牵引供电系统的遥信数据采集系统

1、存档资料成绩 :华东交通大学理工学院课程设计报告书所属课程名称远动技术课程设计题目牵引供电系统的遥信数据采集系统分院电信分院专业班级学号学生姓名指导教师赵巍2014年12月23 日华东交通大学理工学院课程设计（论文）任务书专 业电气工程及其自动化班 级 姓名一、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 2014年 12 月 8日起至 2014年12 月19 日止。三、课程设计（论文）的内容要求 :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。针对开闭所主接线电路图，进行远动系统模块

2、的设计，设计出牵引供电系统的遥信数据采集系统。 要求 :(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2014-2015 年第一学期华东交通大学理工学院课程设计报告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

3、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， 开关量输入数远动技术课程设计第3页共14页2014-2015 年第一学期华东交通大学理工学院课程设计报告据，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。学生签名 :2014年12月23日评阅人赵巍职称讲师2014年12

4、月23 日远动技术课程设计第4页共14页2014-2015 年第一学期华东交通大学理工学院课程设计报告目录第 1章课程设计内容及要求 .2第 2章被控站通用系统6第 3章单片机部分8第 4章程序设计9第 5章程序流程图12第 6章课程设计心得13第 7章参考文献（资料）13远动技术课程设计第5页共14页2014-2015 年第一学期华东交通大学理工学院课程设计报告第2 章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, 开闭所自动化终端结构图见图表1, 功能插件包括主控插件、交流采样插件、

5、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1 开闭所自动化终端结构图如图表 2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

6、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3 所示。远动技术课程设计第6页共14页2014-2015 年第一学期华东交通大学理工学院课程设计报告图2 数据采集通道图表3 个开关量对应的引脚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4 所示 , 控制输出为一对动合触点

7、, 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。远动技术课程设计第7页共14页2014-2015 年第一学期华东交通大学理工学院课程设计报告图 4 控制输出通道图第 3 章单片机部分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

8、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5 所示。图 5 单片机最小系统原理框图3.2 系统电路图该系统以 MCS 51 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

9、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 除提供读远动技术课程设计第8页共14页2014-2015 年第一学期华东交通大学理工学院课程设计报告写控制信号外, 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

10、可以分配给数据存储器, 还可以分配给其他外围芯片。如图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 6 16 位最小系统数据采集原理第 4章程序设计4.1规约及主站、子站地址传输规约报文 : Polling 方式中无论是主站向子站发送的命令。还是子

11、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

12、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 , 无奇偶校远动技术课程设计第9页共14页2014-2015 年第一学期华东交通大学理工学院课程设计报告验位 , 每个字符八位数据位。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 00H FFH。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

13、, 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

14、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。图 7 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7(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 00H FEH。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

15、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8, 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远动技术课程设计第10页共14页2014-2015 年第一学期华东交通大学理工学院课程设计报告出错。第三个字节的取值范围时 00H FBH。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

16、站报告 , 因此数据区长度 N的取值可为 01HFBH。图表8 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9。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。远动技术课程设计第11页共14页2014-2015 年第一学期华东交通大学理工学院课程设计报告表9 子站向主站回答报文表第 5 章程序流程图远动技术课程设计第12页共14页2014-2015 年第一学期华东交通大学理工学院课程设计报告图 10数据采集传递流程图远动技术课程设计第13页共14页2014-2015 年第一学期华东交通大学理工学院课程设计报告第 6 章课程设计心得感谢赵巍老师的教导和帮助。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