CAN總線技術(shù)在低壓機(jī)組一體化裝置中的應(yīng)用

謝傳萍（南京南瑞集團(tuán)公司水利水電技術(shù)分公司，江蘇 南京 211106）

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CAN總線技術(shù)在低壓機(jī)組一體化裝置中的應(yīng)用

謝傳萍
（南京南瑞集團(tuán)公司水利水電技術(shù)分公司，江蘇 南京 211106）

摘要：為提高低壓機(jī)組的自動(dòng)化水平，實(shí)現(xiàn)低壓機(jī)組的全自動(dòng)操作，從低壓機(jī)組的現(xiàn)狀和控制要求出發(fā)，結(jié)合CAN總線的技術(shù)特點(diǎn)，分別從硬件和軟件設(shè)計(jì)方面闡述了CAN總線技術(shù)在低壓機(jī)組一體化裝置中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：小水電；CA N總線技術(shù)；低壓機(jī)組；一體化控制

1低壓機(jī)組現(xiàn)狀

我國(guó)小水電資源十分豐富，可開發(fā)的小水電資源位居全球首位，已建成的農(nóng)村水電站達(dá)到4.8萬(wàn)多座，其中約有80%以上是小容量的400 V低壓機(jī)組，這些電站大部分是在20世紀(jì)60～80年代建成，至今已運(yùn)行30年以上，多數(shù)沒(méi)有進(jìn)行過(guò)設(shè)備更新和改造，設(shè)備老舊或老化嚴(yán)重，自動(dòng)化水平比較低，對(duì)電站和運(yùn)行人員的安全存在一定的安全隱患［1］。

近年來(lái)，我國(guó)為有效的促進(jìn)節(jié)能減排，改善生態(tài)環(huán)境，消除安全隱患，提高電站生產(chǎn)效率，出臺(tái)了諸如小水電增效擴(kuò)容改造、小水電代燃料工程、小水電新農(nóng)村電氣化縣建設(shè)等激勵(lì)措施［2］。其中，增效擴(kuò)容改造主要是對(duì)電站現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行升級(jí)改造，由常規(guī)控制方式轉(zhuǎn)為自動(dòng)控制方式，提高電站自動(dòng)化技術(shù)水平，無(wú)疑是農(nóng)村水電轉(zhuǎn)變發(fā)展方式的重要舉措。

近年來(lái)，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)、通訊技術(shù)發(fā)展迅速，特別是CAN現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)具有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸、可快速實(shí)現(xiàn)信息共享的技術(shù)特點(diǎn)［3］，對(duì)于低壓機(jī)組實(shí)現(xiàn)監(jiān)控、保護(hù)、勵(lì)磁、測(cè)量等采用一體化控制，可以有效提高低壓機(jī)組電站的自動(dòng)化水平。

2 CAN總線技術(shù)特點(diǎn)

現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)經(jīng)過(guò)近20年的發(fā)展，已經(jīng)日臻成熟，逐漸受到了國(guó)內(nèi)外自動(dòng)化設(shè)備廠商和關(guān)鍵用戶的青睞，并在電力自動(dòng)化領(lǐng)域得到了越來(lái)越多的應(yīng)用。其中CAN現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，由于其采用了許多新技術(shù)和獨(dú)特的設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)通信具有更加突出的可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性。

CAN總線是一種多主方式的串行數(shù)據(jù)通訊總線，能夠有效支持分布式控制和實(shí)時(shí)控制。最初是由德國(guó)Bosch公司為解決汽車中控制與測(cè)試儀器之間的數(shù)據(jù)通信問(wèn)題，以減少不斷增加的硬件接線而開發(fā)的，隨后CAN接口逐漸成為微控制器的標(biāo)準(zhǔn)串行接口［4］。

