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低压机组控制模块软件开发环境研究

文档作者：雷亮文档来源：天津水利电力机电研究所		点击数：	更新时间： 2025年06月03日
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上一篇：定子线棒改造施工风险评价研究

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收稿日期：2014-11-17
基金项目：中国水利水电科学研究院科研专项（TJ0145B262014）。
作者简介：雷亮（1985-），男，助理工程师，从事水电厂自动化系统
方案设计、设备开发、技术服务及质量管理工作。
低压机组控制模块软件开发环境研究
雷亮
（天津水利电力机电研究所，天津301900）
摘要：本文介绍水轮机低压机组控制装置结构，且在Linux 环境下搭建一个为低压机组控制装置搭载的软模块的
开发环境，并测试串口数据传输实际情况。
关键词：串口；Linux；Java；控制装置
中图分类号：TV736 文献标识码：A 文章编号：1672-5387（2015）03-0038-04
DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.03.011
1 引言
智能技术已经开始影响世界经济，工业领域的
智能化业已突显，水电站的自动化控制集成程度越
来越高，发电机组的集中控制越来越趋于专有化、智
能化，能够集成信息采集、控制、同期、保护功能于一
体的发电机控制模块将会在未来发电机控制领域发
挥主导作用。智能模块作为控制主体需要完成各种
复杂的功能，对信息交换的要求也就比较高，各功能
模块所需数据的获取及共享需要一个可靠的平台，
选择一个可靠的信息平台并建立一套完善的信息机
制是非常必要的。
2 系统平台介绍
建立整个数据集成系统需要选择一个良好的载
体平台才能够保证程序良好地运行，选择好数据载
体和通讯端口可使模块适应大多数应用场合。
2.1 系统平台—Linux
低压机组控制模块的系统平台选择Linux，Linux
在家用电脑系统中并没有占有较大份额，但在工业
领域中却有着很高的地位，它在可靠性、可伸缩性、
运行速度等方面很突出。
首先，Linux 是开源的，任何人都可以看它的源
代码，这就使得它特别安全，这种安全的特性对于工
业领域的安全要求来说是至关重要的，而Windows
却不能做到这一点，因为Windows 不可能开源，只
能不断地打补丁来修补新发现地漏洞，致使系统越
来越臃肿。
其次，Linux 有着一个很高效地内核，Linux 平
台对硬件要求较低，而且，可以免费获得许多程序和
驱动。Linux 对系统内存有着绝对的支配权，并不像
Windows 那样依赖虚拟内存，可以在相对低配置地
平台上完成相对于Windows 更多地工作。Windows
使用“页面文件”，它的作用是扩展内存，就是说用硬
盘虚拟内存的方式来为应用程序提供比内存大的多
的运行空间。但这个方式有一个缺点，就是硬盘比内
存响应速度慢。所以，如果一台计算机有较少内存
时，虚拟内存（就是某一些硬盘空间）就会被频繁使
用，结果就使得计算机的运行速度非常慢。尽管用户
也可以将“页面文件”调小以希望能降低虚拟内存的
份额，但Windows 本身却不会响应用户要求，虚拟
内存（即页面文件）还是在被使用着。这就是使用
Windows 的困境之一：用户无法真正掌控系统。而对
于Linux，用户可以设置完全不用虚拟内存，也可以
设置成先使用内存，不够时再使用虚拟内存。当然也
可以设置成尽量使用虚拟内存，留出系统的内存作
为它用，用户有决定的权力。
综上所述，低压机组控制模块软件系统选用
Linux 作为系统平台，可以降低低压机组控制模块运
行要求、提高可靠性。
2.2 数据载体
低压机组控制模块信息交换平台必须可靠高
效，它应该将各种不同类型的数据存储起来，并建立
第38 卷第3 期水电站机电技术Vol.38 No.3
2015 年03 月Mechanical &amp;amp; Electrical Technique of Hydropower 38 Station Mar.2015
一个系统各功能模块都能识别的统一数据接口，让
有权限的模块索取所需数据。数据载体的目的是把
信息读取出来，并共享到每个需要数据的模块，我们
选择拓展标记语言xml 来实现低压机组控制模块数
据的共享，此标记语言不仅可以实现数据共享，其用
处还有很多：如HTML、留言板、J2EE 的WEB 配置信
息、word 和excel、hibernate 的＊.cfg.xml 映射关系存
储等。智能模块能读懂这种标记，模块或者模块之间
的信息传递可以依靠这种标记来实现，这种不需要
体系数据库的数据存储、更新和读取能够更快更有
效地将场数据共享。
2.3 通讯方式
低压机组控制装置的信息交换支持现阶段流行
的方式：RJ45、DB9、USB、can-open 接口，其中，USB
接口主要设计功能为系统升级或者补充程序编写端
口，RJ45 用于支持以太网，DB9 用于支持采用
RS232 及RS485 两种通讯方式的硬件；can-open 用
于支持can 总线。本文将介绍为模块编写RS485
RTU 规约过程中的平台及环境设置。
