淺談在變電站高壓開關柜在線檢測系統中的應用
2015-7-6 13:32:12 點擊：
摘要：針對我國變電站目前大多采用基于BITBUS總線無線測溫和RS-485總線構建的監控網絡系統所存在的缺點，介紹了一種利用CAN總線的高壓開關柜在線檢測系統，能更好地完善變電站監控系統的功能，提出了其主要硬件和軟件的設計方案和實施并介紹了應用效果。
關鍵詞：在線檢測系統 CAN 總線 現場總線
由于電子信息技術的進步，現場總線技術已經在高壓開關柜功能智能化系統中得到了廣泛應用，使高壓開關柜的在線檢測系統形成了一個分布式的監測系統，并使整個系統較傳統的集中監測系統性能增強，功能更為完善。
1 CAN總線技術及其特點
在傳統的變電站監測系統中，一般采用BITBUS總線和RS-485總線，但在實際應用中都有以下缺陷：
a. BITBUS總線和RS-485總線上只能有一個主節點，無法構成多主系統，一旦主節點出現故障，系統就不能正常運行，導致整個系統的可靠性較差。
b. BITBUS總線和RS-485總線的抗干擾能力較差，不適應在高電磁環境下運行，而且其錯誤處理能力也很差。
c. 數據通信方式是命令響應式，下端節點只有在收到主節點的命令以后，才能響應，從而造成數據不能及時上傳，導致整個系統實時性較差，不適用于開關柜在線檢測這種要求實時性很高的系統中。
本文采用了目前在工業測控系統中常用的控制器局域網絡CAN。CAN 總線采用差分驅動，可適用于高噪聲干擾的環境且具有較強的糾錯能力，目前已形成國際標準ISO11898規范［1］。其價格低廉，可靠性高，結構靈活，為最有前途的現場總線之一。
CAN采用了OSI/ISO模型全部7層中的2層，即物理層和數據鏈路層，用戶可以這2層為基礎，根據實際需要開發相應的應用層通信協議［1］。CAN 的主要特點如下：
a. 可以多主方式工作，網絡上任意節點均可以在任意時刻主動地向總線上其他節點發送信息，因而可以構成多主機系統。
b. 當CAN 節點嚴重錯誤時，具有自動關閉輸出的功能，切斷該節點與總線的聯系，使總線上的其他節點及通信不受影響，故具有較強的抗干擾能力。
c. 采用非破壞性總線仲裁技術，當2個節點同時向總線上發送信息時，優先級低的節點主動停止數據發送，而優先級高的節點可不受影響地繼續傳輸數據，節省了總線沖突仲裁時間，避免了總線沖突。
d. 總線上的節點信息可以分成不同的優先級，以滿足不同的實時要求。
e. 可以用點對點、一點對多點及全局廣播等幾種方式發送和接收數據。
f. CAN 的直接通信距離最遠可達10km，此時傳輸速率只能達到5kbit/s；最高通信速率可達到1Mbit/s，此時最大傳輸距離為40m；CAN上的節點數實際可達110個。
g. CAN 采用短幀結構，每幀信息含有8個字節，并有CRC校驗等檢錯措施，傳輸時間短，保證了數據出錯率低。
h. 通信介質采用雙絞線、同軸電纜或光纖，選擇靈活。
總之，采用CAN 總線實時性強、可靠性高，用戶接口簡單，非常適用于變電所中構成高壓開關柜故障在線檢測系統。
2 系統總體設計方案
高壓開關柜在線檢測系統結構如圖1所示。
整個系統通過CAN總線將各采集單元模塊和監控計算機單元連成分布式結構的現場控制網絡，網絡中計算機和各個檢測單元模塊分別有自己的ID標志，且保證各自的ID不重復。由數據采集單元模塊采集開關柜的各種信號參數，通過CAN總線送至系統監控機單元，建立起全變電站高壓開關柜的數據庫，計算機對整個CAN 總線系統進行監視管理，具有系統參數（如傳輸速率、節點地址等）設置、數據發送、數據接收、本機狀態查詢、節點狀態查詢、中斷狀態查詢等功能。系統監控機單元采用工業控制機配CAN 總線通信接口卡組成，它接收數據采集單元模塊發來的數據，經計算機進行相應的計算處理得出高壓開關柜的各個參數的值，根據各種參數及其波形等相關性質，從而具體分析得出高壓開關柜的工作狀態。CAN 總線通信接口卡使工控機能方便地連接到CAN 總線上，它由CAN 接口電路及其與計算機串口的連接電路組成，確保數據能準確地在CAN 總線和計算機之間流通。
3 硬件電路設計
