光伏并網(wǎng)逆變器人機(jī)界面設(shè)計(jì)

余峰 張志華 張鵬 梁星星

（中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一二研究所， 武漢 430064）

1 引言

太陽(yáng)能的大規(guī)模應(yīng)用將是 21世紀(jì)人類社會(huì)發(fā)展進(jìn)步的一個(gè)重要標(biāo)志，而光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)是光伏系統(tǒng)的必然發(fā)展趨勢(shì)。為了對(duì)光伏并網(wǎng)逆變器的運(yùn)行狀況和故障狀況進(jìn)行控制、分析以及進(jìn)行經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)，需要建立完善的數(shù)據(jù)采集及監(jiān)控系統(tǒng)[1]。本文以現(xiàn)階段光伏發(fā)電監(jiān)控技術(shù)為參考，提出并研制出了一種基于 ARM控制器的人機(jī)界面。詳細(xì)介紹了該人機(jī)界面的構(gòu)成、工作原理和主要功能。

2 人機(jī)界面總體設(shè)計(jì)

人機(jī)界面應(yīng)完成的功能是通過(guò)鍵盤和顯示屏進(jìn)行操作，完成對(duì)光伏并網(wǎng)逆變器的工作參數(shù)的采集、顯示及各種控制命令的輸入。通過(guò)特定的通訊方式（包括總線、串口、并口、雙口 RAM等）傳送給逆變器以及遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，并負(fù)責(zé)逆變器與遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)和命令的傳遞?；谝陨瞎δ芊治觯撓到y(tǒng)應(yīng)包括控制部分、顯示部分、鍵盤輸入以及通訊部分?？刂撇糠植捎们度胧较到y(tǒng)，核心控制器選用微控制器（微型CPU），通訊部分因現(xiàn)場(chǎng)總線具有極高的可靠性，穩(wěn)定性，實(shí)時(shí)性，且易于擴(kuò)展，因此選用總線方式，但考慮到通用型，亦應(yīng)支持串口通訊。原理框圖如圖1所示。

圖1 人機(jī)界面原理框圖

3 硬件電路設(shè)計(jì)

人機(jī)界面安裝在逆變器面板上。其硬件結(jié)構(gòu)包括：ARM控制電路和5.7吋TFT觸摸式LCD顯示屏。

3.1 ARM控制電路

ARM 控制電路是人機(jī)界面的核心，主要由ARM 微處理器 LPC2129及其外圍電路、RS232接口電路、RS485總線接口電路和 CAN總線接口電路組成。ARM控制電路通過(guò)RS232串口通信實(shí)現(xiàn)與逆變器主控制器進(jìn)行通訊，通過(guò)RS485總線或CAN總線實(shí)現(xiàn)和上位機(jī)的遠(yuǎn)程通訊。

LPC2129是基于一個(gè)支持實(shí)時(shí)仿真和跟蹤的16/32位ARM7TDMI-S CPU 的微控制器，并帶有 256k字節(jié)(kB)嵌入的高速 Flash 存儲(chǔ)器。128位寬度的存儲(chǔ)器接口和獨(dú)特的加速結(jié)構(gòu)使 32 位代碼能夠在最大時(shí)鐘速率下運(yùn)行。對(duì)代碼規(guī)模有嚴(yán)格控制的應(yīng)用可使用16位Thumb 模式將代碼規(guī)模降低超過(guò)30%，而性能的損失卻很小。由于LPC2129較小的 64腳封裝、極低的功耗、多個(gè)32 位定時(shí)器、4 路10 位ADC、2 路CAN以及多達(dá)9 個(gè)外部中斷使它特別適用于工業(yè)控制[2]。