3 开发环境配置
开发系统选择在SUSE Linux Enterprise server
11 环境下。测试硬件的串口采用MOXA 的UPORT
1150 USB 转串口产品，串口在现在的工业通讯领域
还被经常应用。开发选用的java 版本为1.7.0_51，需
要下载的支持串口开发的开发包为：RXTX －
2.1-7-bins－R2。
为在Linux 平台上开发串口驱动，选择支持
Linux平台的开发环境———WildFly，即 Jboss，它是一
个免费的、开放源码J2EE 的实现，安装方便，需要
内存和硬盘空间较小。
3.1 安装/ 更新所需java 到Linux
安装新版本的java （本次为1.7.0_51，安装在
/usr/java 下），安装完成后根据安装路径设置环境变
量，以下设置建议写在bash_profile 里以保证每次登
录都可以更新内存环境变量，PATH 变量用于标识
安装java 开发工具包（Java Development Kit，JDK）的
位置，而CLASSPATH 变量设置为存储.class 文件的
目录：
（1）设置java_home：export JAVA_HOME=/usr/java/
jdk1.7.0_51
（2）设置java路径：exportPATH＝$JAVA_HOME/bin:
$PATH
（3）设置java 库路径：export CLASSPATH＝.:$JAVA_
HOME/lib/dt.jar:$JAVA_HOME/lib/tools.jar
值得注意的是：必须在PATH 变量插入分号和
句号，分号是PATH 目录中入口之间的分隔符，而插
入句号说明是当前目录（符号应是英文状态下输
入）。
安装完成后系统默认的java 依然是系统最初
安装的java1.6，未重启计算机前（或未重新登录前）
想要最新安装的java1.7 发挥作用，需要在系统配置
内设定一些参数。
在登录系统后，键入：java －version 来查看现行
java 的版本，可以用which java 来确定现行java 的安
装路径。键入which java 后得知现行的java 安装目
录为：/usr/bin/java，而现在需要运行的java 安装在
/usr/java 下，且文件夹名字为jdk1.7.0_51,想要立即
使用新版java 而不重新登录的话，可以在这里做个
链接，系统能找到新安装的java。
要建立链接，首先要进入现行安装目录，键入
cd /usr/bin 来到安装目录，键入mv java java.bakforstore
将现在的java 隐藏起来，做一个软链接：ln -s
/usr/java/jdk1.7.0_51/bin/java java。此时再次输入
which java，系统回复：/usr/java/jdk1.7.0_51/bin/java，
java，链接已经成功，符合开发要求。
此时，只要指定运行库就能够直接支持java 的
运行了，因此，要添加CLASSPATH 目录的内容。可
以在上述的CLASSPATH 后面添加， 也可以在
/etc/profile 里添加以下段落来实现系统对java 的调
用：:$JAVA_HOME/jre/lib。系统就可以找到必须的.
so 文件来支持java 运行了。
做完以上工作，必须使配置生效：在/etc/ 下执
行source profile 命令（或者在／目录下执行source
bash_profile)，执行之后键入java -version，系统回复：
java version 1.7.0_51，此时配置java 完成。
3.2 测试配置串口参数
将MOXA UPORT 1150 接入系统，即将其USB
口插入服务器的USB 口，然后在MOXA 官网下载此
硬件对Linux 的驱动，下载驱动版本为：Linux 3.x，下
载并解压缩，解压缩后可以看到多个文件，其中包含
有makefile 和mxinstall 两个文件，在此目录下执行.
/mxinstall 来安装UPORT 驱动到系统，安装过程中
需要确认安全性，按照提示说明更改设置即可。
第 3 期 雷 亮：低压机组控制模块软件开发环境研究 39
安装完成后，可以看到UPORT 的ACTIVE 灯
亮，说明安装成功。这时，可以用：dmesg | grep tty 来
查看可用接口，系统回复为:
[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 两种
硬件平台，所以，系统完成对USB 端口的添加后，必
须要设置串口属性，设置串口有setserial -g dev/ttys
[0|1|2|3]，4 种方式分别为：
0-RS232、1-RS485&amp;amp;2W、2-RS422、
3-RS485&amp;amp;4W，
这里测试用两线制RS485，所以设置串口为1
模式工作，键入命令：setserial /dev/ttyUSB0 port 1,执
行完毕后，即可实现在串口发送和接收数据了。
3.3 安装RXTX
RXTX 是系统对串口的驱动必要的开源库，安
装后，就可以直接利用事先定义好的串口函数来进
行通讯。此库文件包包含有多个文件， 其中
x86_64-unknown-linux-gun 里面存放的就是为
SUSE 系统准备的库文件，将放在其中的librxtxSrial.
