徐賢海

（浙江珊溪經(jīng)濟(jì)發(fā)展有限責(zé)任公司，浙江 溫州 325300）

1 概況

水電站水輪機(jī)狀態(tài)數(shù)據(jù)采集是水電站水輪機(jī)計(jì)算機(jī)監(jiān)控或改造的重要組成部分，是“四遙”的重要環(huán)節(jié)。目前大多數(shù)水電站水輪機(jī)狀態(tài)數(shù)據(jù)采集，采用了通用傳感器的組合完成[1]。

水電站水輪機(jī)組的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)模塊是計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中比較特殊的一個(gè)模塊[2]，采用ADAM進(jìn)行開發(fā)的特點(diǎn)是：①安全性較高。具有二進(jìn)制代碼編譯的擴(kuò)充構(gòu)件，擴(kuò)充構(gòu)件不可能通過非法用戶進(jìn)行反編譯，并通過反編譯破解來獲取設(shè)備構(gòu)件驅(qū)動(dòng)程序、特殊構(gòu)件的運(yùn)算算法和特殊界面窗口的設(shè)計(jì)專利。②編程簡(jiǎn)單快速。普通用戶可以通過ADAM軟件模塊的高級(jí)軟件包，開發(fā)構(gòu)件源代碼來進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，也可直接使用構(gòu)件模塊高級(jí)應(yīng)用開發(fā)接口處理數(shù)據(jù)，高級(jí)用戶還可修訂或修改這些構(gòu)件源代碼，以完成編譯一些特殊的功能要求。③任務(wù)功能明確。ADAM的這種構(gòu)件具有擴(kuò)充結(jié)構(gòu)清晰的特點(diǎn)，完全可向ADAM軟件開發(fā)組或人員提出要求，編寫一個(gè)可定制的擴(kuò)充構(gòu)件模塊，而不會(huì)發(fā)生功能相互交叉或多任務(wù)相交叉而不明確的問題。

2 ADMA模塊

ADMA 開發(fā)模塊主要由ADAM-5511 母板和ADAM-5017模擬信號(hào)輸入模塊、ADAM-5024模擬信號(hào)輸出模塊、ADAM-5051 數(shù)字信號(hào)輸入模塊和ADAM-5056數(shù)字信號(hào)輸出模塊組成。

ADMA開發(fā)模塊包括兩個(gè)主要的組件： 主單元和I/O模塊。主單元包括一個(gè)CPU卡，一個(gè)電源校正器，一個(gè)4槽的基板，兩個(gè)系列通訊口和一個(gè)可編程口。

3 核心技術(shù)

3.1 內(nèi)嵌和隔離技術(shù)

該項(xiàng)技術(shù)包含在ADAM-5511母版中。

3.1.1 內(nèi)嵌了80188CPU和ROM-DOS操作系統(tǒng)

ADAM-5511的CPU卡包括一個(gè)80188微處理器，ROM-DOS操作系統(tǒng)是一個(gè)和MS-DOS兼容的系統(tǒng)，提供除BIOS以外的所有MS-DOS的基本函數(shù)。用戶可運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)的PC軟件或在ROM-DOS環(huán)境下用高級(jí)語言編寫的應(yīng)用程序。

3.1.2 內(nèi)嵌了ROM和編程用的快閃磁盤

ADAM-5511有一個(gè)內(nèi)嵌的快閃ROM，SRAM和快閃磁盤。系統(tǒng)提供了400kB的自由快閃磁盤空間，使用戶可以下載程序。同時(shí)還有具有后備電源的12kB的自由SRAM，為用戶編程時(shí)臨時(shí)變量的存儲(chǔ)提供內(nèi)存。

3.1.3 內(nèi)嵌了RS-232-485通訊口

ADAM-5511有兩個(gè)系列的通訊口，使其和應(yīng)用中的其他設(shè)備通訊。COM1口專門用來作為RS-232界面，COM2口專門用來作為RS-485口，這種獨(dú)特的設(shè)計(jì)使控制器適用于不同應(yīng)用程序。

3.1.4 3位隔離和看門狗計(jì)時(shí)器

電子噪音能夠以不同的方式進(jìn)入系統(tǒng)，可以通過I/O模塊、電源供應(yīng)線、或通訊地線進(jìn)入。ADAM-5511系統(tǒng)提供了對(duì)I/O模塊（對(duì)地電壓3000V）、通訊連線（對(duì)地電壓2500V）和通訊電源連線（對(duì)地電壓3000V）的隔離。3位隔離的設(shè)計(jì)避免了對(duì)地產(chǎn)生回路，也降低了電子噪聲對(duì)系統(tǒng)的影響。這種設(shè)計(jì)涌流保護(hù)更好，可防止危險(xiǎn)的電壓或尖頭信號(hào)對(duì)系統(tǒng)造成危害。系統(tǒng)有一個(gè)看門狗計(jì)時(shí)器來監(jiān)測(cè)微處理器，能在系統(tǒng)失敗時(shí)自動(dòng)的重置ADAM-5511的微處理器。

