基于MODBUS的嵌入式雷達(dá)油機(jī)并機(jī)管控系統(tǒng)設(shè)計

劉齊悅, 安靖宇

(中國人民解放軍91245部隊， 葫蘆島125000)

0 引言

大型雷達(dá)要求供電功率大、工作穩(wěn)定、連續(xù)工作時間長。通常采用市電、發(fā)電機(jī)組及不間斷電源(Uninterruptible Power System/Uninterruptible Power Supply,UPS)的組合方式供電方案。

在此種方案下，需調(diào)整油機(jī)高壓油泵調(diào)速器及電子調(diào)節(jié)器等一系列設(shè)備以滿足傳輸中的并機(jī)損耗，同時引入UPS這一正弦波失真非線性負(fù)載[1]。因此，如果能解決單一大型油機(jī)故障時造成系統(tǒng)停機(jī)的困難，采用以嵌入式控制器為基礎(chǔ)的多臺油機(jī)并聯(lián)供電方案，能夠解決引入UPS電源帶來的非線性負(fù)載及成本上升等困難。采取針對性措施進(jìn)行油機(jī)并機(jī)管控系統(tǒng)設(shè)計研究是很有必要的。

1 雷達(dá)油機(jī)的特點(diǎn)及管控需求分析

1.1 提高系統(tǒng)穩(wěn)定度

若采用市電供電，不能回避在沒有預(yù)料的情況下突然斷電的風(fēng)險。因此，相比較于采用市電供電，油機(jī)供電具有供電現(xiàn)場可調(diào)可控的特點(diǎn)。但過多依賴于一臺大型油機(jī)供電同樣會降低系統(tǒng)魯棒性。在保證供電功率的前提下，采取多臺油機(jī)并聯(lián)的方案，能夠在一臺油機(jī)出現(xiàn)故障的情況下基本滿足供電需求，為現(xiàn)場搶修爭取時間。

1.2 靈活調(diào)節(jié)總功率降低油耗

采取單臺油機(jī)供電的耗油量基本固定，實(shí)際使用中，會出現(xiàn)因數(shù)臺小功率用電器(通常為工控機(jī)及檢修設(shè)備)啟用油機(jī)電，進(jìn)而導(dǎo)致油料消耗過快的情況。若根據(jù)實(shí)際需要，通過管控平臺按照所需功率進(jìn)行油機(jī)調(diào)配，能夠降低不必要的消耗，進(jìn)一步降低使用成本及維護(hù)成本。

1.3 改善操管人員工作環(huán)境

使用油機(jī)供電時，由于油機(jī)電站本身存在排煙噪聲、機(jī)械噪聲、燃燒噪聲、排風(fēng)噪聲和進(jìn)風(fēng)噪聲等環(huán)境危害，及高溫高濕條件下的影響，操管人員工作環(huán)境通常較差，采取油機(jī)并行管控后，能夠使操管人員由現(xiàn)場工作轉(zhuǎn)入控制臺操控，改善操作人員工作環(huán)境。

2 并機(jī)管控系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)用

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

系統(tǒng)總體設(shè)計分為3部分，并機(jī)管控部分(含嵌入式控制機(jī)、上位機(jī)及兩部柴油發(fā)電機(jī))、配電柜部分及雷達(dá)負(fù)載。其中，控制機(jī)采用市售嵌入式成熟產(chǎn)品，柴油機(jī)基于兩臺已有設(shè)備，上位機(jī)為與嵌入式控制機(jī)兼容的，通過RS232/485接口(COM1)或USB接口連接控制，并進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。連接結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體連接結(jié)構(gòu)及設(shè)計方案

其中，考慮到改善系統(tǒng)魯棒性，盡可能不在負(fù)載一側(cè)引入額外設(shè)備(上位機(jī))，上位機(jī)采用單獨(dú)接市電方式供電，并通過UPS電源保證其工作穩(wěn)定。下文主要說明并機(jī)管控部分及主配電柜的硬件設(shè)計方案。

2.2 硬件設(shè)計

2.2.1 機(jī)組監(jiān)控設(shè)計

雷達(dá)油機(jī)并機(jī)管控系統(tǒng)硬件電路主要包括模擬量輸入單元、模擬量輸出單元、聲光報警模塊、RS232通信接口，RS485轉(zhuǎn)換器，USB接口及HGM9500控制機(jī)，分為主機(jī)HGM9500-1(地址碼01)及從機(jī)HGM9500-2(地址碼02)。其中，HGM9500控制機(jī)采用鄭州眾志公司生產(chǎn)的發(fā)電機(jī)組控制模塊，硬件電路設(shè)計和PCB(Printed Circuit Board)在Altium Desinger 11.0開發(fā)環(huán)境中設(shè)計完成。硬件電路整體結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

