基于嵌入式MCGS的电力直流监控系统设计

卜锡滨

（滁州职业技术学院 信息工程系，安徽 滁州 239000）

基于嵌入式MCGS的电力直流监控系统设计

卜锡滨

（滁州职业技术学院 信息工程系，安徽 滁州 239000）

以单片机为核心设计采集模块的硬件电路和程序，通过仿真测试优化硬件电路的参数和软件的代码。基于嵌入式MCGS组态软件，设计图形化用户界面，在脚本程序控制下实现界面的切换和系统运行状态的实时更新，并通过组态配置选项的设置，适应不同的用户环境。采用模块式集散结构，借助RS485通讯接口，将采集模块与系统监控模块集成为图形界面友好、使用方便的电力直流监控系统。

监控；集散结构；采集；仿真；组态；脚本驱动

电力直流监控系统是电力系统实现自动化必不可少的组成部分，负责对电力直流系统运行状况进行监测、控制和管理，确保电力直流系统的稳定运行，从而保障整个电力系统安全、高效地运营。早期的电力直流监控系统以单片机为核心，采用液晶屏显示、按键式操作，只能进行一些简单的图文提示，在功能上受到了较大的限制。近期的电力直流监控系统仍以单片机为核心，将显示和操作功能集成在同一个触摸屏上，并以图形界面的形式显示系统运行的状态，在功能上得到了较大的增强，操作也简便。但是系统设计复杂，设计周期较长，设计好的系统基本上只能用于设计时设定的运行环境，系统维护和升级成本较高。

基于嵌入式 MCGS（Monitor and Control Generated System for Embedded，嵌入式通用监控系统）组态软件设计的电力直流监控系统不仅可以保留现行系统的优点，而且系统设计简捷、周期短，通过设置用户配置选择还可以适应不同的用户环境，系统升级也很方便，因此广泛应用于自动化领域。

1 系统结构设计

电力直流监控系统构建时，可采用模块式集散结构，如图1所示。其中：各采集模块相互独立，一个模块的故障不会影响其他模块的正常工作，各模块内部采用微处理器控制技术，对各部件的运行参数和工作状态进行监测，执行从系统监控模块发来的控制命令；系统监控模块是电力直流监控系统的核心，负责对各采集模块及电源模块进行管理和调度，借助RS485通讯接口，与各采集模块、电源模块并联，组建一个内部查询网络进行数据传输，当需要各采集模块上传数据时，系统监控模块以轮询形式不断发送查询报文，各采集模块监测到报文后，产生串口中断，通过查询报文中的设备地址判断，确定是否回复查询；同时，系统监控模块还借助RS232通讯接口与电力自动化系统进行数据交换，借助USB接口导出历史数据、进行系统更新。

图1 电力直流监控系统结构示意图

2 采集模块设计

2.1 采集模块的硬件设计

采集模块硬件电路设计时，可采用相同的结构设计。每个采集模块都以微处理器为核心，由微处理器、看门狗定时器、串口通讯电路、电源电路、信号处理电路5部分组成，其组成示意图如图2所示。其中，微处理器、看门狗定时器、串口通讯电路、电源电路，一次设计好后可以由每个模块共享。不同模块设计的重点是信号处理电路。这样不仅减轻了设计工作量，而且在量产时也便于器件的采购，有利于生产成本的降低。

串口通讯电路设计时［2］，应选用高速光耦合器进行隔离。电源电路设计时，可选用三端离线PWM转换器，依据厂商提供的参考电路构建需要的电源输出［3］，设计的关键是开关变压器的选用。信号处理电路设计时，可采用3～4个相同的电阻串联作为降压电路对直接输入的交流电压进行降压，每节蓄电池电压的采集由2个光继电器进行选通；选用霍尔电流传感器输入电流，选用温度传感器输入温度。A／D转换可选用具有串行输出功能的模数转换器。

图2 硬件模块组成示意图

2.2 采集模块的软件设计

由于硬件电路设计时采用了相同的结构设计，看门狗定时器程序、RS485串行接口程序、模数转换程序等可以实现共享。不过不同采集模块的具体功能毕竟不同，因而模数转换后的数据处理程序、主程序必须单独设计。具体程序设计时：在主程序中，调用看门狗定时器程序实现看门狗定时器的初始化；在串口中断中，运行RS485串行接口程序实现数据的传送；在数据处理程序中，调用模数转换程序实现参数测量，并采用软件防抖措施，消除测量值显示时的跳动。

