1.引言

本文所研究的通訊系統是1.5MW風力發電并網控制系統的重要組成部分之一，該系統采用風速風向傳感器、可編程邏輯控制器、無線傳輸模塊等設備實現向風力發電機組主控站實時傳遞風速、風向信息的功能。在風力發電系統中，并網裝置的控制系統必須滿足能在較寬的風速變化范圍內實時追蹤風能的最大功率點，以獲得最大的發電效率，這就客觀上要求主控系統須實時掌握風速和風向信息以便及時做出相應的調整，提高傳動系統的柔性，使功率輸出更加平穩。

2.通訊系統組成

圖1 通訊系統框圖

圖1為該通訊系統的結構簡圖，其中風速風向傳感器和控制主站的通訊是通過通訊子站來實現的，通訊子站是由CPU224以及一個無線傳輸模塊SC-107組成，該無線傳輸模塊與主站的無線模塊分別通過通訊子站以及控制主站的COM2口與其連接。

3. 通訊系統的設計

3.1格雷碼轉換二進制

通訊子站按照功能可以分為三個部分：格雷碼與二進制之間的轉換、PLC的自由口通訊和CRC校驗。格雷碼與二進制轉換單元用于將風速傳感器傳過來的格雷碼轉換成CPU能夠識別的二進制，自由口通訊單元用于實現通訊子站與控制總站之間的通訊，CRC校驗單元用于實現信息幀的實時校驗，以保證系統通信的準確性和可靠性。

在隨動位置控制系統和位移檢測中，系統要控制的量有線位移或角位移，如在風電系統中風速風向傳感器要進行旋轉物體角位移的測量，旋轉編碼器是必不可少的，它能將角位移轉換成數字信號，根據其結構特點，為了減少輸出數字信號的錯誤幾率，一般采用格雷碼形式輸出。

格雷碼是一種無權碼，采用絕對編碼方式，典型格雷碼是一種具有反射特性和循環特性的單步自補碼，它的循環、單步特性消除了隨機取數時出現重大誤差的可能，反射、自補特性使得數據求反非常方便。格雷碼屬于可靠性編碼，是一種錯誤最小化的編碼方式，因為在某些情況下，例如從十進制的3轉換成4時，二進制碼的每一位都要變，使數字電路產生很大的尖峰電流脈沖。而格雷碼是一種數字排序系統，它在任意兩個相鄰的數之間轉換時，只有一個數位發生變化，另外由于最大數與最小數之間也僅有一位數不同，故又叫格雷反射碼或循環碼。

由于在數字系統中只能識別0和1，各種數據要轉換為二進制代碼才能進行處理，所以要把風速傳感器輸出的二進制格雷碼轉換成二進制碼。其轉換法則是保留格雷碼的最高位作為自然二進制碼的最高位，而次高位自然二進制碼為最高位自然二進制碼與次高位格雷碼相異或而得到，而自然二進制碼的其余各位與次高位自然二進制碼的求法相類似。格雷碼轉換為二進制碼程序流程圖如圖2所示。

圖2 格雷碼轉換為二進制碼程序流程圖

3.2 自由口通訊

在1.5MW垂直軸風力發電系統中，由于風速傳感器位于轉動的垂直軸頂端，在運行時是隨垂直軸一起轉動的，與位于地面的控制主站控制箱無法用傳輸線連接。所以要把風向風速信息通過通訊子站實時的傳送到控制主站，必須把通訊子站放置于旋轉的桿塔內部，采用無線傳輸模塊實現通訊子站和控制主站之間的通訊。

本系統采用無線模塊SC-107,它共有三種可用接口方式：TTL串口方式/RS232方式/RS485方式。本系統選擇RS485為接口方式，該無線模塊具有完善的通訊協議，傳輸距離遠，在天線高度大于3米的情況下，可靠傳輸距離大于2500米，完全滿足通信系統的要求。

S7-200系列PLC內部集成了RS-485串行通訊口，可在PPI（point to point）、MPI(multi-point)和自由口（free point）3種通訊方式下工作，PPI和MPI方式只適用于SIEMENS SIMATIC 工控產品之間用傳輸線的通訊，這種方式是利用其內部的編程指令實現通訊的，無法與第三方廠商的工控產品進行通訊。

自由口通訊方式是S7-200 PLC一個很有特色的功能，它使S7-200可以與任何具有串行口且通訊協議公開的智能設備進行通訊，自由口通訊在物理接口上要求雙方都使用RS485接口，其通訊協議完全由用戶程序控制。鑒于本文通訊子站是通過無線模塊實現和控制主站進行通訊的，故本文選擇自由口通訊方式。

本測控系統所采用的CPU224有兩個串行RS-485通訊口，每個串行口都可以通過用戶編程來選擇不同的通訊協議。SMB30和SMB130分別用來配置通訊端口0和通訊端口1的工作模式，通訊端口控制字節設置如圖3所示。

3.2.1通訊協議確定

通訊協議是指通訊雙方就如何交換信息所建立的一些規定和過程，它是通訊網絡的靈魂。由于S7-200系列PLC只有工作在自由口通訊方式下才需要用戶自己定制協議，因此，本系統無線模塊和PLC之間的通訊協議制定如下：

