户对电力可靠性和质量的要求为依据为用 户配置所需要的电力。使单独的用户或用户群从标准质量的配电系统上得到用户指定水 甲的电力。研究和开发电能质量领域的新技术已成为近年来电力系统研究的新热点。 计算机和微电子技术的发展进一步促进了电能质量问题的研究及其监测装置的研 制。电测量理论及仪表技术的发展历经了早期、初期、中期和近期四个阶段。早期和中 期的电测量技术主要是以模拟量测量为主。2 0 世纪5 0 年代，数字电子技术和微电子技 术的引入，促进了电测量及其仪表技术的发展，模拟式电测仪表逐渐在越来越多的场合 被数字式仪表所代替。1 9 7 4 年出现的电压、电流波形等间隔采样技术，使数字电予技术 在测量领域中作用日益增大，成为电测与仪表技术步入中期发展阶段的重要标志。在这 一阶段，以微计算机、独立操作系统、各种标准总线式结构为特征，可相互通讯、可扩 展式仪器和自动测试系统以及相应的测量技术得到了蓬勃发展，并逐渐走向成熟。2 0 世 纪8 0 年代中期以来，电测与仪表技术进入了迅猛发展的近期阶段。丈规模集成电路技术 的发展使得芯片体积缩小到可以置入传统仪器内部，使仪器具有控制、存储、运算、逻 辑判断及自动操作等智能化特点，并在测量准确度、灵敏度、可靠性、自动化程度及解 决测量问题的广度和深度等方面均有了明显的进步。 随着对电能质量问题的研究与重视，国内外也出现了相应的测量仪表。如美国福禄 克公司生产的f l u k e4 3 型手持式供电质量分析仪，可以提供电力系统维修、供电故障排 克公司生产的f l u k e4 3 型手持式供电质量分析仪，可以提供电力系统维修、供电故障排 山东科技人学硕上学位论文 绪论 除及设备故障诊断所需的测量值，功能先进。我国对电能质量监测装置的研制尚处于起 步阶段，国内生产厂家的前沿测控装置大多是采用单片微机来实现的，其主要优点是构 成简单、实现方便，价格也比较低廉。 近些年，我国也开发了一些电力测控装置和电能质量监测装置，但在功能上、实用 化方面均未达到理想效果。还存在一些问题： 1 处理功能较差，可扩展存储空间较小，运算速度较慢，难以运用精确严格的算法 进行大量的实时数据处理，不满足电力监测高实时性的要求。 2 有的产品虽然直接引进了国外的技术模块，功能较强，可是价格较高，且不完全 适合我国市场。 3 有的产品无通讯和控制输出功能，不满足电力系统网络化、自动化的发展方向。 4 人机交互性不好。 本课题根据以上的不足，在广泛调研的基础上，提出了电力参数检测基站的设计方 案，其功能满足电能质量检测的要求，提高了电网的运行安全性。 1 3 课题的意义 电能质量问题随着现代信息技术，计算机技术和电子技术的发展，越来越引起用户 和供电部门的重视，先进的网络技术应用大大提高了检测水平。建设电力参数检测基站 可以避免在电能质量工作中遇到的实时性不强、监测指标少、缺乏决策判断的依据、工 作量大、效率低等问题。建立实用、先进、可靠的电能质量检测网络，为及时分析和反 映电网的电能质量水平，找出电网中影响电能质量的原因，采取相应的措施，对电网的 安全、稳定、经济运行具有重要意义。 1 4 课题的可行性 根据现有的技术条件，我们制定了切实可行的方案。本课题主要完成对直接现场模 拟信号的采样、计算和数据通讯。整个电力参数检测基站由主机和集中器及采集器组成， 山东科技大学顺：l 学位论文绪论 采集器( 也可称为智能传感器) 与集中器之间采用r s - - 4 8 5 通信，集中器和主机之间采 用c a n 总线进行通信。互感器从现场采集数据，送入采样及a d 转换电路，通过量程 转化并计算出各电参量后送液晶进行显示。如果有控制要求，则把计算后的各种模拟控 制量转换成数字量或者百分比传给执行机构。同时，在其它节点有数据请求的情况下， 可以将数据通过c a n 总线送向其它节点。 1 5 本课题的创新点 本课题的创新点在于谐波检测上，本文同时采用锁相倍频电路和快速高精度频谱分 析方法f a f t 。