崔燕燕，溫偉，楊艷，談驍，李冬根

（中核陜西鈾濃縮有限公司，陜西 漢中 723000）

1 研究背景

公司某專用系統(tǒng)是我公司的一條主要生產(chǎn)線，該生產(chǎn)線所有設備均為國外引進產(chǎn)品，且各設備之間均采用專用通信協(xié)議進行通信。該專用系統(tǒng)補壓機的作用是保證工藝管道精料干管的壓力穩(wěn)定，保障公司產(chǎn)品質(zhì)量合格，是鈾濃縮離心級聯(lián)工藝系統(tǒng)的重要組成部分。補壓機變頻器則主要負責為補壓機提供穩(wěn)定可靠的電壓、頻率可調(diào)節(jié)的工作電源，同時承擔著補壓機與該專用系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互的重任，它是與該專用系統(tǒng)相配套的專用設備，采用專用通信協(xié)議進行通信，該設備同樣非常重要，但它目前面臨著沒有備品且無購買渠道的問題，這將直接威脅主工藝系統(tǒng)安全連續(xù)運行。

考慮該專用系統(tǒng)已屬在運系統(tǒng)，整體更換代價巨大。且調(diào)研國內(nèi)主流中小容量變頻器在功能、技術(shù)參數(shù)上均可滿足原該專用系統(tǒng)補壓機變頻器的要求，但它又與該專用系統(tǒng)之間存在“協(xié)議不通”的問題，即溝通時雙方相互無法理解。

因此，最終鎖定研制一種通信協(xié)議轉(zhuǎn)換卡的思路，通過其實現(xiàn)國內(nèi)主流中小容量變頻器與該專用系統(tǒng)的對接，完成雙方之間的數(shù)據(jù)交互。

2 研究內(nèi)容

研究主要分為三部分：解析公司某專用系統(tǒng)通信協(xié)議（含返回信號與控制命令兩大類），明確它與國內(nèi)主流中小容量變頻器（標準Modbus RTU）通信協(xié)議之間的對應關(guān)系——設計硬件電路——編寫軟件程序。

2.1 解析該專用系統(tǒng)通信協(xié)議，明確對應關(guān)系

研制通信協(xié)議轉(zhuǎn)換卡成功與否的關(guān)鍵在于解析該專用系統(tǒng)專用補壓機變頻器的通信協(xié)議。我們通過對通信參數(shù)多次組合測試、分析后，明確出該專用系統(tǒng)通信參數(shù)（波特率4800bps、數(shù)據(jù)位8位、奇偶校驗位無、停止位1位），并確定其協(xié)議類型為類似Modbus協(xié)議。而國內(nèi)主流中小容量變頻器采用標準Modbus RTU協(xié)議，其通信參數(shù)可設置，考慮與АКСУ-2協(xié)議匹配參數(shù)及現(xiàn)場可靠性問題，其接口參數(shù)設置為與該專用系統(tǒng)相一致。

隨后，借助通信協(xié)議分析專用軟件獲取到全部返回信號（包含開關(guān)量狀態(tài)和模擬量數(shù)值兩類）的數(shù)據(jù)幀，將其與該專用系統(tǒng)的返回信號種類進行綜合對比，實現(xiàn)數(shù)據(jù)幀與返回信號的一一對應，通過對開關(guān)量狀態(tài)和模擬量數(shù)值的改變，總結(jié)出返回信號通信協(xié)議規(guī)則；從控制室下發(fā)調(diào)頻、與啟/停命令，總結(jié)出控制信號通信協(xié)議規(guī)則。并將返回信號、控制命令解析后的數(shù)據(jù)與國內(nèi)主流中小容量變頻器寄存器通信協(xié)議之間的對應關(guān)系進行對比，列出相互之間的對應關(guān)系如表1。

表1 該專用系統(tǒng)與國內(nèi)主流中小容量變頻器通信協(xié)議的對應關(guān)系表

2.2 硬件電路

硬件電路的設計主要分為RS-485通信電路（隔離）、RS-485通信電路（非隔離）、ARM控制電路、電源電路、地址選擇電路、接口電路六部分。其中RS-485通信電路（隔離）的主要作用是接收國內(nèi)主流中小容量變頻器返回的開關(guān)量狀態(tài)及模擬量數(shù)值，并將其傳輸給ARM控制電路；同時根據(jù)ARM控制電路中查詢到的命令指令，發(fā)出對國內(nèi)主流中小容量變頻器改變狀態(tài)或者改變數(shù)值的請求，從而實現(xiàn)對補壓機的監(jiān)控與控制。選取隔離通信電路主要是防止變頻器AC380V電源對通信信號產(chǎn)生干擾。

RS-485通信電路（非隔離）的主要作用是接收該專用系統(tǒng)發(fā)出的讀取補壓機狀態(tài)與改寫補壓機命令的請求，并將其傳輸給ARM控制電路；同時將ARM控制電路響應的補壓機狀態(tài)及數(shù)值信息回饋給該專用系統(tǒng)，從而實現(xiàn)與該專用系統(tǒng)的通信鏈接。