2.3 仿真测试

设计好采集模块硬件电路和相应的软件后，可借助Proteus软件进行仿真测试，并优化硬件电路的参数和软件的代码。例如，交流电压测量的仿真验证，如图3所示。221V的仿真交流输入电压，经降压电路后的设计估算值为1.46V，仿真测量值为1.43V；经模数转换后的仿真测量输出为219.8V，测量误差约为0.5%。实物电路制作好后调试时，可借助电位器RV1调节模数转换器的参考电压，使测量误差降到最低。由于整个电力直流监控系统的运行状况是通过系统监控模块的触摸屏显示的，因此在采集模块的仿真验证时，需要借助外加的数码管或液晶显示模块来显示仿真验证结果。

图3 交流电压测量仿真验证

3 系统监控模块设计

基于嵌入式MCGS电力直流监控系统设计的成败取决于系统监控模块的组态工程。组态工程由五个部分构成，分别为主控、设备、用户窗口和实时数据库及运行策略。组态工程的每个部分均可以根据需要进行组态操作，通过相应的属性设置实现所需的功能。通常，组态过程中实时数据库的构造、用户窗口的组态（分为界面设计、图形对象的属性设置和动画连接两步完成）、数据对象更新的脚本驱动程序设计是组态工程的关键。

3.1 用户窗口的界面设计

电力直流监控系统的运行状态是在触摸屏上以图形界面形式呈现给用户的，并以图形界面实现与用户的交互。用户窗口的界面设计就是根据实际需要，选用系统提供或用户扩展的构件，通过合理布局、颜色搭配，设计出用户窗口的图形界面。就电力直流监控系统而言，用户窗口的图形界面可归纳为：系统运行界面，子系统数据实时显示界面，参数设置界面，故障显示界面等。

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3.1.1 系统运行界面

系统运行界面是电力直流监控系统的主界面，也可称为系统图，如图4所示。系统运行界面用于简要显示系统当前的运行状态，通常包括：两路交流输入电压，电源模块电压和电流，蓄电池温度、电压和电流，母线电压等。在组态脚本程序的控制下，当单击了系统运行界面上的按钮图标后，将进入相应的子系统数据实时显示界面，方便用户查看各部分数据，退出时返回到系统运行界面。通过组态脚本程序的控制，单击系统运行界面上相应的按钮还可以切换到参数设置界面、实时报警界面等。

图4 系统运行界面

3.1.2 子系统数据实时显示界面

子系统数据实时显示界面是系统运行界面的二级界面，通常有电源模块数据显示界面、蓄电池数据显示界面、回路绝缘数据显示界面、控母和合母馈线状态界面等。子系统数据实时显示界面主要用于显示各子系统当前的运行状态。其中：电源模块数据显示界面用于显示各电源模块当前的运行状态，显示的模块数量由用户根据需求配置，本系统设计的最多可配置模块为12个；蓄电池数据显示界面用于显示蓄电池电压，当单个蓄电池电压不正常时以红色部分显示出来，方便用户查看；回路绝缘数据显示界面用于显示各分支回路的对地电阻值，当有分支回路接地时会实时显示对地电阻值和母线对地电压，分支回路的路数可由用户根据需求配置。

3.1.3 参数设置界面

参数设置界面包括系统参数设置界面、系统控制参数设置界面、通讯参数设置界面、蓄电池充电管理参数设置界面、告警参数设置界面等，主要用于系统所需参数的设置。其中：系统参数设置界面用于交流路数、电源模块个数、蓄电池节数等设置；系统控制参数设置界面用于电源模块强制开、关机和蓄电池强制均充、浮充切换设置；通讯参数设置界面用于与上位机的通讯协议、本机地址、通讯速率等参数设置；蓄电池充电管理参数设置界面用于充电限流、均充时间、均充电压、浮充电压等参数设置；告警参数设置界面用于设置系统运行过程中报警的起始值。

（4）实时报警界面

实时报警界面用于显示当前的报警信息，帮助用户判断当前状态是否正常。为了便于用户了解过去曾经发生的事件，还设计了事件记录界面。

3.2 实时数据库的构造

基于嵌入式MCGS的实时数据库指用数据库技术管理的所有数据对象，而数据对象是指将数值、属性和方法定义成一体的数据。因此，构造一个实时数据库，实际上就是定义一系列数据对象。就电力直流监控系统而言，构造实时数据库就是根据设备窗口的设备构件、用户窗口图形界面内创建的图形对象等，定义出相应的数据对象。