锁相倍频电路能够防止频谱泄漏，f a f t 分析方法不仅能以较少的采样点 计算出较高次谐波的幅值和相位，提高了计算速度和精度，而且还有抗混叠的作用，省 去了抗混叠滤波器，节省了硬件成本。 1 6 课题的主要内容 本文以电力参数检测系统领域现阶段的技术为参考，提出并研制了一种基于c a n 总 线的电力参数检测系统。 本文要完成一下内容： ( 1 ) 研制采集器及集中器的硬件及软件； ( 2 ) 完成采集器与集中器的通信接口及软件设计： ( 3 ) 设计完成主机与集中器的通信接口及现场总线。 4 山东科技大学硕士学位论文 系统总体设计及方案论证 2 系统总体设计及方案论证 2 1 系统方案的选择 电力参数检测基站主要由主机( 管理中心) 、数据传输通道、集中器、采集器等部分 构成，其中的关键是数据通信技术，即自动抄表技术。目前的自动抄表系统的通信信道 主要包括：( 1 ) 主机与集中器之间的通信信道：( 2 ) 集中器与采集器之间的通信信道。如图 2 1 所示。 图2 1 系统结构图 2 1 1 底层总线型通信信道 集中器与采集器之间的总线型通信系统，这种方式，一条串行总线连接各分散的采 集器，实现各节点的互联。这种方式下，信道上节点较多，传输速率不很高( 与通信介质 山东科技大学硕：0 学位论文 系统总体设计发方案论证 有关) ，传输距离短，一般不超过2 0 0 0 m ，因此一般用于底层电参数的采集。常用的模式 有r s - 4 8 5 网、低压电力线载波通信和仪表总线等。 ( 1 ) r s 一4 8 5 总线 e i ar s 一4 8 5 是c c p i i ，标准化v1 1 x 2 7 兼容的平衡式电气特性标准。该标准采用 集成电路，在一对平衡的互连电缆上传送差分信号，接收端用差分接收器进行信号判决。 这种接口具有抑制共模干扰的能力，因此抗干扰性能很好，信号发送频率最高可达 i o m h z 。在使用双绞线，信号速率小于l o o k b p s 时，传输距离可达1 2 0 0 k m0r s 一4 8 5 接口 在一个通道上可进行半双工通信，所以只需两根导线便可双向通信，并可方便地构成一 点对多点或多点之间的通信网络，一般使用双绞线作为网络总线。总线上挂接的节点个 数因选用的接口驱动芯片而异，最多可接2 5 6 个节点。 ( 2 ) 低压电力线载波通信 低压电力线载波技术在国外己有较成熟的应用，具有代表性的是英国远程自动抄表 公司开发的低压电力线载波通信系统p o w e r n e t ，该系统具有自动抄表( a m r ) 、用户管理 ( d s m ) 和配电自动化( d a ) 等功能。但是，低压电力线载波技术在国内的应用效果却不如人 意，其原因在于我国对低压电器的电磁兼容性的控制远没有西方发达国家严格，且对低 压电力网上的电磁污染的治理也很不得力，造成低压电力网上干扰大，严重影响着载波 通信的质量。近几年来，随着扩频技术的深入研究，人们把扩频技术应用于载波，在很 大程度上解决了上述问题，因此将扩频编码方式用于低压电力线载波通信成为自动抄表 领域的又一个热点。 ( 3 ) 新型仪表总线 底层数据的采集，除了采用r s 一4 8 5 网和低压电力线载波通信外，还可采用新的仪表 总线。例如美国德州仪器公司的t s s 7 2 1 a 采集系统，它采用欧洲新型总线结构，具有极 性可互换、总线拓扑结构可任意调整、传输距离远等优点。可以预计，这种新型总线方 式也将在我国获得广泛应用。 本系统中，集中器与采集器之间采用r s 一4 8 5 总线进行数据通信，实现了采集器之间 的互连。采集器都有不同的地址，以实现多机通信。通信的发起者是集中器，通信时集 中器把收到的命令或数据( 含地址信息) 发送到总线上，总线上的4 8 5 从机进入通信中断 后，先进行地址判别，若收到的地址信息与本机地址相同，则执行相关的操作：若不相 6 山东科技大学硕士学位论文 系统总体设计及方案论证 同，则退出中断。 