3.2 I/O輸入輸出開發(fā)技術(shù)

3.2.1 ADAM-5017模擬微分輸出模塊

以是16位8通道模擬微分輸出模塊，在所有通道里提供可編程的輸入范圍，接受毫伏輸入（±150MV，±500MV），電壓輸入（±1V，±5V和±10V）和電流輸入（±20MA，需要125ohms的阻抗）。模塊用工程單位（MV，V或mA）把數(shù)據(jù)提供給主機(jī)，對(duì)于工業(yè)的測(cè)量和監(jiān)測(cè)應(yīng)用來說，該解決辦法成本耗資非常低[3]。其光隔離輸入在模擬輸入和模塊之間提供了3000V的隔離電壓，保護(hù)了由于輸入高線性電壓對(duì)模塊和外圍設(shè)備的損害。另外，模塊使用模擬多路轉(zhuǎn)換器進(jìn)行有效超電壓保護(hù)，保證了即使在損傷狀態(tài)下（此狀態(tài)會(huì)損傷其他的多路轉(zhuǎn)換器）信號(hào)的準(zhǔn)確度。

3.2.2 ADAM-5024模擬輸出模塊

一個(gè)4通道模擬輸出模塊，通過ADAM-5510系統(tǒng)界面RS-485從主機(jī)上接受數(shù)字輸入，數(shù)據(jù)的形式用工程單位來表示，使用系統(tǒng)模塊控制的D/A轉(zhuǎn)換器把數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成輸出信號(hào)。可以通過配置軟件確定轉(zhuǎn)換速率和啟動(dòng)電流，通過軟件使用也可以把模擬輸出配制成電流或電壓。模塊通過提供D/A輸出的光隔離和基于對(duì)地隔離電壓為500V的轉(zhuǎn)換器的隔離，來防止設(shè)備對(duì)地形成回路和電壓涌流。

3.2.3 ADAM-5051數(shù)字輸入通道

提供16個(gè)數(shù)字輸入通道，ADAM-5510可使用此模塊的數(shù)字輸入來決定范圍的狀態(tài)或安全開關(guān)或接受遠(yuǎn)程的數(shù)字信號(hào)。

3.2.4 ADAM-5056數(shù)字輸出通道

其特點(diǎn)是有16個(gè)數(shù)字輸出通道，數(shù)字輸出是開路集電極阻抗開關(guān)，可以由ADAM-5510控制，此開關(guān)也可用來控制固態(tài)繼電器。

3.3 數(shù)據(jù)校核技術(shù)

當(dāng)拿到模擬I/O模塊時(shí)應(yīng)進(jìn)行校核，有時(shí)需要另外加以校核。校核參數(shù)存儲(chǔ)在ADAM-5510模擬I/O模塊板的EEPROM軟件中進(jìn)行，所以不需要螺絲刀。ADAM-5510 系統(tǒng)和ADAM使用軟件一起支持模擬輸入和模擬輸出的校核，除了通過軟件校核外，模塊還在登陸和重啟時(shí)，同時(shí)自動(dòng)進(jìn)行零校核和幅值校核。

3.3.1 模擬輸入模塊校核

模塊ADAM-5017的校核采用如下步驟。

（1）選擇合適的電源，把模擬模塊插入到ADAM-5510系統(tǒng)中，并使其加熱30min。

（2）確保模塊對(duì)于所要校核的輸入范圍安裝和配置正確。

（3）執(zhí)行零校核命令（也可以調(diào)用分支校核命令），也可以使用ADAM使用軟件（參考ADAM使用軟件的校核子菜單的零校核選項(xiàng)）。

（4）執(zhí)行幅值校核命令，也可以使用ADAM使用軟件 （參考ADAM使用軟件的校核子菜單的幅值校核選項(xiàng)）。

（5）僅僅適合ADAM-5018：執(zhí)行CJC校核命令。也可以使用ADAM使用軟件（參考ADAM使用軟件的校核子菜單的CJC校核選項(xiàng)）。

零校核和幅值校核必須在CJC校核之前進(jìn)行。對(duì)于CJC校核，熱點(diǎn)偶必須連接到ADAM-5018上，而且必須使用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的溫度計(jì)來測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)的已知溫度，諸如純水的冰點(diǎn)。ADAM-5018和標(biāo)準(zhǔn)的溫度計(jì)之間的偏差被ADAM使用，來完成CJC校核。

