基于MODBUS的嵌入式雷達油機并機管控系統設計

劉齊悅, 安靖宇

(中國人民解放軍91245部隊， 葫蘆島125000)

0 引言

大型雷達要求供電功率大、工作穩定、連續工作時間長。通常采用市電、發電機組及不間斷電源(Uninterruptible Power System/Uninterruptible Power Supply,UPS)的組合方式供電方案。

在此種方案下，需調整油機高壓油泵調速器及電子調節器等一系列設備以滿足傳輸中的并機損耗，同時引入UPS這一正弦波失真非線性負載[1]。因此，如果能解決單一大型油機故障時造成系統停機的困難，采用以嵌入式控制器為基礎的多臺油機并聯供電方案，能夠解決引入UPS電源帶來的非線性負載及成本上升等困難。采取針對性措施進行油機并機管控系統設計研究是很有必要的。

1 雷達油機的特點及管控需求分析

1.1 提高系統穩定度

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

1.2 靈活調節總功率降低油耗

采取單臺油機供電的耗油量基本固定，實際使用中，會出現因數臺小功率用電器(通常為工控機及檢修設備)啟用油機電，進而導致油料消耗過快的情況。若根據實際需要，通過管控平臺按照所需功率進行油機調配，能夠降低不必要的消耗，進一步降低使用成本及維護成本。

1.3 改善操管人員工作環境

使用油機供電時，由于油機電站本身存在排煙噪聲、機械噪聲、燃燒噪聲、排風噪聲和進風噪聲等環境危害，及高溫高濕條件下的影響，操管人員工作環境通常較差，采取油機并行管控后，能夠使操管人員由現場工作轉入控制臺操控，改善操作人員工作環境。

2 并機管控系統設計及應用

2.1 系統總體設計方案

系統總體設計分為3部分，并機管控部分(含嵌入式控制機、上位機及兩部柴油發電機)、配電柜部分及雷達負載。其中，控制機采用市售嵌入式成熟產品，柴油機基于兩臺已有設備，上位機為與嵌入式控制機兼容的，通過RS232/485接口(COM1)或USB接口連接控制，并進行數據傳輸。連接結構如圖1所示。

圖1 系統總體連接結構及設計方案

其中，考慮到改善系統魯棒性，盡可能不在負載一側引入額外設備(上位機)，上位機采用單獨接市電方式供電，并通過UPS電源保證其工作穩定。下文主要說明并機管控部分及主配電柜的硬件設計方案。

2.2 硬件設計

2.2.1 機組監控設計

雷達油機并機管控系統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轉換器，USB接口及HGM9500控制機，分為主機HGM9500-1(地址碼01)及從機HGM9500-2(地址碼02)。其中，HGM9500控制機采用鄭州眾志公司生產的發電機組控制模塊，硬件電路設計和PCB(Printed Circuit Board)在Altium Desinger 11.0開發環境中設計完成。硬件電路整體結構圖如圖2所示。

在此套系統中，核心部分是基于MODBUS的HGM9500主控制機，通過為設計多種信息量采集輸入單元，兩臺控制機進行數據收集記錄、邏輯計算及判斷，根據需要進行控制及顯示，處理結果及上位機控制信號通過標準RS232/485接口和USB接口進行通訊，將有關情況及控制信號實時傳輸至控制戰位。

圖2 機組監控設計結構

采集的模擬量及數字量主要有：

(1)模擬量輸入：包含油機的三相電壓、三相電流、機組頻率、機組轉速、機油壓力、冷卻水溫、柴油油位、機組啟動蓄電池電壓、輸出功率等模擬參數；及其他信息，如市電三相電壓、負載三相電流、發電三相電壓及蓄電池電壓等；

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

(3)數字量輸出：包含HGM9500對上位機的傳輸數據，如顯示量的類型，運行日志，遙控開關及信號，系統功率因數，油機實時轉速等；同時包括兩臺控制機HGM9500-1對HGM9500-2的通信信號等。