在此套系統(tǒng)中，核心部分是基于MODBUS的HGM9500主控制機(jī)，通過為設(shè)計多種信息量采集輸入單元，兩臺控制機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)收集記錄、邏輯計算及判斷，根據(jù)需要進(jìn)行控制及顯示，處理結(jié)果及上位機(jī)控制信號通過標(biāo)準(zhǔn)RS232/485接口和USB接口進(jìn)行通訊，將有關(guān)情況及控制信號實(shí)時傳輸至控制戰(zhàn)位。

圖2 機(jī)組監(jiān)控設(shè)計結(jié)構(gòu)

采集的模擬量及數(shù)字量主要有：

(1)模擬量輸入：包含油機(jī)的三相電壓、三相電流、機(jī)組頻率、機(jī)組轉(zhuǎn)速、機(jī)油壓力、冷卻水溫、柴油油位、機(jī)組啟動蓄電池電壓、輸出功率等模擬參數(shù)；及其他信息，如市電三相電壓、負(fù)載三相電流、發(fā)電三相電壓及蓄電池電壓等；

(2)模擬量輸出：包含油機(jī)啟動信號、停機(jī)信號、切換供電線路信號，以及向聲光報警系統(tǒng)繼電器發(fā)送的開關(guān)信號；

(3)數(shù)字量輸出：包含HGM9500對上位機(jī)的傳輸數(shù)據(jù)，如顯示量的類型，運(yùn)行日志，遙控開關(guān)及信號，系統(tǒng)功率因數(shù)，油機(jī)實(shí)時轉(zhuǎn)速等；同時包括兩臺控制機(jī)HGM9500-1對HGM9500-2的通信信號等。

基于MODBUS的HGM9500控制器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 控制模塊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.2.2 配電柜設(shè)計

根據(jù)需要對配電柜進(jìn)行了重新設(shè)計，其原理圖如圖4所示。

圖4 主配電柜設(shè)計

根據(jù)油機(jī)電/市電雙路及時切換，同時兼容手動及自動切換的需求，在配電柜中新增了C1、C2兩臺交流接觸器、RD1及RD2聲光報警指示燈及QF1-QF3輸出開關(guān)。開關(guān)設(shè)計盡可能依托已有設(shè)備以降低成本。其切換原理如下。

(1)擬采取市電供電時?？刂剖须娎^電器K1及控制市電延時繼電器KT2動作吸合，常開接點(diǎn)K1閉合，延時繼電器KT2的常開接點(diǎn)于10秒后延時吸合(吸合時間根據(jù)上位機(jī)進(jìn)行設(shè)定)，交流接觸器C1受控制吸合后，市電電力通過其主要接點(diǎn)C1向雷達(dá)負(fù)載供電。RD1信號燈亮綠燈，表示供電正常。此時柴油機(jī)未啟動，控制柴油機(jī)繼電器K2常開接點(diǎn)、控制柴油機(jī)延時繼電器KT3常開接點(diǎn)控制切斷交流接觸器C2供電，使K1斷開，對交流接觸器C2電源形成互鎖機(jī)構(gòu)。

(2)擬采用市電與油機(jī)電并行供電時，優(yōu)先使用市電供電。市電X1通過接點(diǎn)K1及KT2使交流接觸器C1的電源吸合，將市電電力納入負(fù)載供電；同時，控制市電繼電器K1閉合切斷交流接觸器C2電源，使C2進(jìn)入釋放狀態(tài)，兩路電源電氣互鎖。

(3)擬采用油機(jī)電供電時。常開接點(diǎn)K1及KT2斷開，交流接觸器C1電源斷開，C1釋放；同時控制柴油機(jī)信號電源K2及KT3及控制市電信號繼電器的接點(diǎn)K2接通C2電源電路，C2吸合；此時C2接點(diǎn)閉合，向雷達(dá)負(fù)載供油機(jī)電，RD2亮綠燈。

2.2.3 基于ModBus的通信接口設(shè)計

HGM9500對上位機(jī)的通訊通過RS232/RS485接口完成，其原理圖如圖5所示。

圖5 轉(zhuǎn)換器原理圖

HGM9500基于ModBus，遵循以下基本規(guī)則：

(1)所有通訊回路遵照主從方式。依照此方式，數(shù)據(jù)可以在一個主站(HGM9500-1)和32個子站(設(shè)計中僅包含一個HGM9500-2)之間傳遞；