由于計算機串口是標準的RS-232接口，發出的數據信號是以字節為單位進行傳送，而CAN 總線信號是以幀為單位進行傳送的，因此要想在計算機串口與CAN 總線之間進行數據傳送，就必須有CAN總線通信接口卡，此卡的作用就是把計算機串口發出的信號和CAN 總線發出的信號進行格式轉換，使每一方都能識別對方發送來的信號，實現數據流通。
本文CAN 總線通信接口卡硬件電路設計如圖2所示，圖中省略了振蕩電路和復位電路。
3.1 CAN 接口電路［2］
3.1.1 CAN 控制器的選�、�
采用SJA1000芯片，它支持CAN2.0B通信協議，它與僅支持CAN2.0A的CAN控制器PCA82C200在硬件和軟件上完全兼容，并在其基礎上增加了新功能：標準幀數據結構和擴展幀數據結構，這兩種幀格式都有單2 雙接收過濾器；64byte的接收FIFO；可讀寫訪問的錯誤計數器和錯誤限制報警及只聽方式等。
3.1.2 CAN 收發器①
PCA82C250是Philips公司的CAN控制器和物理總線間的接口，可提供對總線的差動發送和接收
能力。它有三種不同的工作方式：高速、備用和斜率控制。一般采用斜率控制方式。硬件電路中使用PCA82C250是為了增大通信距離，提高系統的瞬間抗干擾能力，保護總線等作用。
3.1.3 光電隔離
為了進一步提高系統的抗干擾能力，在控制器SJA1000和收發器PCA82C250之間增加了由高速隔離器件6N137構成的隔離電路。
3.1.4 單片機的選�、�
裝置選用AT89C51為處理器，它是ATMEL公司8位單片機，與MCS51完全兼容，內部集成有4kbit/s的閃速E2PROM，工作頻率最高可達20MHz。
3.1.5 電平轉換芯片的選取
在CAN 接口電路中，AT89C51芯片使用的是TTL電平，而從計算機串口輸出的是RS-232電平，因此要想計算機串口與單片機連接，必須進行電平轉換。MAXIM公司生產的MAX202芯片是在缺少±12V電源時進行RS-232/TTL雙向電平轉換芯片，它的供電電源是單+5V，電平轉換的速度的最大值不小于120kbit/s。為了使計算機的電源與CAN接口電路的電源互不受干擾，還在MAX202與AT89C51之間采用光電耦合器，以達到電源隔離的目的。
3.1.6 數據采集單元電路
采集單元電路一般由微處理器外加顯示鍵盤電路、模擬量輸入電路、開關量輸入/輸出電路、CAN 總線通信接口電路、實時時鐘電路等組成。
4 軟件設計
系統采用C語言開發軟件。CAN總線各節點與AT89C51要有效、實時地完成數據通信，軟件的設計是關鍵，也是難點。
軟件設計主要包括計算機串口通信程序、AT89C51通信程序、CAN節點初始化程序、CAN數據發送、接收程序以及CAN總線出錯處理程序等。CAN控制器SJA1000的內部寄存器作為AT89C51芯片的片外寄存器，AT89C51和SJA1000之間進行狀態、控制和數據的交換都是通過SJA1000在復位模式或工作模式下對這些寄存器的讀寫完成的。
在初始化CAN內部寄存器時，注意使得各節點的位速率必須一致，而且收、發雙方必須同步。數據的接收主要有中斷和查詢接收兩種方式。為提高通信的實時性，采用中斷接收方式，而且這樣也可保證接收緩存器不會出現數據溢出現象。下面給出SJA1000工作在Basic CAN模式下的初始化流程圖（圖3）及數據接收的源程序。
采用CAN總線技術組成的變電站高壓開關柜在線檢測系統已在中小型變電站中得到應用，經過實際運行，具有很好的可靠性和抗干擾性，能更好地掌握高壓開關柜的運行狀態，穩定顯示出各參數的波形，可以及時對設備進行檢修，避免事故發生。
5 結束語
在變電站高壓開關柜在線檢測系統中應用了CAN總線技術，設計了主要硬、軟件，并得到實際應用。其硬件電路和軟件的設計方法同樣適合于其他基于CAN總線的分布式控制系統的節點設計。
�、佟JA1000 stand-alone CAN controller, Philips data sheet.
�、凇hilips semiconductor-a worldwide company application notes and development tools for 80C51 microcontrollers.
參考文獻：
�。�1］鄔寬明.CAN總線原理和應用系統設計［M］.北京：北京航空航天大學出版社，1996.