2 1 2 上层通信信道 上层通信信道采用现场总线技术，现场总线作为通信网络，不同于日常用于声音、 图像、文字传输的网络，它所传输的是通断电源、开关阀门的指令与数据，直接关系到 处于运行操作过程之中的设备、人身安全，要求信号在有粉尘、噪声、电磁干扰等较为 恶劣的环境下能够准确、及时地发送和接收，同时还具有节点分散、报文简短等特征。 以现场总线技术为基础构造的现场总线控制系统，在系统结构上发生了较大变化，其显 著特征是通过网络信号的传送联络，可由单个节点或多个网络节点共同完成所要求的自 动化功能。它的出现，为我国自动化仪表行业和自控领域提供了良好的机遇，也提出了 严峻的挑战。 2 1 2 1 现场总线概述 从自动控制系统的发展史来看，曾有过两次大的革新：一次是5 0 年代末由旧式模拟 仪表向电动或气动单元组合仪表的转变；另一次是8 0 年代从电子模拟仪表到控制器和集 敞系统( d c s ) 的转变。进入9 0 年代以来，作为工业控制数字化、智能化与网络化典型 代表的现场总线( f i e l db u s f b ) 技术发展迅速影响巨大，引起了工程技术界的普遍 兴趣与重视，被誉为工业自动化领域具有革命性的新技术。前两次革新远远不及现场总线 对控制系统发展的影响那样深刻。现场总线是控制系统发生了概念上的全新变化。它使 传统的控制系统结构发生了根本的变化，在某种意义上，可认为现场总线最终将完全代 替d c s 。现场总线控制系统( f c s ) ，即网络集成式全分布控制系统，其特点是控制功能 由过去的控制室设备变为智能现场仪表来承担，控制功能分散化，全数字化，就有可能 组成大型的开放式控制系统。进而实现从最高决策到最低设备层的综合管理和控制。现 场总线的有关规范一经国际公认，通过功能模块参数标准化，用户可以实现不同厂家产 品的互操作，择优集成。总之，基于现场总线技术的控制策略和网络结构，引发了工业 自动化装置和控制系统的又一次革命。 现场总线，是指将现场设备( 如数字传感器、便送气、仪表与执行机构等) 与工业 过程控制单元、现场操作站等互连而成的计算机网络，具有全数字化、分散、双向传输 和多分支的特点，是工业控制网络向现场级发展的产物。可以认为，现场总线是通信总 线在现场设备中的延伸，允许将各种现场设备通过同一总线进行双向多变量数字通讯。 7 山东科技大学硕士学位论文系统总体设计及方案论证 现场总线使得现场仪表之间、现场仪表和控制室设备之间构成网络互连系统，实现全数 字化、双向、多变量数字通信，为整个工业系统全数字化运行奠定了基础。 可见应用现场总线，是自动控制系统的一个趋势。 2 1 2 2 现场总线的特点 现场总线完整地实现了( 3 c 技术) 控制技术、计算机技术与通信技术的集成，具有 以下几项特点。 ( 1 ) 开放性和可互操作性。f c s 开放性意味着将打破d c s 大型厂家的垄断，给中小企 业发展带来了平等竞争的机遇。可互操作性实现控制产品的“即插即用”功能，从而使 用户对不同厂家工控产品有更多的选择余地。 ( 2 ) 彻底的分散性。彻底的分散性意味着系统具有较高的可靠性和灵活性，系统很容 易进行重组和扩建，且易于维护。 ( 3 ) 低成本。衡量一套控制系统的总体成本，不仅考虑其造价，而且应该考察系统从 安装调试到运行维护整个生命周期内总投入。相对d c s 而言，f c s 开放的体系结构和o e m 技术将大大缩短开发周期，降低开发成本，且彻底分散的分布式结构将1 对l 模拟信号 传输方式变为1 对n 的数字信号传输方式，节省了模拟信号传输过程中大量的a d 、d a 转换装鸯、布线安装成本和维护费用。 因此从总体上来看，f c s 的成本大大低于d c s 的成本。可以说开放型、分散化和低 成本是现场总线最显著的三大特征，它的出现将使传统的自动控制系统产生划时代的变 革。 2 1 2 3 现场总线的通信协议特点 现场总线通信协议基本按照i s o o s i 参考模型，主要实现l 、2 、7 层功能。 ( 1 ) 物理层采用e i a - - r s 2 3 2 、e i a - - r s 4 8 5 等协议。