(2)任何一個通訊都不能從子站開始；

(3)在回路上的所有通訊都以“信息幀”方式傳遞；

(4)如果主站或子站接收到含有位置命令的信息幀，則不予響應(yīng)。

當(dāng)通信命令發(fā)送至HGM9500-1時，符合響應(yīng)地址碼的設(shè)備接收通信命令，并除去地址碼，讀取信息。若其沒有出錯，則執(zhí)行相應(yīng)任務(wù)，然后把執(zhí)行結(jié)果返回發(fā)送者。返回信息包括地址碼、執(zhí)行動作的功能碼、執(zhí)行動作后的數(shù)據(jù)以及錯誤校驗碼(CRC)。如果出錯則不發(fā)送任何信息。

信息幀格式如表1所示。

表1 ModBus信息幀格式

以子機(jī)地址為01，起始地址為0026H的3個數(shù)據(jù)(每個數(shù)據(jù)為2個字節(jié))為例，此例起始地址如表2～4所示。

表2 格式舉例

表3 HGM9500-1發(fā)送數(shù)據(jù)

表4 HGM9500-2響應(yīng)數(shù)據(jù)

3 系統(tǒng)應(yīng)用效果

3.1 實(shí)際應(yīng)用場景

自二〇一八年在某部大功率雷達(dá)(該雷達(dá)采用的是市電和兩臺120 kW康明斯油機(jī)的供電方案)應(yīng)用該系統(tǒng)以來，經(jīng)過數(shù)月開關(guān)機(jī)實(shí)驗及試運(yùn)行。其能夠解決雷達(dá)油機(jī)操作環(huán)境噪音，瞬時功率變化時電壓波動，操管人員工作壓力，熱關(guān)機(jī)斷電風(fēng)險的問題，具備性能可靠、實(shí)用性強(qiáng)、操作簡便、維護(hù)量較少、故障率低、魯棒性強(qiáng)的特點(diǎn)，解決了存在問題，并具備多機(jī)并聯(lián)改造的基礎(chǔ)。

3.2 改造前后參數(shù)對比

GB/T 15945-2008《電能質(zhì)量電力系統(tǒng)頻率偏差》規(guī)定電力系統(tǒng)正常運(yùn)行條件下頻率偏差限值為±0.2 Hz，系統(tǒng)容量小時放寬至±0.5 Hz?？梢?，標(biāo)準(zhǔn)頻率應(yīng)為49.8-50.2 Hz，且對頻率穩(wěn)定度要求越低越好。

對并機(jī)發(fā)電前、后對頻率起伏進(jìn)行測量，測量結(jié)果如圖6所示。

圖6 機(jī)組發(fā)電頻率對比

通過測量開機(jī)后五分鐘內(nèi)頻率變化情況，得到并機(jī)后發(fā)電機(jī)組頻率更為穩(wěn)定的結(jié)論。

同時，在油機(jī)暖機(jī)運(yùn)行完畢后，可將未加高壓的雷達(dá)視為一個負(fù)載，同時根據(jù)實(shí)際情況，緊急時可直接將加高壓(大功率)狀態(tài)下的雷達(dá)并入油機(jī)電供電，這對并入時的瞬時穩(wěn)定電壓出現(xiàn)需求。在此需求牽引下，對并機(jī)前后不同負(fù)載功率下的壓降比進(jìn)行了測量，結(jié)果如圖7所示。

可見伴隨著改造后的容量增大，壓降幅度有較明顯下降，整體供電更為穩(wěn)定。

圖7 加負(fù)載瞬時功率壓降

4 總結(jié)

在電力電子系統(tǒng)數(shù)字化、智能化管理的大背景下，大型主流油機(jī)(康明斯，沃爾沃，雅馬哈等)并機(jī)管理技術(shù)成本及經(jīng)濟(jì)成本均由較大下降，使基于已有設(shè)備進(jìn)行數(shù)字化集中管控改造設(shè)計成為可能。在此背景下，以提升雷達(dá)供電魯棒性需求為牽引，按照數(shù)字化、智能化的設(shè)計理念，基于MODBUS總體架構(gòu)進(jìn)行了油機(jī)并機(jī)管控系統(tǒng)設(shè)計，應(yīng)用于實(shí)際平臺并取得了積極效果。目前傳統(tǒng)油機(jī)改造仍有較大空間，現(xiàn)有的機(jī)制和通信協(xié)議一定程度上限制了改造程度的發(fā)展。未來的油機(jī)管控系統(tǒng)需要突破此類限制制約，結(jié)合人工智能、去中心化等技術(shù)思想，針對實(shí)際負(fù)載情況，合理調(diào)整供電方案，實(shí)現(xiàn)無縫切換，形成真正意義上的智能調(diào)配，適應(yīng)雷達(dá)裝備的特點(diǎn)，保障其順利完成使命任務(wù)。