�。�2］何雄，劉滌塵，管保安.RS-232總線轉CAN總線裝置的設計與實現［1］.工業控制計算機，2002，15（1）：11-12，19.
關鍵詞：在線檢測系統 CAN 總線 現場總線
由于電子信息技術的進步，現場總線技術已經在高壓開關柜功能智能化系統中得到了廣泛應用，使高壓開關柜的在線檢測系統形成了一個分布式的監測系統，并使整個系統較傳統的集中監測系統性能增強，功能更為完善。
1 CAN總線技術及其特點
在傳統的變電站監測系統中，一般采用BITBUS總線和RS-485總線，但在實際應用中都有以下缺陷：
a. BITBUS總線和RS-485總線上只能有一個主節點，無法構成多主系統，一旦主節點出現故障，系統就不能正常運行，導致整個系統的可靠性較差。
b. BITBUS總線和RS-485總線的抗干擾能力較差，不適應在高電磁環境下運行，而且其錯誤處理能力也很差。
c. 數據通信方式是命令響應式，下端節點只有在收到主節點的命令以后，才能響應，從而造成數據不能及時上傳，導致整個系統實時性較差，不適用于開關柜在線檢測這種要求實時性很高的系統中。
本文采用了目前在工業測控系統中常用的控制器局域網絡CAN。CAN 總線采用差分驅動，可適用于高噪聲干擾的環境且具有較強的糾錯能力，目前已形成國際標準ISO11898規范［1］。其價格低廉，可靠性高，結構靈活，為最有前途的現場總線之一。
CAN采用了OSI/ISO模型全部7層中的2層，即物理層和數據鏈路層，用戶可以這2層為基礎，根據實際需要開發相應的應用層通信協議［1］。CAN 的主要特點如下：
a. 可以多主方式工作，網絡上任意節點均可以在任意時刻主動地向總線上其他節點發送信息，因而可以構成多主機系統。
b. 當CAN 節點嚴重錯誤時，具有自動關閉輸出的功能，切斷該節點與總線的聯系，使總線上的其他節點及通信不受影響，故具有較強的抗干擾能力。
c. 采用非破壞性總線仲裁技術，當2個節點同時向總線上發送信息時，優先級低的節點主動停止數據發送，而優先級高的節點可不受影響地繼續傳輸數據，節省了總線沖突仲裁時間，避免了總線沖突。
d. 總線上的節點信息可以分成不同的優先級，以滿足不同的實時要求。
e. 可以用點對點、一點對多點及全局廣播等幾種方式發送和接收數據。
f. CAN 的直接通信距離最遠可達10km，此時傳輸速率只能達到5kbit/s；最高通信速率可達到1Mbit/s，此時最大傳輸距離為40m；CAN上的節點數實際可達110個。
g. CAN 采用短幀結構，每幀信息含有8個字節，并有CRC校驗等檢錯措施，傳輸時間短，保證了數據出錯率低。
h. 通信介質采用雙絞線、同軸電纜或光纖，選擇靈活。
總之，采用CAN 總線實時性強、可靠性高，用戶接口簡單，非常適用于變電所中構成高壓開關柜故障在線檢測系統。
2 系統總體設計方案
高壓開關柜在線檢測系統結構如圖1所示。
整個系統通過CAN總線將各采集單元模塊和監控計算機單元連成分布式結構的現場控制網絡，網絡中計算機和各個檢測單元模塊分別有自己的ID標志，且保證各自的ID不重復。由數據采集單元模塊采集開關柜的各種信號參數，通過CAN總線送至系統監控機單元，建立起全變電站高壓開關柜的數據庫，計算機對整個CAN 總線系統進行監視管理，具有系統參數（如傳輸速率、節點地址等）設置、數據發送、數據接收、本機狀態查詢、節點狀態查詢、中斷狀態查詢等功能。系統監控機單元采用工業控制機配CAN 總線通信接口卡組成，它接收數據采集單元模塊發來的數據，經計算機進行相應的計算處理得出高壓開關柜的各個參數的值，根據各種參數及其波形等相關性質，從而具體分析得出高壓開關柜的工作狀態。CAN 總線通信接口卡使工控機能方便地連接到CAN 總線上，它由CAN 接口電路及其與計算機串口的連接電路組成，確保數據能準確地在CAN 總線和計算機之間流通。
3 硬件電路設計
由于計算機串口是標準的RS-232接口，發出的數據信號是以字節為單位進行傳送，而CAN 總線信號是以幀為單位進行傳送的，因此要想在計算機串口與CAN 總線之間進行數據傳送，就必須有CAN總線通信接口卡，此卡的作用就是把計算機串口發出的信號和CAN 總線發出的信號進行格式轉換，使每一方都能識別對方發送來的信號，實現數據流通。
