光伏并网发电系统中监控系统的开发

张卫平，张 炜，毛 鹏，付得意

(北方工业大学绿色电源实验室，北京100144)

光伏并网发电系统中监控系统的开发

张卫平，张 炜，毛 鹏，付得意

(北方工业大学绿色电源实验室，北京100144)

为实现对光伏并网发电系统的操作和实时监控，分析了应用于工业控制的Modbus通信协议，介绍了TPC7062K型号的触摸屏，利用MCGS组态软件完成了触摸屏控制界面的设计。以触摸屏作为主机，DSP作为从机，实现了两者之间基于Modbus协议的串口通信。通过实验验证：系统运行过程中，数据传输稳定可靠且实时性好，实现了良好的人机交互控制。

光伏并网发电系统；Modbus协议；触摸屏；串口通信

Modbus通信协议是一种广泛应用于工业领域控制的标准网络通信协议。通过此协议，工业控制器之前、控制器与其它设备之间可以可靠地实现串行通信，完成工业控制。基于Modbus协议的TPC7062K嵌入式触摸屏能够简单、方便、直观、生动地显示运行参数和运行状态，可以直接在触摸屏上修改系统运行参数，具有良好的人机交互性能。本文把TPC7062K触摸屏应用于光伏并网发电系统，以触摸屏作为上位机，光伏系统的控制器DSP作为下位机。其中触摸屏实现对光伏并网发电系统的操作和实时监控，DSP完成对现场数据的采集，通过异步串行通信，实现两者之间的交互通信。

1 单相光伏并网系统的设计

并网逆变器是光伏并网系统能量转换和控制的核心，它负责将太阳电池所输出的直流电转换成符合电网要求的交流电再输入电网。图1为在项目中设计的一套单相光伏并网发电系统。

并网逆变器为双级功率变换电路：前级采用双Boost升压斩波器完成直流侧太阳电池板输出电压的升压功能和最大功率点跟踪，后级采用全桥逆变完成并网逆变功能。系统采用TMS320F28335型号的DSP作为控制器，实现对并网逆变器的数字控制。

图1 单相光伏并网发电系统结构图

为了实现对并网系统的监控和操作，即实现人机交互通信，利用北京昆仑通态公司的产品——TPC7062K型的触摸屏作为上位机系统，主要实现以下几点功能：(1)实现DSP与触摸屏的正常通信；(2)点击触摸屏上“启动”和“停止”按钮分别启动和停止逆变器运行；(3)实时监测并网系统运行时的参数：太阳电池板输出电压和电流、直流母线电压、交流侧电压和电流、电网频率、逆变器输出功率；以及通信状态、Boost和逆变器的工作情况；(4)记录系统运行时出现的故障类型，如逆变电流过流、直流母线过压、直流输入欠压等。

2 Modbus通信协议

Modbus协议是工业控制器的网络协议中的一种，它最早由莫迪康(Modicon)公司倡导，后来逐渐成为一种应用于工业控制器中的标准通信协议。该协议定义了控制器能识别和使用的信息结构。当在Modbus网络上进行通讯时，协议能使每一台控制器知道它本身的设备地址，并识别对它寻址的数据，决定应起作用的类型，取出包含在信息中的数据和资料，控制器也可组织回答信息，并使用Modbus协议将此信息传送出去。

莫迪康控制器使用主从技术，即主机能启动数据传输，成为查询，而其他设备(从机)应返回对查询做出的响应，或处理查询所要求的动作。图2为主从查询-响应周期。

图2 主从查询-响应周期

在标准Modbus上通讯，控制器可使用ASCII或RTU通讯模式，本系统采用RTU模式。控制器以RTU模式在Modbus总线上进行通讯时，信息中的每8位字节分成2个4位16进制的字符，该模式的主要优点是在相同波特率下其传输的字符的密度高于ASCII模式，每个信息必须连续传输。Modbus信息以帧的方式传输，每帧有确定的起始点和结束点，使接收设备在信息的起点开始读地址，并确定要寻址的设备(广播时对全部设备)，以及信息传输的结束时间。可检测部分信息，错误可作为一种结果设定。在RTU模式中，典型的信息帧见表1。

