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低壓機組控制模塊軟件開發(fā)環(huán)境研究

文檔作者：雷亮文檔來源：天津水利電力機電研究所		點擊數(shù)：	更新時間： 2025年06月03日
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收稿日期：2014-11-17
基金項目：中國水利水電科學(xué)研究院科研專項（TJ0145B262014）。
作者簡介：雷亮（1985-），男，助理工程師，從事水電廠自動化系統(tǒng)
方案設(shè)計、設(shè)備開發(fā)、技術(shù)服務(wù)及質(zhì)量管理工作。
低壓機組控制模塊軟件開發(fā)環(huán)境研究
雷亮
（天津水利電力機電研究所，天津301900）
摘要：本文介紹水輪機低壓機組控制裝置結(jié)構(gòu)，且在Linux 環(huán)境下搭建一個為低壓機組控制裝置搭載的軟模塊的
開發(fā)環(huán)境，并測試串口數(shù)據(jù)傳輸實際情況。
關(guān)鍵詞：串口；Linux；Java；控制裝置
中圖分類號：TV736 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-5387（2015）03-0038-04
DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.03.011
1 引言
智能技術(shù)已經(jīng)開始影響世界經(jīng)濟(jì)，工業(yè)領(lǐng)域的
智能化業(yè)已突顯，水電站的自動化控制集成程度越
來越高，發(fā)電機組的集中控制越來越趨于專有化、智
能化，能夠集成信息采集、控制、同期、保護(hù)功能于一
體的發(fā)電機控制模塊將會在未來發(fā)電機控制領(lǐng)域發(fā)
揮主導(dǎo)作用。智能模塊作為控制主體需要完成各種
復(fù)雜的功能，對信息交換的要求也就比較高，各功能
模塊所需數(shù)據(jù)的獲取及共享需要一個可靠的平臺，
選擇一個可靠的信息平臺并建立一套完善的信息機
制是非常必要的。
2 系統(tǒng)平臺介紹
建立整個數(shù)據(jù)集成系統(tǒng)需要選擇一個良好的載
體平臺才能夠保證程序良好地運行，選擇好數(shù)據(jù)載
體和通訊端口可使模塊適應(yīng)大多數(shù)應(yīng)用場合。
2.1 系統(tǒng)平臺—Linux
低壓機組控制模塊的系統(tǒng)平臺選擇Linux，Linux
在家用電腦系統(tǒng)中并沒有占有較大份額，但在工業(yè)
領(lǐng)域中卻有著很高的地位，它在可靠性、可伸縮性、
運行速度等方面很突出。
首先，Linux 是開源的，任何人都可以看它的源
代碼，這就使得它特別安全，這種安全的特性對于工
業(yè)領(lǐng)域的安全要求來說是至關(guān)重要的，而Windows
卻不能做到這一點，因為Windows 不可能開源，只
能不斷地打補丁來修補新發(fā)現(xiàn)地漏洞，致使系統(tǒng)越
來越臃腫。
其次，Linux 有著一個很高效地內(nèi)核，Linux 平
臺對硬件要求較低，而且，可以免費獲得許多程序和
驅(qū)動。Linux 對系統(tǒng)內(nèi)存有著絕對的支配權(quán)，并不像
Windows 那樣依賴虛擬內(nèi)存，可以在相對低配置地
平臺上完成相對于Windows 更多地工作。Windows
使用“頁面文件”，它的作用是擴展內(nèi)存，就是說用硬
盤虛擬內(nèi)存的方式來為應(yīng)用程序提供比內(nèi)存大的多
的運行空間。但這個方式有一個缺點，就是硬盤比內(nèi)
存響應(yīng)速度慢。所以，如果一臺計算機有較少內(nèi)存
時，虛擬內(nèi)存（就是某一些硬盤空間）就會被頻繁使
用，結(jié)果就使得計算機的運行速度非常慢。盡管用戶
也可以將“頁面文件”調(diào)小以希望能降低虛擬內(nèi)存的
份額，但Windows 本身卻不會響應(yīng)用戶要求，虛擬
內(nèi)存（即頁面文件）還是在被使用著。這就是使用
Windows 的困境之一：用戶無法真正掌控系統(tǒng)。而對
于Linux，用戶可以設(shè)置完全不用虛擬內(nèi)存，也可以
設(shè)置成先使用內(nèi)存，不夠時再使用虛擬內(nèi)存。當(dāng)然也
可以設(shè)置成盡量使用虛擬內(nèi)存，留出系統(tǒng)的內(nèi)存作
為它用，用戶有決定的權(quán)力。
綜上所述，低壓機組控制模塊軟件系統(tǒng)選用