（1）串行通訊波特率為9600bps,毎字符8位，字節校驗采用無校驗方式。

（2）通訊采用中斷方式進行，連接中斷0到接收結束事件，中段1到為10ms定時中斷，中斷2到發送結束事件。

（3）一個完整的數據幀至少包括4個字節:第一個字節為起始字節，表示通訊開始；第二個字節為狀態字節（或命令字節），用于說明通訊的目的或內容；中間字節為傳送的數據，（如果為命令字節，則中間字節沒有內容）；最后還有一個校驗字節和一個通訊結束標志字節。

（4）設定信息結束字符為16#A0。

圖3 通訊端口控制字

3.2.2通訊程序的設計

通訊程序的設計需要遵循一定的約定，如中斷通訊處理程序要短小精悍、要避免在同一端口XMT與RCV指令的同時執行等，本文所編寫的通訊流程圖如圖4所示。

圖4自由口程序流程圖

3.3CRC校驗

在通信過程中，由于信道上存在各種復雜因素（例如：沖擊噪聲和熱噪聲等）的影響，信號將受到不同程度的干擾，嚴重時會造成誤碼甚至阻斷通信、所以應對接收的數據進行校驗，保證數據通信的準確可靠，其中循環冗余校驗碼（CRC校驗）是目前計算機網絡通信器應用最為廣泛的一種校驗編碼方法，是一種強有力的檢測手段，該技術被用于各種數據通信系統中。

PLC是適合工業現場使用的控制器，它的編程語言和方法與計算機有較大的不同，所以，要把高可靠性的CRC校驗算法應用于PLC,必須在CRC基本原理的基礎上在進行變形處理，根據CRC校驗的原理推論，任何一個為8的倍數的數據序列的校驗碼，都可以簡化為三字節數據求余，因此計算數據序列的校驗碼可歸結為如何實現三字節數據序列求余。

在利用計算機進行CRC計算時，為了簡化運算，通常把求余算法轉換為雙字節運算，而CRC-16的生成多項式G(X)=X16+X15+X2+1為17位，以16進制表示為18005H,因此需做變換，即把最高位去掉，為8005H。

仍以上述三字節數據序列D123=[d1,d2,d3]為例，其計算思想為：取第一字節d1，低字節補零，則為雙字節d10，左移8次，當移出位為1時，對生成多項式進行模2減法運算，得到余數；取第二字節d2，低字節補零，則為雙字節d20，與前面余數模2進行加法運算，重復前述移位和計算過程，得到新的余數；對第三字節同樣處理，最終得到三字節序列的余數。

對多字節數據序列的求余，在前三字節數據序列求余的基礎上類推即可。

該軟件為可以計算任何字節個數的通用程序，設計過程中主要考慮以下環節：

（1）CRC程序作為一個子程序供主程序調用，由于使用的是不帶參數的調用指令，所以要處理好輸入數據的存儲地址設計（指針地址）。

（2）子程序中使用了雙循環結構，外層循環為輸入數據的字節個數，內層循環對每個字節中每一位進行處理。

（3）編程時采取字節順序右移的方式，當溢出1時，與生成多項式進行“異或”運算（對多項式進行編碼時，多項式各冪次的系數總在模2域內做運算，這時加法和減法皆為“異或”運算）。

（4）對求CRC校驗碼的字節序列的首字節，設定了一個初始化因子，這對程序很重要，在解碼過程中，也要使用相同的初始化因子。圖5所示為實現本算法的PLC軟件流程簡圖。

圖5 CRC校驗程序流程圖

5. 實驗結果分析

將該通訊系統應用于許繼集團研發的1.5MW垂直軸風力發電控制系統中，采用本文所寫的程序，對通訊系統進行了實驗, 實驗結果如下所示：

圖6 CPU224內存單元數據

圖6為STEP7-Micro/WIN開發環境對CPU224部分內存數據的監視界面，其中VD0中的內存數據顯示的是由風向風速傳感器傳過來的格雷碼，QD0內存中的數據顯示的是由CPU224把傳感器傳過來的格雷碼轉換成的二進制數的十六進制表示形式。

為了檢驗該通訊分站的通訊程序能否正常可靠運行，程序編制好之后，可以利用支持串口調試的軟件工具（如SSCOM3.2）進行軟件通訊測試，就可確定程序是否可靠。

由圖7串口調試軟件的顯示界面可以看到，串口返回的數據顯示子站CPU224向主站發送和從主站返回的的數據均為為 99223377，所得的CRC校驗碼為DA64。

圖7 串口測試軟件的界面

由圖8 CRC校驗軟件的顯示內容可知：由CRC校驗專用軟件得到的校驗值可知，所得到的CRC校驗值是正確的.

圖8 CRC校驗軟件的界面

6. 結論

本系統已經成功應用于許繼集團研發的1.5MW垂直軸風力發電機控制系統中的通訊系統中，試運行表明，通訊系統硬件設計正確，程序編寫合理，數據傳輸實時準確。

本系統的設計思路是根據垂直軸風力發電現場的實際控制要求提出的，這種通訊模式，尤其是通過無線傳輸模塊進行PLC之間的通訊是一種新嘗試，具有較高的工程應用價值，它不僅充分利用了無線傳輸模塊和PLC各自的優點，提高了控制性能，滿足了現場要求，適用于工作環境惡劣、干擾強但又要求較高控制精度的實時工業控制系統中。

（摘編自《電氣技術》，原文標題為“基于PLC控制的垂直軸風力發電控制系統中通訊系統的研究”，作者為王全勝、宋建成、姚為正。）