3.3.2 模擬輸出模塊校核

模擬輸出模塊的輸出電流的校核，可以通過使用一個(gè)低校核值和一個(gè)高校核值來進(jìn)行，模擬輸入模塊可以對(duì)兩個(gè)范圍（0～20mA和4～20mA）中的一個(gè)進(jìn)行配置。由于0～20mA的低范圍是一個(gè)絕對(duì)的內(nèi)部參考（沒有電源，和內(nèi)部的一個(gè)不可測(cè)量的小電源），所以校核需要兩個(gè)等級(jí)：4mA和20mA。主要步驟包括：

（1）為包括模擬輸出模塊的ADAM-5510系統(tǒng)選擇好電源，并預(yù)熱30min。

（2）確保模塊安裝正確，且是按照規(guī)則進(jìn)行配置，符合要校核的輸出范圍?？墒褂肁DAM軟件來操作。

（3）連接一個(gè)5位的mA表或有一個(gè)并聯(lián)阻抗的電壓表到模塊的螺絲線端子。

（4）向模塊發(fā)出一個(gè)輸出值為4mA的模擬數(shù)字輸出命令。

（5）檢查模塊端子的實(shí)際輸出值，如果不等于4mA，使用校核子菜單中的修剪選項(xiàng)來改變實(shí)際輸出。修剪模塊，直到mA表的讀數(shù)恰好為4mA；如有并聯(lián)阻抗的電壓表，表的讀數(shù)必須是1V（當(dāng)校核20mA時(shí)，使用并聯(lián)阻抗的電壓表示電壓需是5V）。

（6）發(fā)出4mA的校核命令，以表明輸出已被校核，且在模塊的EEPROM里儲(chǔ)存校核參數(shù)。

（7）執(zhí)行輸出值20mA的模擬數(shù)據(jù)輸出命令，模塊的輸出大約等于20mA。

（8）執(zhí)行必要的修剪命令，直到輸出的電流值恰好等于20mA。

（9）執(zhí)行20mA的校核命令，表明目前的輸出值恰好為20mA。在模擬輸出模塊的EEPROM里儲(chǔ)存校核參數(shù)。

3.4 域處理技術(shù)

3.4.1 功能域

在消息幀中，功能代碼域包含了兩個(gè)字符ASCII和8Bits的RTU[4]。功能代碼域的可用范圍一般為1～255，屬于十進(jìn)制的數(shù)值。當(dāng)消息楨是從主設(shè)備發(fā)向從設(shè)備時(shí)，功能代碼域?qū)⒏嬷畯脑O(shè)備需要執(zhí)行哪些功能。

當(dāng)從設(shè)備有回應(yīng)時(shí)，使用了功能代碼域來指示其是否正?；貞?yīng)。對(duì)于正常的返回值，從設(shè)備僅僅返回功能代碼信息。而對(duì)于有疑問的返回值，從設(shè)備將返回正常的原代碼，邏輯值為“1”的位置為重點(diǎn)關(guān)注位置。

主設(shè)備發(fā)向從設(shè)備的消息數(shù)據(jù)要求讀到一組保持寄存器值，將產(chǎn)生如下的功能代碼：00000011（十六進(jìn)制為03H）

對(duì)于正常的回應(yīng)，從設(shè)備僅回應(yīng)了同樣的功能代碼。對(duì)于異議回應(yīng)，將返回：10000011（十六進(jìn)制為83H）

除了功能代碼因異議錯(cuò)誤而作了修改之外，從設(shè)備將是獨(dú)特的代碼回應(yīng)消息數(shù)據(jù)域之中，從而告知主設(shè)備發(fā)生了何種錯(cuò)誤。

對(duì)于所有的主設(shè)備，在設(shè)備內(nèi)嵌的應(yīng)用程序獲取到有疑問的返回值之后，會(huì)將所得信息通過從設(shè)備的確認(rèn)后，重新發(fā)送并報(bào)告給操作員。

3.4.2 數(shù)據(jù)域

數(shù)據(jù)域是一個(gè)由2個(gè)十六進(jìn)制的數(shù)據(jù)集合相構(gòu)成的，其范圍為00～FF。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)哪Ｊ?，可以?對(duì)ASCII雙字節(jié)所組成，或由RTU雙字節(jié)所組成。主設(shè)備發(fā)給從設(shè)備的消息數(shù)據(jù)域?qū)郊有畔?，從設(shè)備執(zhí)行由功能代碼所定義的行為，包括不連續(xù)的寄存器地址，需要處置的數(shù)值，域中實(shí)際數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)[5]。