由于在某些情况下，现场传感器、 变送器要从现场总线“窃取”电能作为它们的工作电源，因此对总线上数字信号的强度 ( 驱动能力) 、传输速率、信噪比以及电缆尺寸、线路长度等都提出一定要求。 ( 2 ) 数据链路层考虑到现场设备故障较多，更换频繁，所以数据链路层媒体访问控制 多采用受控访问( 包括轮询和令牌) 协议，通常c p u 、p l c 作为主站，传感器、变送器等 作为从站。另外，须支持点点、点多点和广播通信方式。 ( 3 ) 应用层解决应用什么样的高级语言( 或过程控制语言) 来作为面向用户的编程( 或 r 山东科技大学硕士学位论文系统总体设计及方案论证 组态) 语言，其中包括设备名称、网络变量与配置( 捆绑) 关系，参数与功能调用及相 关说明等，一般应具有符合i e c l l 3 1 3 标准的图形用户界面( g u i ) 。 2 1 2 4 现场总线发展状况及方案选择 国际电工技术委员会( i e c ) 1 9 8 5 年即开始着手制定国际性的智能化现场设备和控制 室自动化设备之间的通信标准，并命名为“f i e l d ”现场总线。目前国际上有4 0 多 种各具特色的现场总线，没有任何一种现场总线能覆盖所有应用面。其中有集中总线技 术应用比较广泛，都具有各自的特点，也显示了较强的生命力。 ( 1 ) f f ( f o u n d a t i o nf i e l d b u s 现场基金会总线) 由美国仪器协会( i s a ) 1 9 9 4 年 推出，代表公司有h o n e y w e l lf i s h e r r o s e m o u n t ，主要应用于石油化工、连续工业过程 控制中的仪表。f f 的特色是其通讯协议在i s o 的o s i 物理层、数据链路层和应用层3 层 之上附加了用户层，通过对象字典o d ( o b j e c td i c t i o n a r y ) 和设备描述语言d d l ( d e v i c e d e s c r i p t i o nl a n g u a g e ) 实现可互操作性。目前基于f f 的现场总线产品有，美国s m a r 公 司生产的压力温度变送器，h o n e y w e i l l & r o c k w e i l l 推出的p r o e e s s l o g i x 系统， f i s h e r - r o s e m o u n t 推出的p l a n t w e b 。 ( 2 ) p r o f i b u s ( p r o c e s sf i e l d b u s 过程现场总线) 德国西门子公司1 9 8 7 年推出，主 要应用于p l c 。由于p r o f i b u s 开发生产的现场总线产品开发时间早至十年前，限于当时 计算机网络水平，大多建立在i t 网络标准基础上，随着应用领域不断扩大和用户要求越 来越高，现场总线的产品只能在原有i t 协议框架上进行局部的修改和补充，以致在控制 系统内增加了很多的转换单元( 如各种耦合器) ，这为该产品今后的进一步发展带来了一 定的局限性。 ( 3 ) h a r t ( h i g h w a ya d d r e s s a b l er e m o t et r a n d u c e r 可寻址远程传感器数据通路) 美国r o s e m o u n t 公司1 9 8 9 年推出，主要应用于智能变送器。h a r t 为一过渡性标准，它 通过在4 2 0 i i l a 电源信号线上叠加不同频率的正弦波( 2 2 0 0 h z 表示0 ，1 2 0 0 表示“l ”) 来传送数字信号，从而保证了数字系统和传统模拟系统的兼容性，预计其生命周期为最 近2 0 年。 ( 4 ) l o n w o r k s ( l o nl o c a lo p e r a t i n gs y s t e m 局部操作系统) 美国e c h e l o n 公司1 9 9 1 年推出。