嵌入式MCGS组态软件为数据对象的定义提供了两种方法，一是单个数据对象的定义，二是组成数据对象的定义。数据对象定义好后还可以通过“数据对象属性设置”对话框进行属性设置或修改。在定义数据对象时，为便于解读，数据对象的名称一般与图形对象相一致，但两者不是一个概念，也就是说数据对象的名称可以任意选择。

3.3 用户窗口的组态

用户窗口组态时，先要对图形界面中创建的图形对象进行属性设置，然后将图形对象与实时数据库中定义的数据对象，建立起对应的关系，即进行动画连接。通过不同的图形状态属性与不同的数值区间关联设置，借助系统运行过程中的数据对象的值，驱动图形对象的状态改变，实现形象逼真的动画效果。

此外，为了适应不同的用户环境，用户窗口组态时还应设置多种配置方案，并根据用户的选择，调用不同的组态脚本程序，显示相应的窗口。

3.4 脚本驱动程序的设计

用户窗口组态时，建立的动画连接，只是具备了在与用户交互的图形界面上显示数据对象值的条件，图形界面上显示的数据对象值还需要借助脚本驱动程序从相应的采集模块获取并实时更新。脚本驱动程序设计时，首先要确定数据传输协议，然后进行变量定义、脚本驱动程序编写，最后设置变量与实时数据库中数据对象的关联。

3.4.1 确定数据传输协议

数据传输协议规定了系统监控模块发送查询报文、采集模块应答查询的数据格式［4］。系统监控模块发送查询报文的数据格式如图5所示，共7个字节。其中：ADR为1个字节的设备地址，例如查询绝缘电阻值采集模块的地址可设置为2FH；COD为1个字节的功能代码，例如查询绝缘电阻值采集模块的功能代码可取为21H～28H，并且对应每个COD的值希望读取8个回路的对地电阻；LEN为1个字节的数据长度，由于发送查询报文的数据长度为0，因此LEN取值为00H；CHK为2字节的CRC校验码，校验内容为从地址字节到数据内容的最后一个字节，先传高字节、后传低字节；EOI为2个字节的结束码，可取值为0A0DH。［5］

图5 查询报文数据格式

采集模块应答查询的数据格式，如图6所示。其中：SOI为1个字节的起始标志，可取值为7EH；ADR为1个字节的设备地址，取值与发送的查询报文中地址一致；COD为1个字节的功能代码，取值与发送的查询报文中功能代码一致；LEN为1个字节的数据长度，取值由采集模块本身和系统监控模块的查询要求决定，例如绝缘电阻值采集模块应答查询时的值为20H，即应答回送32个字节的数据，原因是查询时的每个功能代码希望读取8个回路的对地电阻，而每个回路有正、负对地电阻，每个电阻值又要用2个字节表示；DAT为功能代码（COD）确定的数据内容，数据长度由LEN决定，例如绝缘电阻值采集模块的数据长度为32个字节，其中每4个字节对应1个回路的正、负对地电阻，4个字节中01－02号为正对地电阻、03－04号为负对地电阻，数据传输方式由低位到高位，并将数据放大10倍传输。

图6 应答查询数据格式

3.4.2 定义变量

脚本驱动程序中的变量可分为两种，一是用于数据传递的通道变量，二是支持脚本驱动程序运行的中间变量。通道变量中要有一个反映设备运行状态的变量，当设备运行状态正常时变量值为0，而运行状态不正常时变量值为出错代码。借助与嵌入式MCGS组态软件配套的脚本驱动开发工具，在对话框提示下很容易实现脚本变量的定义。为了便于解读，通道变量名的选择一般与实时数据库中数据对象的名称基本一致。

3.4.3 编写脚本驱动程序

脚本驱动程序编写时，首先要根据数据传输协议组织好查询报文；然后，发送查询报文，接收应答查询的数据，并对接收的数据进行判断；最后，根据判断的结果，进行重新发送查询报文、接收应答查询数据的操作，或进行更新脚本变量值的操作。脚本驱动程序的流程图，如图7所示。

图7 脚本驱动程序流程图

查询报文以数组形式来组织，接收的数据也存放在数组中。查询报文的发送、应答查询数据的接收，通过调用系统提供的发送并接收函数一次性完成。根据实际应用中的经验，在脚本驱动程序编写时，设置两个判断，可提高整个系统的实时性和稳定性。一是判断发送的报文格式、接收的应答查询数据格式是否正确，二是接收的应答查询数据内容是否正确。