Linux 作為系統(tǒng)平臺，可以降低低壓機組控制模塊運
行要求、提高可靠性。
2.2 數(shù)據(jù)載體
低壓機組控制模塊信息交換平臺必須可靠高
效，它應(yīng)該將各種不同類型的數(shù)據(jù)存儲起來，并建立
第38 卷第3 期水電站機電技術(shù)Vol.38 No.3
2015 年03 月Mechanical &amp;amp; Electrical Technique of Hydropower 38 Station Mar.2015
一個系統(tǒng)各功能模塊都能識別的統(tǒng)一數(shù)據(jù)接口，讓
有權(quán)限的模塊索取所需數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)載體的目的是把
信息讀取出來，并共享到每個需要數(shù)據(jù)的模塊，我們
選擇拓展標(biāo)記語言xml 來實現(xiàn)低壓機組控制模塊數(shù)
據(jù)的共享，此標(biāo)記語言不僅可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，其用
處還有很多：如HTML、留言板、J2EE 的WEB 配置信
息、word 和excel、hibernate 的＊.cfg.xml 映射關(guān)系存
儲等。智能模塊能讀懂這種標(biāo)記，模塊或者模塊之間
的信息傳遞可以依靠這種標(biāo)記來實現(xiàn)，這種不需要
體系數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)存儲、更新和讀取能夠更快更有
效地將場數(shù)據(jù)共享。
2.3 通訊方式
低壓機組控制裝置的信息交換支持現(xiàn)階段流行
的方式：RJ45、DB9、USB、can-open 接口，其中，USB
接口主要設(shè)計功能為系統(tǒng)升級或者補充程序編寫端
口，RJ45 用于支持以太網(wǎng)，DB9 用于支持采用
RS232 及RS485 兩種通訊方式的硬件；can-open 用
于支持can 總線。本文將介紹為模塊編寫RS485
RTU 規(guī)約過程中的平臺及環(huán)境設(shè)置。
3 開發(fā)環(huán)境配置
開發(fā)系統(tǒng)選擇在SUSE Linux Enterprise server
11 環(huán)境下。測試硬件的串口采用MOXA 的UPORT
1150 USB 轉(zhuǎn)串口產(chǎn)品，串口在現(xiàn)在的工業(yè)通訊領(lǐng)域
還被經(jīng)常應(yīng)用。開發(fā)選用的java 版本為1.7.0_51，需
要下載的支持串口開發(fā)的開發(fā)包為：RXTX －
2.1-7-bins－R2。
為在Linux 平臺上開發(fā)串口驅(qū)動，選擇支持
Linux平臺的開發(fā)環(huán)境———WildFly，即 Jboss，它是一
個免費的、開放源碼J2EE 的實現(xiàn)，安裝方便，需要
內(nèi)存和硬盤空間較小。
3.1 安裝/ 更新所需java 到Linux
安裝新版本的java （本次為1.7.0_51，安裝在
/usr/java 下），安裝完成后根據(jù)安裝路徑設(shè)置環(huán)境變
量，以下設(shè)置建議寫在bash_profile 里以保證每次登
錄都可以更新內(nèi)存環(huán)境變量，PATH 變量用于標(biāo)識
安裝java 開發(fā)工具包（Java Development Kit，JDK）的
位置，而CLASSPATH 變量設(shè)置為存儲.class 文件的
目錄：
（1）設(shè)置java_home：export JAVA_HOME=/usr/java/
jdk1.7.0_51
（2）設(shè)置java路徑：exportPATH＝$JAVA_HOME/bin:
$PATH
（3）設(shè)置java 庫路徑：export CLASSPATH＝.:$JAVA_
HOME/lib/dt.jar:$JAVA_HOME/lib/tools.jar
值得注意的是：必須在PATH 變量插入分號和
句號，分號是PATH 目錄中入口之間的分隔符，而插
入句號說明是當(dāng)前目錄（符號應(yīng)是英文狀態(tài)下輸
入）。
安裝完成后系統(tǒng)默認(rèn)的java 依然是系統(tǒng)最初
安裝的java1.6，未重啟計算機前（或未重新登錄前）
想要最新安裝的java1.7 發(fā)揮作用，需要在系統(tǒng)配置
內(nèi)設(shè)定一些參數(shù)。
在登錄系統(tǒng)后，鍵入：java －version 來查看現(xiàn)行