3.2 RS-485接口電路

目前，RS-485接口電路的設(shè)計(jì)主要采用非隔離式和隔離式。由于該總線多用于現(xiàn)場(chǎng)比較復(fù)雜的場(chǎng)合，這些場(chǎng)合環(huán)境惡劣、干擾因素較多，如果不采用隔離電路，RS-485總線通信的可靠性與穩(wěn)定性都得不到很好的保障，可能會(huì)導(dǎo)致通信數(shù)據(jù)收發(fā)錯(cuò)誤；嚴(yán)重時(shí)會(huì)使整個(gè)系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)崩潰[3]。為了避免總線通信對(duì)主控系統(tǒng)的影響，本系統(tǒng)采用隔離方式進(jìn)行接口電路設(shè)計(jì)。用數(shù)字隔離器件ADum1301來(lái)實(shí)現(xiàn)控制電路與RS485總線的隔離。RS-485接口電路由兩個(gè)完全獨(dú)立的電源供電，一個(gè)是ARM微控制器的供電電源+3.3 V，另一個(gè) RS-485總線部分的供電電源+5 V，兩路電源完全隔離，使用兩個(gè)隔離的 DC-DC模塊實(shí)現(xiàn)。具體電路如圖1所示。

圖1 RS485隔離電路

3.3 CAN總線收發(fā)電路

CAN（Controller Area Network）即控制器局域網(wǎng)絡(luò)。由于其高性能、高可靠性及獨(dú)特的設(shè)計(jì)，CAN越來(lái)越受到人們的重視。CAN總線是一種最有前途的現(xiàn)場(chǎng)總線，在工業(yè)控制、汽車電子、安防等方面得到廣泛應(yīng)用。設(shè)計(jì)CAN-bus通訊接口是很重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，設(shè)備的正確運(yùn)行與其密切相關(guān)。本文采用CTM1050模塊作為CAN收發(fā)電路。CTM1050模塊是集成電源隔離、電氣隔離、CAN總線保護(hù)于一體的隔離CAN收發(fā)器模塊，該模塊TXD、RXD引腳兼容+3.3 V、及+5 V的CAN控制器，不需要外接其他元器件，直接將+3.3 V或+5 V的CAN控制器發(fā)送、接收引腳與CTM模塊的發(fā)送、接收引腳相連接，就可以很好地實(shí)現(xiàn)CAN-bus總線上各節(jié)點(diǎn)電氣、電源之間完全隔離和獨(dú)立，提高了節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定性和安全性。CAN接口電路圖2所示。

圖2 CAN接口電路

3.4 LCD顯示

液晶顯示LCD（Liquid Crystal Display）是一種常用的被動(dòng)顯示方式。它不能發(fā)光，只能使用周圍環(huán)境的光，因此顯示圖案或字符只需很小能量，而且 LCD的抗電磁干擾能力比較強(qiáng)。一般LCD有三種顯示方式：

1） 反射型 LCD 的底偏光片后面加了一塊反射板，它一般在戶外和光線良好的辦公室使用。

2） 透射型LCD的底偏光片是透射偏光片，它需連續(xù)使用背光源，一般在光線差的環(huán)境使用。

3） 透反射型LCD是處于以上兩者之間，底偏光片能部分反光，一般也帶背光源，光線好的時(shí)候，可關(guān)掉背光源；光線差時(shí)，可點(diǎn)亮背光源使用LCD。

我們選用的是透反射型LCD，將背光電源設(shè)置成省電模式，當(dāng)有人操作時(shí)點(diǎn)亮背光電源，以方便操作。當(dāng)2分鐘內(nèi)無(wú)人操作時(shí)，自動(dòng)關(guān)閉背光電源，進(jìn)入省電模式。

3.5 觸摸屏原理

觸摸屏的一般分為4大類：電阻式觸摸屏、表面聲波觸摸屏、紅外式觸摸屏和電容式觸摸屏。本文選用的是電阻式觸摸屏。電阻式觸摸屏是一種傳感器，它將矩形區(qū)域中觸摸點(diǎn)(X,Y)的物理位置轉(zhuǎn)換為代表X坐標(biāo)和Y坐標(biāo)的電壓。這種屏幕可以用四線、五線、七線或八線來(lái)產(chǎn)生屏幕偏置電壓，同時(shí)讀回觸摸點(diǎn)的電壓。電阻式觸摸屏是一種對(duì)外界完全隔離的工作環(huán)境，故不怕灰塵、水汽和油污，可以用任何物體來(lái)觸摸，比較適合工業(yè)控制領(lǐng)域及辦公室內(nèi)有限人的使用。本裝置采用四線電阻式觸摸屏。