该总线对用于控制网络的所有七层都规定了服务内容，并提供了一整套开发技 术，使得包括硅片，通讯收发机及p c 接口软件等所有制造商处于平等地位。目前，已有 9 山东科技大学硕士学位论文系统总体设计及方案论讨 1 0 0 多家公司提供了与l o n w o r k s 兼容的产品。但是，其应用范围主要集中在升降机，快 餐加工用冷藏业。基于l o n w o r k s 的总线产品有美国a c t i o n 公司的f l e x n e t & f l e x l i n k 等。 ( 5 ) c a n ( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k 控制器局域网) 德国b o s c h 公司8 0 年代初推出， 应用于汽车监控、开关量控制、制造业等。介质访问方式为非破坏性位仲裁方式，其最 高通信速率可达1 m b p s 4 0 m ，最远可达5 m b p s l o k m ，并且开发工具廉价。c a n 的信号传输 采用短帧结构( 每帧的有效数字为8 个) ，受干扰的概率低，当节点严重错误时，具有自 动关闭的功能，以切断该节点与总线的联系，具有较强的抗干扰能力。m o t o r a l a 、i n t e l 、 p h i l i p s 均生产独立的c a n 芯片和带有c a n 接口的8 0 c 5 1 芯片。 综合以上所述，目前现场总线技术正处于一个发展的阶段，各种现场总线技术各有 自己的优势。不同的用户可以根据自己的要求，选用合适的现场总线种类。对现场总线 而言统一是相对的，发展是绝对的。综合看来c a n 、l o n w o r k s 有着广阔的应用前景。 l o n w o r k s 总线比较适用于一些大型的、对响应时间要求不太高的分布式控制系统，而c a n 总线则适用于小型的、实时要求高的系统。系统的设计最终采用c a n 总线，相对于 l o n w o r k s 总线来说，应用c a n 总线设计有如下优势： ( 1 ) 有开发c a n 总线的经验，技术容易掌握，能缩短开发时间； ( 2 ) 应用c a n 总线设计已可以满足系统的设计指标； ( 3 ) 从设备、资金的投入来看，c a n 总线更经济可行。 2 1 2 5 现场总线网络拓扑结构选择 网络拓扑结构是指用传输媒体互连各种设备的物理布局。其基本结构有星型、环型 和总线型三种。如图 火o 图2 2 网络拓扑结构 f i 9 2 2t h et o p o l o g i c a ls t r u c t u r eo f t h en e t w o r k 1 0 山东科技大学硕士学位论文系统总体设计及方案论i j 星型结构是指各工作站以星型方式连接成网。网络有中央节点，其他节点( 工作站、 服务器) 都与中央节点直接相连，这种结构以中央节点为中心，因此又称为集中式网络。 它具有如下特点：结构简单，便于管理；控制简单，便于建网；网络延迟时间较小，传 输误差较低。但缺点也是明显的：成本高、可靠性较低、资源共享能力也较差、 环型结构由网络中若干节点通过点到点的链路首尾相连形成一个闭合的环，这种使 公共传输电缆组成环型连接，数据在环路中沿着一个方向在各个节点问传输，信息从一 个节点传到另一个节点。环型结构具有如下特点：信息流在网中是沿着固定方向流动的， 两个节点仅有一条道路，故简化了路径选择的控制；环路上各节点都是自举控制的，故 控制软件简单；由于信息源在环路中是串行地穿过各个节点，当环中节点过多时，势必 影响信息传输速率，使网络的响应时间延长；环路是封闭的，不便于扩充；可靠性的， 一个节点故障，将会造成全网瘫痪；维护难，对分支节点故障定位较难。 总线结构是指各工作站和服务器均挂在一条总线上，各工作站地位平等，无中心节 点控制，公用总线上的信息多以基带形式串行传递，其传递方向总是从发送信息的节点 开始向两端扩散。