3.4.4 设置脚本变量与实时数据库中数据对象的关联

脚本变量与实时数据库中数据对象的关联是在嵌入式MCGS组态软件中进行设置的。在组态软件的设备窗口，打开“设备属性设置”对话框；在“通道连接”选项卡中，将数据对象与脚本变量一一对应，检查正确后，单击“确定”按钮，完成脚本变量与实时数据库中数据对象的关联设置。在脚本变量与实时数据库中数据对象关联时，一个脚本变量只能关联一个数据对象。

3.4.5 脚本驱动程序的仿真调试

安装虚拟串口驱动程序Virtual Serial Port Driver 6.0和串口监控器程序，搭建好仿真调试平台。打开嵌入式MCGS组态软件，在设备窗口中双击“设备窗口”图标，再双击“通用串口父设备”，设置串口端口号为“COM1”。然后，双击要调试的子设备，打开“设备属性设置”对话框，单击“设备调试”选项卡自动发送查询报文。

运行串口监控器程序，设置串口端口号为“COM2”，其他参数与嵌入式MCGS组态软件中“通用串口父设备”的参数保持一致，导入子设备查询应答数据，设置循环发送，单击运行按钮，便可在嵌入式MCGS组态软件的“设备调试”选项卡中，观察到子设备调试结果。当通讯状态值为0时，调试结果正确，并可观察到实时更新的数据。否则，通讯状态值为出错代码，其他值也不再更新。用同样的方法，可完成其他子设备的脚本驱动程序调试。

4 系统集成与调试

完成了各采集模块和系统监控模块设计后，再从市场上直接采购回电源模块，采用模块式集散结构，借助RS485通讯接口，将它们并联起来，集成为一个完整的电力直流监控系统。然后，下载工程文件到系统监控模块，将调试用计算机串口与系统监控模块串口并联，启动系统监控模块，观察调试用计算机屏幕上各采集模块与系统监控模块之间实时交换的数据，检测系统工作是否正常。通常，脚本驱动程序经仿真调试完善后，系统调试时一般不会出现功能性错误。系统调试的主要工作是根据用户的使用环境，进行用户配置方案的选择，检查窗口显示与脚本驱动程序的调用是否吻合。

5 结束语

基于嵌入式MCGS组态软件设计的电力直流监控系统，以动画的方式实时显示系统的运行状态，图形界面友好。屏幕触摸操作的全汉化菜单、信息提示，方便了用户的使用。设置的组态配置选项，适应了不同用户的需求；预置的串行接口、USB接口，方便了与电力自动化系统的连接、历史数据的导出及组态工程文件的更新。因此，基于嵌入式MCGS的电力直流监控系统，以其操作便捷、配置灵活、符合电力自动化技术发展的趋势，已经应用于工程实践，也将被越来越多的用户选择和使用。

［1］薛瑞琮.变电站直流电源的监控系统设计与实现 ［D］.大连：大连理工大学，2008.

［2］广州周立功单片机发展有限公司.RS－485选型及应用指南［EB／OL］.（2004－11－29）／［2012－08－08］.http：／／www.zlgmcu.com／sipex／guide／rs－485-guide.pdf.

［3］Power Integrations，Inc.Three－terminal Off－line PWM Switch［EB／OL］.（1998）／［2012－08－08］.http：／／datasheet.eeworld.com.cn／pdf／30697- POWERINTTOP223Y.pdf.

［4］李芳芳.基于 MODBUS协议的人机接口通信研究 ［D］.西安：长安大学，2009.

On the Design of DC Monitoring Systems Based on Embedded MCGS

Bu Xibin

The hardware circuit and program of the collection module designed with MCU as the core can optimize the parameters of the hardware circuit and the software code by means of simulation testing.The configuration software based on embedded MCGS features a graphical user design interface，provides the switching of interfaces and real－time updates of the system operational status under the control of script programs，and adapts to different user environments through the setting of configuration options.A convenient and friendly user graphical DC monitoring system is made by integrating an acquisition module and a system monitoring module with a modular distributed structure and an RS485communication interface.

monitoring；distribution structure；acquisition；simulation；configuration；script－driven

TP29

A

1673-1794（2012）05-0021-04

卜锡滨（1962－），男，安徽全椒人，副教授、硕士，主要从事嵌入式系统工程、智能检测技术等研究。

2012-08-19