表1 RTU信息帧

信息开始至少需要3.5个字符的静止时间，这个静止时间根据波特率计算得到。接着，第一个区的数据为从机设备地址。有效的从机设备地址范围0～247(十进制)，各从机设备的寻址范围为1～247。主机把从机地址放入信息帧的地址区，并向从机寻址。从机响应时，把自己的地址放入响应信息的地址区，让主机识别已作出响应的从机地址。地址0为广播地址，所有从机均能识别。功能码包括字符(ASCII)或8位(RTU)。有效范围1～255(十进制)。其中有些代码适用全部型号的Modicon控制器，而有些代码仅适用某些型号的控制器，还有些代码留作将来使用。TPC7062K触摸屏支持的常用功能码为01、02、03、04、05、06、15、16。本系统中用到三个功能码01(读线圈状态)、03(读保持寄存器)、05(强制单个线圈)，具体使用方法见中文Modbus说明。采用RTU方式时，使用CRC算法计算错误校验码和校验传送的全部数据，它忽略信息中单个字符数据的奇偶校验方法。发送完最后一个字符后，也有一个3.5个字符的静止时间，然后才能发送一个新的信息。

整个信息必须连续发送。如果在发送帧信息期间，出现大于1.5个字符的静止时间时，则接受设备刷新不完整的信息，并假设下一个地址数据。同样一个信息后，立即发送的一个新信息(没有3.5个字符的静止时间)，这将会产生一个错误。这是因为合并信息的CRC校验码无效而产生的错误。

3 触摸屏控制界面设计

3.1 TPC7062K型触摸屏简介

TPC7062K是北京昆仑通态公司开发的一款触摸屏，它是一套以嵌入式低功耗CPU为核心(主频400 MHz)的高性能嵌入式一体化触摸屏。该产品设计采用了7英寸高亮度TFT液晶显示屏(分辨率800×480)，四线电阻式触摸屏(分辨率1 024×1 024)。该触摸屏具有强大的状态检测和参数设定等功能，可以用数据、图形、动画等各种形式来反映多种工业控制器的内部状态、存储器数据，因此能够直观反映工业控制系统的流程和走向。同时它具有控制功能，即可以通过触摸来改变系统内部状态为，修改系统运行时的参数，从而参与工程控制。该触摸屏同时支持RS-232和RS-485两种通讯接口，支持标准的Modbus协议。用户可以在Modbus协议的基础上使用触摸屏和单片机、DSP或PLC来自主开发通信系统。表2为触摸屏的串口引脚定义。

表2 触摸屏串口引脚定义

3.2 MCGS嵌入版组态软件

MCGS嵌入版组态软件是昆仑通态公司专门开发用于mcgsTpc的组态软件，与其它相关的硬件设备结合，可以快速、方便地开发各种用于现场采集、数据处理和控制的设备。如可以灵活组态各种智能仪表、数据采集模块、无纸记录仪、无人值守的现场采集站、人机界面等专用设备。

MCGS嵌入式体系结构分为组态环境、模拟运行环境和运行环境三种。组态环境和模拟运行环境相当于一套完整的工具软件，可以在PC机上运行。用户可以根据实际需求裁剪其中内容。它帮助用户设计和构造自己的组态工程并进行功能测试。运行环境是一个独立的运行环境，它按照组态工程中用户指定的方式进行各种处理，完成用户组态设计的目标和功能。