java 的版本，可以用which java 來確定現(xiàn)行java 的安
裝路徑。鍵入which java 后得知現(xiàn)行的java 安裝目
錄為：/usr/bin/java，而現(xiàn)在需要運行的java 安裝在
/usr/java 下，且文件夾名字為jdk1.7.0_51,想要立即
使用新版java 而不重新登錄的話，可以在這里做個
鏈接，系統(tǒng)能找到新安裝的java。
要建立鏈接，首先要進(jìn)入現(xiàn)行安裝目錄，鍵入
cd /usr/bin 來到安裝目錄，鍵入mv java java.bakforstore
將現(xiàn)在的java 隱藏起來，做一個軟鏈接：ln -s
/usr/java/jdk1.7.0_51/bin/java java。此時再次輸入
which java，系統(tǒng)回復(fù)：/usr/java/jdk1.7.0_51/bin/java，
java，鏈接已經(jīng)成功，符合開發(fā)要求。
此時，只要指定運行庫就能夠直接支持java 的
運行了，因此，要添加CLASSPATH 目錄的內(nèi)容?？?
以在上述的CLASSPATH 后面添加， 也可以在
/etc/profile 里添加以下段落來實現(xiàn)系統(tǒng)對java 的調(diào)
用：:$JAVA_HOME/jre/lib。系統(tǒng)就可以找到必須的.
so 文件來支持java 運行了。
做完以上工作，必須使配置生效：在/etc/ 下執(zhí)
行source profile 命令（或者在／目錄下執(zhí)行source
bash_profile)，執(zhí)行之后鍵入java -version，系統(tǒng)回復(fù)：
java version 1.7.0_51，此時配置java 完成。
3.2 測試配置串口參數(shù)
將MOXA UPORT 1150 接入系統(tǒng)，即將其USB
口插入服務(wù)器的USB 口，然后在MOXA 官網(wǎng)下載此
硬件對Linux 的驅(qū)動，下載驅(qū)動版本為：Linux 3.x，下
載并解壓縮，解壓縮后可以看到多個文件，其中包含
有makefile 和mxinstall 兩個文件，在此目錄下執(zhí)行.
/mxinstall 來安裝UPORT 驅(qū)動到系統(tǒng)，安裝過程中
需要確認(rèn)安全性，按照提示說明更改設(shè)置即可。
第 3 期 雷 亮：低壓機組控制模塊軟件開發(fā)環(huán)境研究 39
安裝完成后，可以看到UPORT 的ACTIVE 燈
亮，說明安裝成功。這時，可以用：dmesg | grep tty 來
查看可用接口，系統(tǒng)回復(fù)為:
[0.000000] console [tty0] enabled
[0.475003] serial8250: ttyS0 at I/O 0x3f8 (irq = 4)
is a 16550A
[0.525630] serial8250: ttyS1 at I/O 0x2f8 (irq = 3)
is a 16550A
[0.626041] 00:07: ttyS0 at I/O 0x3f8 (irq = 4) is a
16550A
[0.626203] 00:08: ttyS1 at I/O 0x2f8 (irq = 3) is a
16550A
[2083684.682727] usb 1-1.1: MOXA UPort 1150
converter now attached to ttyUSB0
由于UPORT 1150 支持RS232 和RS485 兩種
硬件平臺，所以，系統(tǒng)完成對USB 端口的添加后，必
須要設(shè)置串口屬性，設(shè)置串口有setserial -g dev/ttys
[0|1|2|3]，4 種方式分別為：
0-RS232、1-RS485&amp;amp;2W、2-RS422、
3-RS485&amp;amp;4W，
這里測試用兩線制RS485，所以設(shè)置串口為1
模式工作，鍵入命令：setserial /dev/ttyUSB0 port 1,執(zhí)
行完畢后，即可實現(xiàn)在串口發(fā)送和接收數(shù)據(jù)了。
3.3 安裝RXTX
RXTX 是系統(tǒng)對串口的驅(qū)動必要的開源庫，安
裝后，就可以直接利用事先定義好的串口函數(shù)來進(jìn)
行通訊。此庫文件包包含有多個文件， 其中
x86_64-unknown-linux-gun 里面存放的就是為
SUSE 系統(tǒng)準(zhǔn)備的庫文件，將放在其中的librxtxSrial.
