基于Modbus協(xié)議的變槳系統(tǒng)采通信方法的設計及實現(xiàn)

        針對大型風電機組電動變槳系統(tǒng)與主控制器的實時通信問題，利用Modbus協(xié)議設計了基于RS--485通信系統(tǒng)。重點分析了通信數(shù)據(jù)與Modbus協(xié)議標準功能碼的映射，給出了主機通信程序和從機通信程序。實驗結果表明，基于Modbus協(xié)議的通信網(wǎng)絡可靠地實現(xiàn)了主控制器(主機)和三個槳葉伺服控制系統(tǒng)(從機)間的相互通信，可滿足風機槳葉控制系統(tǒng)的通信功能需求。

        1、引言

        風電機組控制系統(tǒng)的設計開發(fā)是風電機組整機設計開發(fā)的最大難點之一，關鍵的核心控制技術主要包含主控制器和變槳距控制器兩大核心部件之一。當前的變槳距系統(tǒng)主要有液壓驅動和伺服電機驅動兩種方式，伺服電機驅動以其特有優(yōu)點成為當前國外的主要變槳距驅動方式。變槳控制器的用途是風機在高風速情況下，通過調節(jié)風力機節(jié)距角口，維持機組發(fā)電功率輸出恒定。本變槳裝置選擇采用由高精度三閉環(huán)伺服構成的硬件系統(tǒng)，系統(tǒng)精度高，易維護。同時選擇合適的通信協(xié)議來使主控制器與三個槳葉驅動器協(xié)同工作。Modbus協(xié)議簡單，方便易用，性價比高，傳輸有高速、高效等優(yōu)點，且其對硬件要求簡單經(jīng)濟，用它來實現(xiàn)主控器與變槳驅動器之間通信，可有效地降低裝置的生產(chǎn)成本。

        2、變槳控制器通信網(wǎng)絡結構和功能

        風機就地監(jiān)控系統(tǒng)(上位機)通過現(xiàn)場總線與輪轂中電動變槳控制器進行通訊，可以同時對三個槳葉的變槳驅動器進行控制。根據(jù)風速，發(fā)電機功率和轉速等相關量，將命令值發(fā)送給變槳驅動器，同時變槳驅動器(下位機)也可以將運行產(chǎn)生的狀態(tài)反饋到上位主控器。上位機監(jiān)控軟件方便直觀，能夠清晰地讀取風機各槳葉的運行情況。

        電動變槳下位機必須能夠快速響應主控制器的命令3個漿葉的電動變槳伺服系統(tǒng)分別具備高性能的同步機制安全可靠等要求，互相獨立.下值機系統(tǒng)能夠完全滿足通信的快速性和町靠性的要求。3個電動變槳伺服控制器構成的下忙機具有的功能是位置伺服功能，采用轉于磁場定向運算，完成位置、速度和電流=閉環(huán)控制，在停機或在正式運行前對電機的有關參數(shù)進行辨識并以此為基礎對控制參數(shù)進行整定，減小陣風引起的轉矩波動峰值.能減小風輪的機械應力和輸出功率的渡動，避免共振.正式運行前對輸入、輸出和采集通道進行控制，具有功能完善的調試軟件，可能進行參數(shù)設置，避免共振，具有緊急安全鏈，有實時通信功能。圖1所示為整個電動變槳控制器通信網(wǎng)絡的結構框圖。

        3、Modbus協(xié)議在變漿系統(tǒng)通信中的應用

        3.1 MMhus通信原理

        Modbus是一種簡單的仿‘客戶機服務器”型應，H協(xié)議.其實質就足主小模式，不過主機是客戶機.從機是服務器。其通倩遵循以r的垃程：①客廣端準備請求并向服務器發(fā)送請求;②服務器分析并處理客戶端的請求.然后向客戶端發(fā)送結果;③如果出現(xiàn)任何差錯.服務器將返回一個異常功能碼.在無差錯和異常響應下的通信過程分別如圖2和圖3所示。