本文CAN 總線通信接口卡硬件電路設計如圖2所示，圖中省略了振蕩電路和復位電路。
3.1 CAN 接口電路［2］
3.1.1 CAN 控制器的選�、�
采用SJA1000芯片，它支持CAN2.0B通信協議，它與僅支持CAN2.0A的CAN控制器PCA82C200在硬件和軟件上完全兼容，并在其基礎上增加了新功能：標準幀數據結構和擴展幀數據結構，這兩種幀格式都有單2 雙接收過濾器；64byte的接收FIFO；可讀寫訪問的錯誤計數器和錯誤限制報警及只聽方式等。
3.1.2 CAN 收發器①
PCA82C250是Philips公司的CAN控制器和物理總線間的接口，可提供對總線的差動發送和接收
能力。它有三種不同的工作方式：高速、備用和斜率控制。一般采用斜率控制方式。硬件電路中使用PCA82C250是為了增大通信距離，提高系統的瞬間抗干擾能力，保護總線等作用。
3.1.3 光電隔離
為了進一步提高系統的抗干擾能力，在控制器SJA1000和收發器PCA82C250之間增加了由高速隔離器件6N137構成的隔離電路。
3.1.4 單片機的選�、�
裝置選用AT89C51為處理器，它是ATMEL公司8位單片機，與MCS51完全兼容，內部集成有4kbit/s的閃速E2PROM，工作頻率最高可達20MHz。
3.1.5 電平轉換芯片的選取
在CAN 接口電路中，AT89C51芯片使用的是TTL電平，而從計算機串口輸出的是RS-232電平，因此要想計算機串口與單片機連接，必須進行電平轉換。MAXIM公司生產的MAX202芯片是在缺少±12V電源時進行RS-232/TTL雙向電平轉換芯片，它的供電電源是單+5V，電平轉換的速度的最大值不小于120kbit/s。為了使計算機的電源與CAN接口電路的電源互不受干擾，還在MAX202與AT89C51之間采用光電耦合器，以達到電源隔離的目的。
3.1.6 數據采集單元電路
采集單元電路一般由微處理器外加顯示鍵盤電路、模擬量輸入電路、開關量輸入/輸出電路、CAN 總線通信接口電路、實時時鐘電路等組成。
4 軟件設計
系統采用C語言開發軟件。CAN總線各節點與AT89C51要有效、實時地完成數據通信，軟件的設計是關鍵，也是難點。
軟件設計主要包括計算機串口通信程序、AT89C51通信程序、CAN節點初始化程序、CAN數據發送、接收程序以及CAN總線出錯處理程序等。CAN控制器SJA1000的內部寄存器作為AT89C51芯片的片外寄存器，AT89C51和SJA1000之間進行狀態、控制和數據的交換都是通過SJA1000在復位模式或工作模式下對這些寄存器的讀寫完成的。
在初始化CAN內部寄存器時，注意使得各節點的位速率必須一致，而且收、發雙方必須同步。數據的接收主要有中斷和查詢接收兩種方式。為提高通信的實時性，采用中斷接收方式，而且這樣也可保證接收緩存器不會出現數據溢出現象。下面給出SJA1000工作在Basic CAN模式下的初始化流程圖（圖3）及數據接收的源程序。
采用CAN總線技術組成的變電站高壓開關柜在線檢測系統已在中小型變電站中得到應用，經過實際運行，具有很好的可靠性和抗干擾性，能更好地掌握高壓開關柜的運行狀態，穩定顯示出各參數的波形，可以及時對設備進行檢修，避免事故發生。
5 結束語
在變電站高壓開關柜在線檢測系統中應用了CAN總線技術，設計了主要硬、軟件，并得到實際應用。其硬件電路和軟件的設計方法同樣適合于其他基于CAN總線的分布式控制系統的節點設計。
�、佟JA1000 stand-alone CAN controller, Philips data sheet.
�、凇hilips semiconductor-a worldwide company application notes and development tools for 80C51 microcontrollers.
參考文獻：
�。�1］鄔寬明.CAN總線原理和應用系統設計［M］.北京：北京航空航天大學出版社，1996.
�。�2］何雄，劉滌塵，管保安.RS-232總線轉CAN總線裝置的設計與實現［1］.工業控制計算機，2002，15（1）：11-12，19.
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