為滿足現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備間通信的實(shí)時(shí)性要求，CAN總線采用分層結(jié)構(gòu)，包括數(shù)據(jù)鏈路層和物理層。其中數(shù)據(jù)鏈路層是核心部分，負(fù)責(zé)完成過(guò)濾、過(guò)載通知和管理恢復(fù)，以及打包/解包、幀編碼、媒體訪問(wèn)管理、錯(cuò)誤檢測(cè)、錯(cuò)誤信令、應(yīng)答、串并轉(zhuǎn)換等功能；物理層主要定義物理數(shù)據(jù)在總線上各節(jié)點(diǎn)間的傳輸過(guò)程，以保證CAN協(xié)議中媒體訪問(wèn)層非破壞性位仲裁的要求。

在電力系統(tǒng)領(lǐng)域，CAN總線技術(shù)的應(yīng)用很多，如采用CAN技術(shù)的傳感器和現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、電力控制設(shè)備等，不但提高了數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性和靈活性，而且還提高了控制的快速性和可靠性。

3低壓機(jī)組一體化裝置的設(shè)計(jì)

低壓機(jī)組主要是指單機(jī)容量在1 000 kW以下，發(fā)電機(jī)出口電壓為400 V的小型發(fā)電機(jī)，其電氣設(shè)備包括監(jiān)控、保護(hù)、自動(dòng)準(zhǔn)同期、勵(lì)磁、溫度測(cè)量、轉(zhuǎn)速測(cè)量、交流采樣等設(shè)備。

如果考慮將這些電氣設(shè)備在同一硬件平臺(tái)上來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以大大降低生產(chǎn)成本。低壓機(jī)組一體化智能控制裝置就是這樣一款集監(jiān)控、保護(hù)、勵(lì)磁、同期、測(cè)量等功能于一體的設(shè)備，其軟硬件設(shè)計(jì)均按照

在硬件設(shè)計(jì)方面，低壓機(jī)組一體化智能控制裝置通過(guò)統(tǒng)一的硬件平臺(tái)，進(jìn)行數(shù)據(jù)集中采集和處理，其硬件結(jié)構(gòu)主要采用總線背板配合插件的方式。所有插件固定在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的4U（44.45mm×4=177.8mm）全寬機(jī)箱中，插件主要包括電源、CPU、I/O、模擬量、溫度量、交流量、保護(hù)、勵(lì)磁、同期和MMI等插件，如圖1所示。

圖1一體化裝置的背板和插件結(jié)構(gòu)圖

各插件通過(guò)與插箱背板相連，優(yōu)化了各插件間的信號(hào)量采集，避免了信號(hào)重復(fù)采集，提高了各插件間的數(shù)據(jù)共享和處理能力，而且實(shí)現(xiàn)了插件相互之間的信息交換。其中，保護(hù)、勵(lì)磁、同期、測(cè)速、開關(guān)量、模擬量等組件除完成各自核心功能外，還可將采集到的有效信息通過(guò)CAN現(xiàn)場(chǎng)總線送至智能控制器負(fù)責(zé)監(jiān)視控制的CPU插件中，經(jīng)過(guò)處理后再通過(guò)CAN總線網(wǎng)有效的送往各外圍組件，如液晶屏和上位機(jī)后臺(tái)，如圖2所示。

圖2一體化控制裝置示意圖

一體化裝置的軟件設(shè)計(jì)主要包括CPU和人機(jī)接口兩個(gè)部分。

CPU是一體化裝置的核心部分，主要負(fù)責(zé)完成數(shù)據(jù)運(yùn)算處理、流程控制、負(fù)荷調(diào)節(jié)等功能，以及與其他插件和外部設(shè)備進(jìn)行通訊，如圖3所示。裝置內(nèi)各插件與CPU插件通過(guò)CAN網(wǎng)通訊方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，主要數(shù)據(jù)包括開關(guān)量輸入、模擬量采集、交流量采集、控制輸出、以及同期、保護(hù)、勵(lì)磁等插件信號(hào)，裝置預(yù)留了一個(gè)RS232接口，可以根據(jù)需要與外部設(shè)備進(jìn)行通訊。