由MCGS嵌入版生成的用户应用系统，其结构由主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行策略五个部分构成。其中，主控窗口确定了工业控制中工程作业的总体轮廓，以及运行流畅、特性参数和启动特性等项内容，是应用系统的主框架。设备窗口专门用来放置不同类型和功能的设备构件，实现对外部设备的操作和控制。设备窗口通过设备构件把外部设备的数据采集进来，送入实时数据库，或把实时数据库中的数据输出到外部设备。用户窗口中可以放置三种不同类型的图形对象：图元、图符和动画构件。通过在用户窗口内放置不同的图形对象，用户可以构造各种复杂的图形界面，用不同的方式实现数据和流程的“可视化”。实时数据库相当于一个数据处理中心，同时也起到公共数据交换区的作用。从外部设备采集来的实时数据送入实时数据库，系统其它部分操作的数据也来自实时数据库。运行策略是系统提供的一个框架，其里面放置由策略条件构件和策略构件组成的“策略行”，通过对运行策略的定义，使系统能够按照设定的顺序和条件完成操作任务，实现对外部设备工作工程的精确控制。

3.3 光伏逆变器控制界面设计

使用MCGS完成一个实际的应用系统，首先必须在MCGS嵌入版的组态环境下进行系统的组态生成工作，然后将系统放在MCGS嵌入版的运行环境下运行。其过程包括：工程整体规划；工程建立；构造实时数据库；组态用户窗口；组态主控窗口；组态设备窗口；组态运行策略；组态结果检查；工程测试。这个过程只是一般性的描述，其先后顺序并不是固定不变的。

打开MCGS嵌入版组态环境软件后，首先新建一个工程“光伏逆变控制界面”。在生成的用户应用系统中，主控窗口和运行策略按照系统默认，不用修改。在用户窗口中按照自己的构思制作控制界面，图3为最后生成的图画界面。

图3 光伏逆变器控制界面

用户窗口控制界面创建好之后，需要定义数据对象，即构造实时数据库。实时数据库需要根据实现的功能来确定，建立的实时数据库如图4所示。

图4 实时数据库

在设备窗口中添加“通用串口父设备”和“标准Modbus-RTU设备”，从而建立系统与外部硬件设备的连接关系，使系统能够从外部设备读取数据并控制外部设备的工作状态，实现对工业过程的实时监控。然后打开父设备编辑属性，如图5所示。

图5 父设备属性编辑窗口

双击“设备0—[标准ModbusRTU设备]”，在出现的对话框中将“通讯等待时间”设置为“800”。同时需要设置“内部属性”，并为每一个通道连接变量。设计完所有窗口以后，就可以将工程下载到触摸屏中。

4 DSP与触摸屏的通信设计

4.1 DSP与触摸屏的硬件连接

在项目中，采用TI公司的数字信号处理器TMS320F28335作为控制芯片，完成光伏并网控制。同时使用它的串行通信接口 (SCI)来完成与触摸屏的通信。TMS320F28335的串行接口外围有3个串行通信接口(SCI)模块，其功能与TMS302F2812的一样。它是一个采用发送、接收双线制的异步串行通信接口，即通常所说的UART口，它支持16级的接收发送FIFO，从而降低了串口通信时CPU的开销。SCI模块支持CPU和其它使用非归零制(NRZ)的外围设备之间的数字通信。在不使用FIFO的情况下，SCI接收器和发送器采用双级缓冲模式，此时SCI接收器和发送器都有独立的使能和中断位，也都可以设置成独立操作或同时进行的全双工通信模式。为了保证数据的完整性，SCI模块对接收到的数据进行间断检测、奇偶校验、超限检测以及帧的错误检测。通过对16位的波特率控制寄存器进行编程，可以配置不同的SCI通信速率。

通常，触摸屏不能直接与PLC或DSP等微处理器通信，但可以通过串行通信接口(SCI)和主从通讯协议(Modbus)进行通信。这里采用一对一通信，即一个触摸屏与一个DSP之间的通信，触摸屏作为主机，DSP作为从机。我们采用RS485通信方式，使用ADM2843实现RS485的电平转换。图6为触摸屏TPC7062K与TMS320F28335之间的硬件连接图。

4.2 DSP的软件编程

首先，要根据触摸屏的串口参数来设置DSP的SCI模块，即根据需要向寄存器的特定位写入状态值从而初始化SCI模块，设置SCI协议。其中设置主要包括：运行模式、协议、波特率、字符长度、奇偶校验、停止位的个数，中断使能及级别确定等。本文中SCI初始化子程序如下：