so 文件拷贝到/usr/java/jdk1.7.0_51/jre/lib/i386 下，
将RXTXcomm.jar 复制到/usr/java/jdk/jre/lib/ext 下，
就完成了RXTX 开源库的安装。
4 协议开发及测试结果
接下来对串口进行协议开发，本次用的是Modbus
RTU 协议。
（1）定义Modbus 的主体功能；
（2）建立数据的发送格式，根据协议要求需要将
格式转换成要求的标准格式；
（3）建立RTU 的传输函数；
（4）设置端口并建立连所需连接。
部分代码及注释
package ModbusInstance;
public class Modbus {
/**
* 定义功能码和接口函数
*/
public static final int debug = 0;
/**
* 读保持寄存器功能码。
*/
public static final byte READ_MULTIPLE_REGISTERS
= (byte) 0x03;
/**
* 读输入寄存器功能码。*/
public static final byte READ_INPUT_REGISTERS
= (byte) 0x04;
/**
* 写保持寄存器功能码。
*/
public static final byte WRITE_MULTIPLE_REGISTERS
= (byte) 0x10;
/**
* 写线圈状态功能码。
*/
……
5 可执行文件
建立好读取机制后编译运行，设备运行结果为：
Sent:01 03 00 10 00 04 45 CC
Received:01 03 08 00 00 00 00 00 00 00 00 95
数据1:0; 数据2:0; 数据3:0; 数据4:0;
实际观测UPORT 数据发送灯闪烁正常，且监
视到数据发送和数据接收，协议符合ModbusRTU，
数据可通过串口传输，接下来就是编译和在实际环
境下运行。将程序测试用端口在程序中换成实际设
备使用端口，将设备（主站）通过RS485 连接到测试
从站，重新编译且生成可在实际设备上运行的可执
行文件。必须保证实际环境Java 版本和测试版本一
致。
建立java 可执行文件，在工程上右键点击export，
在弹出的对话框中选择java－>Runable JAR
file－> 下一步－>Launch configuration 选择已测试
渊下转第64 页冤
40 水 电 站 机 电 技 术 第38卷
好的程序且在export destination 中选择要保存，并勾
选library handling 中的Copy required library into a
sub-folder next to the generated JAR。点击Finish 完
成，将生成的文件和library 文件夹拷贝到实际运行
低压机组控制模块上，在终端登录低压机组控制模
块的Linux 平台用户，采用ssh 连接，连接到同一网
络后用ssh root@X.X.X.X 来实现登录。
登录后在登录环境下输入：java －jar /etc/MBInquire.
jar,测试返回为：
Sent:01 03 00 10 00 04 45 CC
Received:01 03 08 00 00 00 00 00 00 00 00 95
数据1:0; 数据2:0; 数据3:0; 数据4:0;。
实际运行与测试时数据相同，设备实际数据可
以被正确地读取到一体化设备，且连续测试72 h 以
上数据均可正常读取存储。
6 结论
在Linux 环境下搭建一个为水轮机低压机组控
制装置搭载的软模块的软件开发环境是可行的，其
串口数据传输稳定可靠。
参考文献：
[1]【美】杰里米.里夫金.第三次工业革命[M].北京：中信出版
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[2]【美】Alapati Sam R.数据库管理艺术[M].北京：人民邮电出
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Linux System Administration Handbook [M].4th ed.New Jersey：
Prentice Hall.
渊上接第40 页冤
4 体会与建议
增效扩容改造工程的各个电站建设于不同年
代，风格不同，设备选择不同，自动化程度也相差很
多。无论从设计角度还是施工角度来看，改造一座旧
电站比新建一座电站都要复杂的多。从多个电站的
改造设计中获得了一些体会，以期在今后类似的工
程中能有所帮助。
（1）结合电站现状特点，具体案例具体设计。电
站各不相同，不能套用通用设计，尤其是机组改造方
案，应充分考虑原机型和布置形式，尽可能利用原机
组埋入部件和厂房建筑，节省改造成本。这一点也是
《增效扩容改造项目指导意见》的要求。设计人员与
设备厂家技术人员应充分掌握现场信息，对一些技
术图纸缺失的老电站，应当采取实地测量，查勘的方
式，取得准确的数据，预判改造中可能出现的技术问
题，从而能有针对性地进行设计。
（2）项目的概算应充分考虑到水电站内部通信、
对外通信及系统通信的投资，尤其是对外通信部分，
应结合电力系统对通信部分的要求，避免该部分预
算投资与实际投资偏差太大。各电站与电力系统的
通信设备相差甚远，希望各级财政的资金补助也适
当兼顾到不同年代建设的电站差异，对通信设备严
重落后的老旧电站加大资金补助。
（3）期待电站改造的规划能实现点（电站）的模
式到面（片区）的模式的转变。单一的电站改造后，效
果显著，但与其相关的电站近区负荷配电部分、水电
直供电片区电网部分、电站后期新增的未纳入增效
扩容项目的机组等因素也是影响电站综合效益的部
分，这部分设备的改造需求也是非常迫切的，只有整
个面的综合效益提升了，才能彻底消除电网损耗的
瓶颈，真正建立可靠、高效、洁净的农村水电网。
5 结束语
水电作为一种可再生的绿色能源，越来越受到
各级政府和水行政部门的重视。在各地农村小水电
站普遍存在设备陈旧、效率下降，电能质量下降的情
况下，水利部及时启动了农村水电增效扩容改造项
目，使农村小水电站充分发挥了自身优势，提高了综
合效益，为新农村建设和推进城镇化建设提供了大
量的清洁可再生能源。

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