圖3 CPU與外圍設(shè)備連接圖

其中：CPU軟件設(shè)計(jì)包括板級(jí)支持、任務(wù)管理、內(nèi)部通訊、外部通訊、以及應(yīng)用程序等軟件設(shè)計(jì)，人機(jī)部分軟件設(shè)計(jì)主要是實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能，包括液晶屏菜單顯示、按鍵響應(yīng)、與控制模塊的數(shù)據(jù)交互等。

一體化裝置以CAN總線為高速數(shù)據(jù)通道，完美的將各功能插件集成在一起，實(shí)現(xiàn)對(duì)低壓機(jī)組的自動(dòng)操作，能夠以一個(gè)指令實(shí)現(xiàn)自動(dòng)開停機(jī)和事故停機(jī)等操作，實(shí)現(xiàn)一鍵式操作。主要完成的功能還包括：

（1）具有自動(dòng)準(zhǔn)同期功能，能夠自動(dòng)調(diào)節(jié)有/無(wú)功功率；

（2）能夠自動(dòng)根據(jù)水位信號(hào)進(jìn)行機(jī)組開停機(jī)，以最大化實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行功能；

（3）具有發(fā)電機(jī)電流速斷、過(guò)電壓等繼電保護(hù)功能；

（4）具有對(duì)外通訊接口，能夠與監(jiān)控后臺(tái)機(jī)進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控功能以及報(bào)表記錄、歷史查詢功能［5］。

4實(shí)際應(yīng)用

在實(shí)際應(yīng)用中，低壓機(jī)組一體化智能控制裝置可以和外圍的電氣一次、二次設(shè)備組成一面獨(dú)立的屏柜，完成低壓機(jī)組的監(jiān)控和負(fù)荷調(diào)節(jié)，如出口斷路器、隔離開關(guān)、互感器以及勵(lì)磁可控硅整流器、滅磁及過(guò)壓保護(hù)回路、電源系統(tǒng)、測(cè)量需要的儀表和操作按鈕。

低壓機(jī)組一體化智能控制屏通過(guò)高度集成、模塊化設(shè)計(jì)，將傳統(tǒng)模式中的監(jiān)控、保護(hù)、勵(lì)磁等系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化和信息共享，進(jìn)一步簡(jiǎn)化了這些設(shè)備間的現(xiàn)場(chǎng)接線，減少了信號(hào)量的重復(fù)采集，采用模塊化、插件式設(shè)計(jì)，當(dāng)模塊故障時(shí)可直接更換，也降低了設(shè)備維護(hù)的難度。如圖4所示，低壓機(jī)組一體化控制屏的采集信號(hào)和控制輸出回路大部分都集成在屏柜中，在廠家供貨前完成組屏，在現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)只需要接入外部的回路信號(hào)，即可投入使用［6］。這樣不但簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)工作，而且現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試工作也大為減少，縮短了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí)間。

圖4低壓機(jī)組一體化屏結(jié)構(gòu)圖

5　結(jié)束語(yǔ)

CAN總線所具有的開放性特點(diǎn)，已被眾多廠家掌握和應(yīng)用，因此，選用CAN總線作為低壓機(jī)組一體化裝置的通訊總線是合理的。采用CAN總線技術(shù)設(shè)計(jì)的低壓機(jī)組一體化智能控制裝置具有經(jīng)濟(jì)實(shí)用、簡(jiǎn)單可靠及維護(hù)方便的特點(diǎn)，不但節(jié)省了業(yè)主的投資成本，保障了低壓機(jī)組設(shè)備的可靠安全運(yùn)行，而且也為電站實(shí)現(xiàn)“無(wú)人值班”（少人值守）運(yùn)行方式提供了條件，提高了電站的經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)：

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中圖分類號(hào)：TV734.4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1672-5387（2016）06-0034-03

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2016.06.012

收稿日期：2016-01-12

作者簡(jiǎn)介：謝傳萍（1976-），男，高級(jí)工程師，從事水電廠自動(dòng)化的研究工作。一體化的設(shè)計(jì)理念，以CAN總線為基礎(chǔ)，采用模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化、插件式進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，具有體積小、功能強(qiáng)、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便等特點(diǎn)。