图6 触摸屏TPC7062K与TMS320F28335之间的硬件连接图

其次，就是用C语言编写从机DSP28335的通信主程序。这里的通信程序是嵌套在中断里面，即通过中断函数实现数据的接收和响应。通信主程序软件流程图如图7所示。实现触摸屏与DSP的正常通信分为六个阶段：从机空闲阶段、从机接收数据阶段、从机接收数据完毕阶段、从机发送起始帧阶段、从机发送响应数据阶段和从机发送停止帧阶段，这六个阶段在程序中用标识位ModPhase=0，1，2，3，4，5分别来标识。

图7 通信主程序软件流程图

通信时，主机触摸屏首先发送信息帧，即与功能码相对应的数据，接着需要从机进行接收并数据处理，然后响应回送数据给主机。如果从机响应正确，则主机发送下一帧数据；若从机响应错误或者0.8 s内无响应，则主机重复发送上一帧信息，直到从机响应正确。

程序中用到的功能码为01(读线圈状态)、03(读保持寄存器)和05(强制单个线圈)，本文中以功能码01为例说明通信过程中的六个阶段。

(1)从机空闲阶段。ModPhase=0时，从机处于空闲阶段，这里只需修改ModPhase=1，转到从机接收数据阶段即可。

(2)从机接收数据阶段。ModPhase=1，说明主机在向从机发送信息帧，即功能码01所包含的数据信息，如从机地址、功能代码、线圈起始地址、线圈个数和CRC校验值。图8为DSP接收数据的过程。

图8 从机接收数据阶段流程图

(3)从机接收数据完毕阶段。ModPhase=2，说明从机接收数据完毕，这是就需要检查从机地址和数据个数是否正确，并需要重新校验所接受到的数据，判断校验得到的值是否与从机接收的校验值相等。

(4)从机发送起始帧阶段。ModPhase=3，从机首先应发送起始帧，即3.5个字符的时间间隔。

(5)从机发送响应数据阶段。ModPhase=4，这时从机向主机发送响应信息，包括从机地址、功能代码、数据字节个数、数据和CRC校验值。图9为发送过程流程图。

图9 从机发送响应数据阶段流程图

(6)从机发送停止帧阶段。ModPhase=5，表示从机已经发送完响应数据，这时从机应发送停止帧，即3.5个字符的时间间隔，表示从机发送一帧数据结束。

以上即为触摸屏与DSP的正常通信的六个阶段，对于功能码03和功能码05，其通信过程与功能码01的过程相同，只是从机向主机发送响应数据阶段的数据内容不同而已。

5 结论

利用触摸屏设计的人机交互控制界面，实现了对光伏并网发电系统的操作和实时监控，经过现场测试验证该控制系统通信稳定可靠。同时，基于Modbus协议的C语言通信程序，可移植性好，方便以后系统维护和升级[1-3]。

[1]陈在平.现场总线及工业控制网络技术[M].北京：电子工业出版社，2008.

[2]孙丽明.TMS320F2812原理及其C语言程序开发[M].北京：清华大学出版社，2008.

[3]刘陵顺.TMS320F28335 DSP原理及开发编程[M].北京：北京航空航天大学出版社，2011.

Development of photovoltaic grid power system monitoring and control system

To achieve the operation and real-time monitoring to the grid-connected PV system, the Modbus communication protocol applied in industry control was analyzed, and the TPC7062K type of touch screen was introduced.The touch-screen control interface was designed through using the MCGS configuration software.The master was touch-screen,and the slave was DSP.In addition,serial communication between the two was realized based on Modbus protocol.The related experiment shows that the data transmission communication system is stable,reliable,high real-time and can be used for man-machine interactive control in the running process of the system.

grid-connected PV system;Modbus protocol;touch-screen;serial communication

TM 615

A

1002-087 X(2016)03-0633-05

2015-08-30

张卫平(1957—)，男，陕西省人，教授，主要研究方向为电力电子技术相关领域。