so 文件拷貝到/usr/java/jdk1.7.0_51/jre/lib/i386 下，
將RXTXcomm.jar 復(fù)制到/usr/java/jdk/jre/lib/ext 下，
就完成了RXTX 開源庫的安裝。
4 協(xié)議開發(fā)及測試結(jié)果
接下來對串口進(jìn)行協(xié)議開發(fā)，本次用的是Modbus
RTU 協(xié)議。
（1）定義Modbus 的主體功能；
（2）建立數(shù)據(jù)的發(fā)送格式，根據(jù)協(xié)議要求需要將
格式轉(zhuǎn)換成要求的標(biāo)準(zhǔn)格式；
（3）建立RTU 的傳輸函數(shù)；
（4）設(shè)置端口并建立連所需連接。
部分代碼及注釋
package ModbusInstance;
public class Modbus {
/**
* 定義功能碼和接口函數(shù)
*/
public static final int debug = 0;
/**
* 讀保持寄存器功能碼。
*/
public static final byte READ_MULTIPLE_REGISTERS
= (byte) 0x03;
/**
* 讀輸入寄存器功能碼。*/
public static final byte READ_INPUT_REGISTERS
= (byte) 0x04;
/**
* 寫保持寄存器功能碼。
*/
public static final byte WRITE_MULTIPLE_REGISTERS
= (byte) 0x10;
/**
* 寫線圈狀態(tài)功能碼。
*/
……
5 可執(zhí)行文件
建立好讀取機制后編譯運行，設(shè)備運行結(jié)果為：
Sent:01 03 00 10 00 04 45 CC
Received:01 03 08 00 00 00 00 00 00 00 00 95
數(shù)據(jù)1:0; 數(shù)據(jù)2:0; 數(shù)據(jù)3:0; 數(shù)據(jù)4:0;
實際觀測UPORT 數(shù)據(jù)發(fā)送燈閃爍正常，且監(jiān)
視到數(shù)據(jù)發(fā)送和數(shù)據(jù)接收，協(xié)議符合ModbusRTU，
數(shù)據(jù)可通過串口傳輸，接下來就是編譯和在實際環(huán)
境下運行。將程序測試用端口在程序中換成實際設(shè)
備使用端口，將設(shè)備（主站）通過RS485 連接到測試
從站，重新編譯且生成可在實際設(shè)備上運行的可執(zhí)
行文件。必須保證實際環(huán)境Java 版本和測試版本一
致。
建立java 可執(zhí)行文件，在工程上右鍵點擊export，
在彈出的對話框中選擇java－>Runable JAR
file－> 下一步－>Launch configuration 選擇已測試
淵下轉(zhuǎn)第64 頁冤
40 水 電 站 機 電 技 術(shù) 第38卷
好的程序且在export destination 中選擇要保存，并勾
選library handling 中的Copy required library into a
sub-folder next to the generated JAR。點擊Finish 完
成，將生成的文件和library 文件夾拷貝到實際運行
低壓機組控制模塊上，在終端登錄低壓機組控制模
塊的Linux 平臺用戶，采用ssh 連接，連接到同一網(wǎng)
絡(luò)后用ssh root@X.X.X.X 來實現(xiàn)登錄。
登錄后在登錄環(huán)境下輸入：java －jar /etc/MBInquire.