基于MODBUS的HGM9500控制器系統結構框圖如圖3所示。

圖3 控制模塊系統結構框圖

2.2.2 配電柜設計

根據需要對配電柜進行了重新設計，其原理圖如圖4所示。

圖4 主配電柜設計

根據油機電/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。開關設計盡可能依托已有設備以降低成本。其切換原理如下。

(1)擬采取市電供電時。控制市電繼電器K1及控制市電延時繼電器KT2動作吸合，常開接點K1閉合，延時繼電器KT2的常開接點于10秒后延時吸合(吸合時間根據上位機進行設定)，交流接觸器C1受控制吸合后，市電電力通過其主要接點C1向雷達負載供電。RD1信號燈亮綠燈，表示供電正常。此時柴油機未啟動，控制柴油機繼電器K2常開接點、控制柴油機延時繼電器KT3常開接點控制切斷交流接觸器C2供電，使K1斷開，對交流接觸器C2電源形成互鎖機構。

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

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

2.2.3 基于ModBus的通信接口設計

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

圖5 轉換器原理圖

HGM9500基于ModBus，遵循以下基本規則：

(1)所有通訊回路遵照主從方式。依照此方式，數據可以在一個主站(HGM9500-1)和32個子站(設計中僅包含一個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。

當通信命令發送至HGM9500-1時，符合響應地址碼的設備接收通信命令，并除去地址碼，讀取信息。若其沒有出錯，則執行相應任務，然后把執行結果返回發送者。返回信息包括地址碼、執行動作的功能碼、執行動作后的數據以及錯誤校驗碼(CRC)。如果出錯則不發送任何信息。

信息幀格式如表1所示。

表1 ModBus信息幀格式

以子機地址為01，起始地址為0026H的3個數據(每個數據為2個字節)為例，此例起始地址如表2～4所示。

表2 格式舉例

表3 HGM9500-1發送數據

表4 HGM9500-2響應數據

3 系統應用效果

3.1 實際應用場景

自二〇一八年在某部大功率雷達(該雷達采用的是市電和兩臺120 kW康明斯油機的供電方案)應用該系統以來，經過數月開關機實驗及試運行。其能夠解決雷達油機操作環境噪音，瞬時功率變化時電壓波動，操管人員工作壓力，熱關機斷電風險的問題，具備性能可靠、實用性強、操作簡便、維護量較少、故障率低、魯棒性強的特點，解決了存在問題，并具備多機并聯改造的基礎。

3.2 改造前后參數對比

GB/T 15945-2008《電能質量電力系統頻率偏差》規定電力系統正常運行條件下頻率偏差限值為±0.2 Hz，系統容量小時放寬至±0.5 Hz。可見，標準頻率應為49.8-50.2 Hz，且對頻率穩定度要求越低越好。

對并機發電前、后對頻率起伏進行測量，測量結果如圖6所示。

圖6 機組發電頻率對比

通過測量開機后五分鐘內頻率變化情況，得到并機后發電機組頻率更為穩定的結論。

同時，在油機暖機運行完畢后，可將未加高壓的雷達視為一個負載，同時根據實際情況，緊急時可直接將加高壓(大功率)狀態下的雷達并入油機電供電，這對并入時的瞬時穩定電壓出現需求。在此需求牽引下，對并機前后不同負載功率下的壓降比進行了測量，結果如圖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，整體供電更為穩定。

圖7 加負載瞬時功率壓降

4 總結

在電力電子系統數字化、智能化管理的大背景下，大型主流油機(康明斯，沃爾沃，雅馬哈等)并機管理技術成本及經濟成本均由較大下降，使基于已有設備進行數字化集中管控改造設計成為可能。在此背景下，以提升雷達供電魯棒性需求為牽引，按照數字化、智能化的設計理念，基于MODBUS總體架構進行了油機并機管控系統設計，應用于實際平臺并取得了積極效果。目前傳統油機改造仍有較大空間，現有的機制和通信協議一定程度上限制了改造程度的發展。未來的油機管控系統需要突破此類限制制約，結合人工智能、去中心化等技術思想，針對實際負載情況，合理調整供電方案，實現無縫切換，形成真正意義上的智能調配，適應雷達裝備的特點，保障其順利完成使命任務。