ARM控制電路是通信協(xié)議轉(zhuǎn)換卡的核心，其主要作用是實現(xiàn)通信數(shù)據(jù)位格式的轉(zhuǎn)換，完成數(shù)據(jù)幀字表的相互對應。即：接收該專用系統(tǒng)的讀取狀態(tài)請求與改寫命令請求，并將其轉(zhuǎn)換為國內(nèi)主流中小容量變頻器能夠識別的命令；同時將國內(nèi)主流中小容量變頻器的返回狀態(tài)轉(zhuǎn)換為級聯(lián)控制系統(tǒng)能夠識別的信號，再上傳給該專用系統(tǒng)，從而實現(xiàn)國內(nèi)主流中小容量變頻器與該專用系統(tǒng)的通信鏈接問題。

電源電路則負責將國內(nèi)中小容量變頻器母板上提供的24V供電轉(zhuǎn)換為通信協(xié)議轉(zhuǎn)換卡中其他模塊所需的供電。同時還設置了地址選擇電路，通過撥動轉(zhuǎn)換卡上地址撥碼開關(guān)，可以設置通信協(xié)議轉(zhuǎn)換卡與АКСУ-2 控制系統(tǒng)通信的地址。撥動轉(zhuǎn)換卡地址后，需重新對國內(nèi)主流中小容量變頻器上電，才可設置成功。此外還定義了接口信號實現(xiàn)與該專用系統(tǒng)、國內(nèi)主流中小容量變頻器通信的功能。

2.3 軟件編程

轉(zhuǎn)換軟件主要負責設置該通信協(xié)議轉(zhuǎn)換卡的工作方式及數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換格式，實現(xiàn)該專用系統(tǒng)補壓機變頻器與國內(nèi)主流中小容量變頻器在數(shù)據(jù)傳輸方式上的鏈接，從而使通信協(xié)議轉(zhuǎn)換卡能夠正常工作，達到雙方準確溝通的目的。

在軟件編程方面，為提高通信協(xié)議轉(zhuǎn)換卡與機組邏輯柜的通信可靠性，我們設計了基于緩存機制規(guī)定傳輸規(guī)則的一套通信邏輯，即：使用通信協(xié)議轉(zhuǎn)換卡的ARM處理器按照一定的時間節(jié)拍查詢國內(nèi)主流中小容量變頻器運行數(shù)據(jù)及狀態(tài)，當收到該專用系統(tǒng)的查詢指令后，立即根據(jù)查詢到的國內(nèi)主流中小容量變頻器運行數(shù)據(jù)響應該系統(tǒng)。當收到該系統(tǒng)的控制指令或設置指令后，先發(fā)送應答指令，以免影響系統(tǒng)超時，然后再向國內(nèi)主流中小容量變頻器下發(fā)控制指令或設置指令到國內(nèi)主流中小容量變頻器；若與國內(nèi)主流中小容量變頻器出現(xiàn)通信失敗，嘗試多次重發(fā)指令，設計重發(fā)次數(shù)不大于3次。

3 測試與應用

3.1 實驗室測試

將該專用系統(tǒng)補壓機變頻器的現(xiàn)場數(shù)據(jù)輸入實驗室測試軟件中，檢查軟件顯示與實際一致。從實驗室測試軟件中下發(fā)該系統(tǒng)補壓機變頻器的幾種控制信號，檢查測試軟件輸出代碼與系統(tǒng)實際輸出代碼完全一致。經(jīng)測試，通信協(xié)議轉(zhuǎn)換卡的研制能夠?qū)崿F(xiàn)國內(nèi)主流中小容量變頻器與該專用系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交互。

3.2 現(xiàn)場測試

將研制的補壓機變頻器通信協(xié)議轉(zhuǎn)換卡安裝至國內(nèi)主流中小容量變頻器中，并將其放置于該專用系統(tǒng)A區(qū)段中替換原該專用系統(tǒng)專用補壓機變頻器，檢查所有返回信號、控制命令均與實際相一致，驗證了通信協(xié)議轉(zhuǎn)換卡能夠準確無誤的實現(xiàn)國內(nèi)主流中小容量變頻器和該專用系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交互功能。

3.3 現(xiàn)場應用

研制的通信協(xié)議轉(zhuǎn)換卡在系統(tǒng)考核72小時后，正式放置于A區(qū)段投入運行，從2020年7月初至今運行一切正常。同時因通信協(xié)議轉(zhuǎn)換卡具有通用性、易拆取性，因此當某區(qū)段該專用系統(tǒng)補壓機變頻器故障后，可直接將該通信協(xié)議轉(zhuǎn)換卡插入國產(chǎn)備品中調(diào)整對應的撥碼地址即可使用。而且研制同時預留了軟件升級接口，可滿足與多種型號的國內(nèi)主流中小容量變頻器進行通信的要求。此外，該專用系統(tǒng)補壓機變頻器通訊協(xié)議轉(zhuǎn)換卡所搭配的國內(nèi)主流中小容量變頻器自身較為先進，其斷電自啟速度，過載能力、可靠性等方面與原系統(tǒng)專用補壓機變頻器相比有了一定程度的提高。

4 結(jié)語

本文成功研制通信協(xié)議轉(zhuǎn)換卡，主要達到了以下幾方面的效果。

（1）解決了系統(tǒng)備品不足的“卡脖子”技術(shù)難題，最大程度節(jié)約了系統(tǒng)運行維護成本。

（2）實現(xiàn)了該專用系統(tǒng)端通信協(xié)議的開放、透明、自主可控。

（3）該專用系統(tǒng)通信協(xié)議的分析方法、軟件架構(gòu)等均可進行推廣，為該系統(tǒng)其他設備的國產(chǎn)化奠定了堅實的技術(shù)基礎。