若沒有發(fā)生數(shù)據(jù)或字節(jié)的錯(cuò)誤，所請(qǐng)求的數(shù)據(jù)值將從從設(shè)備進(jìn)行返回，并存儲(chǔ)在從設(shè)備的數(shù)據(jù)域中。若有錯(cuò)誤發(fā)生時(shí)，主設(shè)備將首先判斷錯(cuò)誤代碼，當(dāng)判斷為真則采取下一步的檢驗(yàn)，若判斷為假，則認(rèn)定該數(shù)據(jù)域是不存在的，并報(bào)告返回主設(shè)備。

3.4.3 錯(cuò)誤檢測(cè)域

標(biāo)準(zhǔn)Modbus網(wǎng)絡(luò)有3種檢測(cè)錯(cuò)誤的方法：

（1）ASCII模式檢測(cè)，采用該模式檢測(cè)時(shí)，每個(gè)錯(cuò)誤檢測(cè)域包含雙ASCII字符。

（2）LRC模式檢測(cè)，采用該模式檢測(cè)時(shí)，需要在冒號(hào)符和回車換行符之間，對(duì)縱向冗長(zhǎng)檢測(cè)進(jìn)行計(jì)算，并將LRC字符附加在回車換行符的前面。

（3）RTU模式的特殊檢測(cè)方法，這種方法是用兩個(gè)8bit字符拼制為1616Bits值，通過對(duì)數(shù)據(jù)域中內(nèi)容進(jìn)行循環(huán)冗余檢測(cè)，將CRC域值附加在檢測(cè)結(jié)果后面，先添加到低字節(jié)，然后再添加到高字節(jié)，直到最后一個(gè)字節(jié)添加完成。

3.4.4 字符的連續(xù)傳輸

每當(dāng)消息在標(biāo)準(zhǔn)的Modbus系列中進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)，每個(gè)字符或字節(jié)從左到右發(fā)送：

（1）最低有效位和最高有效位都使用ASCII字符幀時(shí)，ASCII字符位的序列如下： ①有奇偶校驗(yàn)為：?jiǎn)⑹嘉?，2，3，4，5，6，7：奇偶位，終止位。②無奇偶校驗(yàn)為：?jiǎn)⑹嘉?，2，3，4，5，6，7：終止位，終止位。

（2）使用了RTU字符幀時(shí)，RTU字符的每個(gè)位的序列如下： ①有奇偶校驗(yàn)為： 啟始位1，2，3，4，5，6，7，8：奇偶位，終止位。②無奇偶校驗(yàn)為：?jiǎn)⑹嘉?，2，3，4，5，6，7，8：終止位，終止位。

3.5 錯(cuò)誤檢測(cè)技術(shù)

3.5.1 奇偶校驗(yàn)

該檢測(cè)可以配置的控制器為奇或偶校驗(yàn)，或無校驗(yàn)。分別對(duì)兩種模式進(jìn)行討論。

（1）當(dāng)采用ASCII模式時(shí)，需要采用7個(gè)位數(shù)的字符，用以指定奇或偶校驗(yàn)，將“1”配置到每個(gè)字符的位數(shù)之中并進(jìn)行計(jì)算。

（2）當(dāng)采用RTU模式時(shí)，需要采用8個(gè)數(shù)據(jù)位的字符，例如，二進(jìn)制11010101，為“1”的位數(shù)為5個(gè)，為“0”的位數(shù)為4個(gè)，則可以設(shè)置為奇校驗(yàn)位將是“0”，偶校驗(yàn)位將是“1”。當(dāng)傳輸時(shí)遇到校驗(yàn)檢測(cè)“0”時(shí)，開展奇校驗(yàn)，當(dāng)遇到“1”是開展偶校驗(yàn)[6]。

3.5.2 LRC檢測(cè)

該檢測(cè)使用了ASCII模式，消息中包括了基于LRC方法的錯(cuò)誤檢測(cè)域值。

LRC檢測(cè)方法是將消息域中排除從冒號(hào)到回車換行號(hào)之間的數(shù)據(jù)楨，消息域?yàn)槎M(jìn)制的8位字節(jié)值。LRC檢測(cè)的方法是將傳輸設(shè)備接收到的消息與現(xiàn)存的消息逐個(gè)字節(jié)進(jìn)行比較，放棄進(jìn)位，進(jìn)行連續(xù)累加的一種檢測(cè)方法。比較數(shù)值若不相等則表明有錯(cuò)誤。