jar,測試返回為：
Sent:01 03 00 10 00 04 45 CC
Received:01 03 08 00 00 00 00 00 00 00 00 95
數(shù)據(jù)1:0; 數(shù)據(jù)2:0; 數(shù)據(jù)3:0; 數(shù)據(jù)4:0;。
實際運行與測試時數(shù)據(jù)相同，設(shè)備實際數(shù)據(jù)可
以被正確地讀取到一體化設(shè)備，且連續(xù)測試72 h 以
上數(shù)據(jù)均可正常讀取存儲。
6 結(jié)論
在Linux 環(huán)境下搭建一個為水輪機低壓機組控
制裝置搭載的軟模塊的軟件開發(fā)環(huán)境是可行的，其
串口數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定可靠。
參考文獻(xiàn)：
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Linux System Administration Handbook [M].4th ed.New Jersey：
Prentice Hall.
淵上接第40 頁冤
4 體會與建議
增效擴容改造工程的各個電站建設(shè)于不同年
代，風(fēng)格不同，設(shè)備選擇不同，自動化程度也相差很
多。無論從設(shè)計角度還是施工角度來看，改造一座舊
電站比新建一座電站都要復(fù)雜的多。從多個電站的
改造設(shè)計中獲得了一些體會，以期在今后類似的工
程中能有所幫助。
（1）結(jié)合電站現(xiàn)狀特點，具體案例具體設(shè)計。電
站各不相同，不能套用通用設(shè)計，尤其是機組改造方
案，應(yīng)充分考慮原機型和布置形式，盡可能利用原機
組埋入部件和廠房建筑，節(jié)省改造成本。這一點也是
《增效擴容改造項目指導(dǎo)意見》的要求。設(shè)計人員與
設(shè)備廠家技術(shù)人員應(yīng)充分掌握現(xiàn)場信息，對一些技
術(shù)圖紙缺失的老電站，應(yīng)當(dāng)采取實地測量，查勘的方
式，取得準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，預(yù)判改造中可能出現(xiàn)的技術(shù)問
題，從而能有針對性地進(jìn)行設(shè)計。
（2）項目的概算應(yīng)充分考慮到水電站內(nèi)部通信、
對外通信及系統(tǒng)通信的投資，尤其是對外通信部分，
應(yīng)結(jié)合電力系統(tǒng)對通信部分的要求，避免該部分預(yù)
算投資與實際投資偏差太大。各電站與電力系統(tǒng)的
通信設(shè)備相差甚遠(yuǎn)，希望各級財政的資金補助也適
當(dāng)兼顧到不同年代建設(shè)的電站差異，對通信設(shè)備嚴(yán)
重落后的老舊電站加大資金補助。
（3）期待電站改造的規(guī)劃能實現(xiàn)點（電站）的模
式到面（片區(qū)）的模式的轉(zhuǎn)變。單一的電站改造后，效
果顯著，但與其相關(guān)的電站近區(qū)負(fù)荷配電部分、水電
直供電片區(qū)電網(wǎng)部分、電站后期新增的未納入增效
擴容項目的機組等因素也是影響電站綜合效益的部
分，這部分設(shè)備的改造需求也是非常迫切的，只有整
個面的綜合效益提升了，才能徹底消除電網(wǎng)損耗的
瓶頸，真正建立可靠、高效、潔凈的農(nóng)村水電網(wǎng)。
5 結(jié)束語
水電作為一種可再生的綠色能源，越來越受到
各級政府和水行政部門的重視。在各地農(nóng)村小水電
站普遍存在設(shè)備陳舊、效率下降，電能質(zhì)量下降的情
況下，水利部及時啟動了農(nóng)村水電增效擴容改造項
目，使農(nóng)村小水電站充分發(fā)揮了自身優(yōu)勢，提高了綜
合效益，為新農(nóng)村建設(shè)和推進(jìn)城鎮(zhèn)化建設(shè)提供了大
量的清潔可再生能源。

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