各节点在接受信息时都进行地址检查，看是否与自己的工作站地址相 符，相符则接收网上的信息。总线型结构的网络特点如下：结构简单，可扩充性好、当 需要增加节点时，只需要在总线上增加一个分支接口便可与分支节点相连，当总线负载 不允许时还可以扩充总线；使用的电缆少，且安装容易；使用的设备相对简单，可靠性 高：维护难，分支节点故障查找难。 通过以上分析，根据现场的要求，考虑应用总线的费用、灵活性和可靠性，系统采 用了总线型拓扑结构。 2 。2 系统的整体方案 确定t r s - 4 8 5 底层通信方式和c a n 总线的上层通信方式，我们就可以较容易的构建起 整个系统。在整个系统中，将被测信号经过互感器变换成标准测试信号，依据采集器采 集交流电信号，根据周期连续交变信号的交流采样理论计算求得各电量参数：通过r s 一 4 8 5 通信实现采集器与集中器的数据通信，集中器可随时对采集器进行数据的采集和命令 山东科技大学硕二l j 学位论文系统总体设计及方案论证 的发布：集中器收集了采集器的数据后，并进行处理储存，同时通过c a n 总线将信息传输 到主机，由主机来完成电力参数信息的分析与处理。整个系统结构如图2 3 所示。 图2 3 系统结构 f i g 2 3t h es y s t e ms t r u c t u r e c a n h c a n l 山东科技大学硕 ：学位论文 采集器 3 采集器 采集器可以完成现场电压、电流模拟信号的采样，然后通过计算得出a 、v 、f 、p 、 q 、c o sq p 和谐波幅值、相位，最后将得到的这些电参数送到液晶显示。当集中器向采集 器发出指令要求传送电参数时，采集器将输出表示电参数的数字量通过r s 一4 8 5 送往集中 器。其中模拟量输入信号范围为v ：o i o o v ，a ：4 2 0 m a 。 3 1 1 采集器组成 3 1 采集器的组成 野离南 图3 1 采集器组成框图 f i 9 3 1 t h es t r u c t u r eo f a c q u i s i t i o nu n i t 采集器也可称作智能传感器，它主要由信号输入电路、锁相倍频电路、采样保 持及a d 转换电路、c p u 、显示电路、电源监控及看门狗电路、4 8 5 接口电路等几部分 组成。4 8 5 接口电路将在后面介绍。 3 1 2 信号输入电路 信号输入电路即电压、电流信号输入处理电路，主要是对输入信号进行线性变换。 3 1 2 1 电压输入回路 山东科技大学硕i ：学位论文采蹙器 电压输入回路如图3 2 所示，电路由电流型电压互感器及高性能运放组成，电压互 感器隔离了电网上的各种干扰，对内部电路起保护作用，高性能的运放0 p 2 7 保证电压取 样信号稳定、低噪声、低漂移。 g n d 图3 2 电压输入回路 f i 9 32t h ei n p u tc i r c u i to f v o l t a g e u 3 1 2 2 电流输入回路 电流输入回路如图3 3 所示，此电路将电流信号变为与输入电流信号成正比的电压 信号输出。 图3 3 电流输入回路 f i 9 3 3 t h ei n p u tc i r c u i to f c u r r e n t 3 1 3 锁相倍频电路 锁相倍频电路是将输入的信号进行n 倍频，并与输入信号严格同步，产生n 倍频同 步触发信号，控制采样及保持电路进行a d 转换，可以解决频谱泄漏难题。锁相倍频原理 图如图3 4 所示，由低通滤波电路、整形电路、鉴相器、低通滤波电路、压控振荡器、 4 山东科技大学硕士学位论文 采集器 分频器等组成。 图3 4 锁相倍频原理图 f i 9 3 4t h es c ho f f r e q u e n c ym u l t i p l i c a t i o np h a s e - - l o c k e d 其中的鉴相器p d 、低通滤波器l p f 及压控振荡器v c o 组成锁相环路，并形成一个 闭环反馈系统。