3.5.3 CRC檢測(cè)

該檢測(cè)使用了RTU模式，其消息包括了基于CRC方法的錯(cuò)誤檢測(cè)域。CRC方法的最大特點(diǎn)是一個(gè)由先調(diào)入的值，從1的16位的寄存器組成。檢測(cè)時(shí)將檢測(cè)整個(gè)數(shù)據(jù)域的內(nèi)容，主要原理是：

（1）CRC方法包含了2個(gè)16位的二進(jìn)制值，組成兩個(gè)字節(jié)，并將其加入到數(shù)據(jù)域中。

（2）當(dāng)設(shè)備接收到外部消息數(shù)據(jù)時(shí)，將新數(shù)據(jù)域和接收的數(shù)據(jù)內(nèi)容進(jìn)行比較，比較后若數(shù)值相同，則認(rèn)為是真，否則不能通過檢測(cè)。

（3）調(diào)用連續(xù)的8位字節(jié)二進(jìn)制值進(jìn)行處理。當(dāng)有失真數(shù)據(jù)時(shí)，起始位、停止位和奇偶校驗(yàn)位均設(shè)置為無效，每個(gè)字符中的數(shù)據(jù)為8Bit。

在CRC檢測(cè)產(chǎn)生的過程中，每個(gè)8位字符都將單獨(dú)和寄存器數(shù)值內(nèi)容相或（OR），結(jié)果向最低的有效位方向進(jìn)行移動(dòng)，最高有效位以0為填充。

在CRC檢測(cè)產(chǎn)生的過程中，LSB將被提取出來。在經(jīng)過檢測(cè)后，若LSB的值為0，則不進(jìn)行相或。若LSB的值為1，則將寄存器和預(yù)置的值相或。由于每個(gè)域包含了8個(gè)字符，所以整個(gè)過程要重復(fù)循環(huán)8次。在最后一位（即第8位）完成后，下一個(gè)8位字節(jié)又將單獨(dú)和寄存器的當(dāng)前值進(jìn)行相或。最終寄存器中所存儲(chǔ)的值，將是所有數(shù)據(jù)都已經(jīng)處理完成的CRC數(shù)值。這些數(shù)值將從低字節(jié)開始，到最高字節(jié)結(jié)束，將CRC添加到消息之中。

4 應(yīng)用實(shí)例

本模塊在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)過程中，對(duì)所需參數(shù)的采集先通過了采集模塊來實(shí)現(xiàn)，可以直觀地觀測(cè)采集到的數(shù)據(jù)發(fā)展趨勢(shì)，如圖1。

圖1 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示界面

編制該模塊程序所形成的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)組件可取名為Me5511.dll，并存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)目錄中，設(shè)置為自動(dòng)啟動(dòng)接口模式。則計(jì)算機(jī)監(jiān)控的上位機(jī)軟件中，一旦啟動(dòng)可執(zhí)行程序，就可自動(dòng)調(diào)用該組件接口。并可把運(yùn)算和處理后的數(shù)據(jù)讀取到上位機(jī)軟件界面進(jìn)行顯示。在界面之中加入了水頭、流量、槳葉轉(zhuǎn)角、導(dǎo)葉行程、有功功率、無功功率等參數(shù)以配合客戶使用，并在右邊的實(shí)時(shí)繪圖模塊中，繪出了各個(gè)參數(shù)的曲線界面，其界面如圖2。可在上位機(jī)軟件之中設(shè)置導(dǎo)航菜單，導(dǎo)航到具體參數(shù)配合的曲線界面，如圖1。導(dǎo)航界面還可清晰地顯示槳葉行程和導(dǎo)葉行程之間的配合關(guān)系，以及實(shí)時(shí)繪制出了槳葉行程和導(dǎo)葉行程的實(shí)時(shí)情況。

圖2 采集界面

5 結(jié)語

采用ADMA模塊開發(fā)軟件實(shí)現(xiàn)了水電站水輪機(jī)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)模塊的開發(fā)，并在上位機(jī)中進(jìn)行實(shí)踐應(yīng)用，該應(yīng)用豐富了水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的內(nèi)容，完善了水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)在水輪機(jī)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)的功能，有效提升了水電站綜合自動(dòng)化水平。本模塊的開發(fā)經(jīng)驗(yàn)可為其他模塊的開發(fā)及水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的進(jìn)一步升級(jí)提供借鑒。