        3.2通信數(shù)據(jù)與Modbus協(xié)議的標準功能碼的映射

        車系統(tǒng)采用MMbus協(xié)議的I/TU模式進行傳輸，采用vc++編寫的^機界面和監(jiān)控模塊在系統(tǒng)中為主機.而變漿伺服控制器模塊作為從機.主機需要處理的通信數(shù)據(jù)為主機下發(fā)送給下位機的數(shù)據(jù)和從機上傳給上位機的數(shù)據(jù).發(fā)送的數(shù)據(jù)包括系統(tǒng)數(shù)據(jù)的設置(修改槳葉葉變化角度和漿葉運行速度)、對變槳控制器攆作的命令(上電、啟動、停機、緊急停機、斷電)、修改變槳柜器件動作的命令(剎車、主電源、后備電源安全鏈閉合散熱、加熱、使能)，上傳給手機的數(shù)據(jù)有機組參數(shù)(直流母線電壓電機溫度、剎車狀態(tài)、電流傳感器)、槳葉數(shù)據(jù)(槳葉當前角度、槳葉運行當前速度，冗余編碼器角度).安全鏈狀態(tài)(90度限位開關、0度限位開關、安全鏈正常閉合)、風機操作模式(停機模式滿機模式、自動模式、手動模式)、停機狀態(tài)(正常停機、緊急停機)、變槳柜狀態(tài)(溫度、電源、加熱)、故障信息(放障ID號、故障名稱)、通信正常信號和槳葉同步性情況。

        Modbus處理的所有數(shù)據(jù)(位、寄存器)都是放置在設備應用儲存器;實現(xiàn)設備中的數(shù)據(jù)組織的方法有多種，本系統(tǒng)采用的組織方式將數(shù)據(jù)塊獨立。由于不同塊中的數(shù)據(jù)不相關，因此可采用不廁的Modbus功能命令來訪問獨立數(shù)據(jù)塊。變槳控制器通信數(shù)據(jù)的相妯用與Modbus協(xié)議定義的標準功能碼映射的描述如表I所示。

        表1：通信數(shù)據(jù)應用與modbus協(xié)議定義的標準功能碼映射表

        下面以查詢槳葉故障信息來說明整個風機通信的查詢，響應過程。在本設計的變槳系統(tǒng)中，有1個主機，3個槳葉，故對應有3個從機，地址分別為01h，02h，03h?，F(xiàn)在以從機1，地址為01h為例。主機查詢命令請求查詢幀的格式如表2所示。

        表2發(fā)送命令幀格式

        這條命令的功能為：讀取槳葉l的故障信息，即從從機01h中讀取寄存器30009的值。槳葉1相應的數(shù)據(jù)幀格式如表3所示。

        表3響應幀格式

        這條相應幀所表示的意義為：寄存器30009里面的數(shù)據(jù)值為“0x0011”，即表示槳葉1出現(xiàn)了17號故障(信息傳輸超時故障)則主機將響應故障，所有槳葉順槳到安全停止位置(880)。其中CRC校驗碼為“1F6Ch”。

        3.3通信過程及分析

        在整個通信過程中，人機界面和監(jiān)控模塊為主機，依次接收到3個槳葉(從機)的反饋信息，并不斷發(fā)送查詢3個槳葉的狀態(tài)信息的命令。槳葉的伺服控制器作為從機，隨時準備響應來自主機發(fā)送的命令，執(zhí)行變槳等相關指令。為使通信的實時性良好，系統(tǒng)采用中斷方式接收和發(fā)送幀。通信程序的構成主要分為：初始化、中斷接收模塊、幀

        處理模塊、CRC校驗模塊、寄存器刷新模塊及通信控制模塊等模塊。其中通信波特率為19200bit/s。3個槳葉的伺服驅動器將同時接收到從上位機的命令，在主機發(fā)送槳葉信息的間隔里，3個槳葉依次將自己的運行狀態(tài)回應到主機上。其中主機發(fā)送槳葉信息的間隔為40ms。3個槳葉分別響應狀態(tài)