，r 为参考频率，鉴相器将，r 与厶进行比较，即产生个正比与其相位差 的误差电压“，o ) ，从而使得v c o 输出频率与参考频率差减小。当，r 与厶充分接近时， p l l 的闭环性质将迫使五= 厶，亦即p l l 锁定。 其中低通滤波电路是采用二阶压控电压源型l p f ，信号经l p f 后剩下工频分量。截 止频率设为2 k h z ，通带放大倍数为a = i + 1 0 1 0 = 2 ，具体电路如图3 5 所示。 i 苫= ! 茎龉 7 j e+ 砷l 、 c = 卜 = j 1 ， p p 图3 5l p f 屯路 f i 9 3 5t h ec i r c u i to fl p f 整形电路采用l m 3 1 1 进行过零点检测，形成方波信号，l m 3 1 1 后面的电阻和电容 分别起到了分压、去除毛刺的作用，7 4 a l s 0 4 则起到了转换标准的们几电平的作用。其 输出信号接到7 4 h c 4 0 4 6 的1 4 脚上。 山东科技大学硕士学位论文 采集器 图3 6 整形电路 h l i 本系统采用7 4 h c 4 0 4 6 和可预置计数器7 4 1 6 1 组成6 4 倍频的锁相环电路，如图3 7 所示。4 0 4 6 的4 引脚v c 0 0 为压控振荡器输出，在此引脚上产生6 4 倍频信号去控制采样。 图3 7 锁相环电路 f i 9 3 7t h ec i r c u i to fp l l 3 1 4 采样保持及 d 转换电路 设计中选择了1 2 位的带多路开关的a d 转换器m a x l 9 7 。这是一种具有8 个模拟输 入通道的1 2 位高速a d 转换器件，其a d 转换时间仅6 u s ，能实现信号的分时传送和 模数转换，由于减少了多路开关，便于控制。 1 6 山东科技大学硕l 学位论文采集器 m a x l 9 7 的数据采集由写操作启动，通过写入控制字节可选择多路转换器的通道 ( c h 0 c h 7 ) 、单极性或双极性的模拟输入范围、内部或外部时钟等。在变换周期内写入 一个新的控制字节将使变换中止，并开始一次新的采集期。对电压、电流信号每周期采 样6 4 点，采样间隔脉冲由锁相倍频电路提供，此脉冲送c p u 的外部中断引脚p 2 2 即 e x t i n t l ，由c p u 产生一个写信号启动a d 转换。 图3 8 为采样保持及a d 转换电路。由于电压、电流信号必须为同时刻的采样值， 才能通过计算得出此时的功率瞬时值，所以设计用两片m a x l 9 7 同时对同相的电压、电 流信号采样并进行a d 转换。电压、电流信号分别加到两片m a x l 9 7 的对应通道上，用 一条写操作指令同时启动两片a d c ，同时采样对应的三相电压和电流，每组电压、电流 数据均为同一时刻的采样值。a d 的w r 控制线直接与c p u 的w r 相连，只需写入相应的 控制字节即可同时启动两片m a x l 9 7 ，同时开始对电压和电流的数据采集。两片m h x l 9 7 的w 丁信号相或后连到c p u 的p 1 1 ，p l - 1 为低电平时，表明两片m a x l 9 7 的a o 转换 都已完成，输出数据已准备好，系统可采用查询方式依次读取两片中a d 转换结果。 土 磊 、 。“彳= 牛4 芋 普 一厂 童 ， 孟 l 埘j f i 矗。 丑( _ 整p = ；2h 。 山争 土j h _ 、肛 图3 8 采样保持及a d 转换电路 f i 醪8t h ec i r c u i to fs h ea n da d 3 1 5 显示电路 显示电路采用北京青云创新公司生产的l c m 2 4 0 1 2 8 z k ，它功耗低，带中文字库，可 同时显示多个测得的电参数。 1 7 山东科技大学硕士学位论文采集器 3 1 6 看门狗电路 单片机应用系统常常会受到不可预测的因素干扰而出现故障，如信号失真、决策失 误、“死睡”、程序跑飞等。后两种情况是最严重的，可以直接导致系统瘫痪，只有外部 复位( 硬复位) 才