4 軟件設(shè)計(jì)

軟件需要實(shí)現(xiàn)的功能為：

1）與逆變器主控制器進(jìn)行通訊，接收主控制器發(fā)送的逆變器實(shí)時(shí)工作參數(shù)，包括：工作狀態(tài)、交直流電壓、交直流電流、設(shè)備內(nèi)部溫度，故障信息等。人機(jī)界面通過(guò) RS-232接口和逆變器主控制器進(jìn)行通訊，實(shí)時(shí)接收主控制器發(fā)來(lái)的工作參數(shù)，并進(jìn)行處理。

2）對(duì)參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，計(jì)算設(shè)備功率、發(fā)電量、工作時(shí)間、CO2減排量等數(shù)據(jù)。對(duì)逆變器的故障信息進(jìn)行處理。為實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守工作模式，人機(jī)界面要能夠?qū)崟r(shí)統(tǒng)計(jì)，逆變器的發(fā)電量、工作時(shí)間、CO2減排量等數(shù)據(jù)，并進(jìn)行顯示和存儲(chǔ)。

3）與遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行通訊，將相關(guān)參數(shù)發(fā)送給遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。人機(jī)界面與遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的通訊可采用RS-485總線或CAN總線。其中，采用 RS-485總線的通訊方式為一主多從的通訊模式。發(fā)送信息均采用標(biāo)準(zhǔn)幀格式[4]。如表1所示。

表1 RS-485總線幀格式

啟動(dòng)字符：數(shù)據(jù)幀的起始字節(jié)，代表一個(gè)新數(shù)據(jù)幀的開(kāi)始，占用一個(gè)字節(jié)，定為：AAH。

地址號(hào)：為各下位機(jī)的地址信息，每個(gè)下位機(jī)對(duì)應(yīng)唯一的一個(gè)地址號(hào)。各下位機(jī)的地址按順序依次為：00H～FFH。

幀長(zhǎng)：除啟動(dòng)字符外所有數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度。

命令字段：主要包括：數(shù)據(jù)請(qǐng)求信號(hào)(AFH)、數(shù)據(jù)發(fā)送正確信號(hào)（F0H）、數(shù)據(jù)發(fā)送錯(cuò)誤信號(hào)(EEH)。

數(shù)據(jù)格式 ：10位，其中1位起始位，1位停止位，8位數(shù)據(jù)位；

結(jié)束字符：數(shù)據(jù)幀的結(jié)束字節(jié)，標(biāo)志著本次通信結(jié)束。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文詳細(xì)介紹了基于 ARM控制器的人機(jī)界面的硬件及軟件設(shè)計(jì)，該人機(jī)界面操作簡(jiǎn)單。界面友好，已經(jīng)成功地應(yīng)用于某型光伏逆變器上。實(shí)現(xiàn)了光伏發(fā)電的無(wú)人化值守。隨著計(jì)算機(jī)監(jiān)控技術(shù)和光伏發(fā)電技術(shù)的不斷發(fā)展，光伏電站的監(jiān)控技術(shù)將逐步向集中化、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展。

[1]楊海柱, 金新民. 光伏并網(wǎng)逆變器監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì).電氣時(shí)代, 2006(1).

[2]周立功. ARM微控制器基礎(chǔ)與實(shí)戰(zhàn)（第2版）. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社,2005.

[3]潘群, 向軍, 王琳. RS-485串行通信接口電路的設(shè)計(jì)與應(yīng)用. 常州工學(xué)院學(xué)報(bào), 2009(6).

[4]楊旭雷, 張浩. 基于 RS-485總線的測(cè)控系統(tǒng)串行通信協(xié)議及其軟硬件實(shí)現(xiàn). 電氣自動(dòng)化, 2002(2).