        的時間間隔為120ms。通信時序如圖4所示。

        3.3.1主機通信程序設計

        主機通訊程序采用基于多任務、可視化的Windows操作系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境，開發(fā)工具為VisualC++6.0，采用MSCOMM控件ActiveX實現(xiàn)通信端口發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。主機的通信過程如下：打開串口，開始準備需要發(fā)送的數(shù)據(jù)，運行CRC生成子程序，獲得需要發(fā)送數(shù)據(jù)的CRC校驗碼;運行組織報文幀命令構成完整的幀，以Modbus的RTU的方式

        發(fā)送形成的報文;發(fā)送完成，進入接收幀的階段，檢測幀頭(T1一T2一T3一T4)，經(jīng)過判斷，符合四個字符的等待時間則進入等待接收中斷的過程。若中斷響應，進人中斷服務子程序，接收發(fā)送上來的報文數(shù)據(jù)，對其進行CRC校驗;若接收的命令符合要求，主機開始進入幀解析階段，依據(jù)變槳通信協(xié)議完成通信數(shù)據(jù)分析，完成相關的顯示和發(fā)送命令功能。處理完畢進入主程序，否則，報告通信錯誤，然后重新發(fā)送報文，發(fā)送完畢后進人主程序，進入數(shù)據(jù)準備階段;若中斷響應超時，程序進行超時處理，處理完成返回主程序，重新進人數(shù)據(jù)準備階段。主機通信流程圖如圖5所示。

        3.3.2從機通信程序設計

        從機程序的開發(fā)環(huán)境為CCS3.3。從機的通信程序主要完成數(shù)據(jù)幀接收、CRC校驗，同時響應主機的響應，執(zhí)行相應的任務。剛開始，從機程序進入接收中斷程序，中斷模塊開始接收主機發(fā)來的命令數(shù)據(jù)幀，并只有在一個完整的幀讀完后，從機才開始對主機發(fā)送的命令進行處理。在從機報文處理模塊中，首先，處理模塊開始匹配幀頭并調用CRC校驗模塊對請求幀進行運算，并將運算結果

        與接收到的CRC值進行比較，若CRC校驗出錯.則退出處理幀模塊，井放棄當前幘。這表明，從機接收到的此榮幀無效+從機繼續(xù)等待主機的查詢。只有豐機發(fā)送過來查詢報文通過CRC校騎，從機才依據(jù)變槳擲泌進行下一步處理，并準備形成響應幀。響應幀的內容包古主機需要的信息。與此同時.從機再次調用CRC校驗子程序.對響應數(shù)據(jù)進行校驗.并將結果附在響應內容后面構成完整幀以便于主目b進行數(shù)據(jù)檢查。同時，從機(變槳伺服控制器)將執(zhí)行相應的變槳命令。在響應幀彤成之后，從機禁止接收中斷，并使能發(fā)送中斷.當從機數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后，從機則使能接收中斷，為下攻再次接收主機主機的查詢命令做準備.從機通信程序如圖6所示.

        3.3.3實驗分析

        在變槳系統(tǒng)的地面實驗平臺上，打開風機就地監(jiān)控軟什(t機)，將!個變槳裝置蓋接好.運行變槳程序。此時槳葉運行于自動模式狀態(tài).其中設置變槳的角度值為70度，系統(tǒng)運行時，槳葉速度為7.5度/s，下位機反饋信息都正常，安全鏈閉合，剎車打開。槳葉同步性良好。

        4、結束語

        由于Modbus協(xié)議具有標準性、簡單高效、開放性好的特點，使其成為14前應削廣泛的現(xiàn)場總線坼議之一。通過對系境運行的實驗進行分析，結糶表明：風力發(fā)電變槳系統(tǒng)裝置采用Modb.s協(xié)議進行通信.可靠地實現(xiàn)丁風機就地監(jiān)控系統(tǒng)(主機)和3個槳葉控制系統(tǒng)(從機)的相互通信，人機交互友好，通信誤碼率低，抗干擾能力強，完全滿足解決風機槳葉控制系統(tǒng)的通信功能需求，可獲得良好推廣。