陳思敏，李 奎，王麗麗，韓 松

(河北工業(yè)大學(xué)電氣學(xué)院，天津 300130)

0 引言

目前，國內(nèi)市場上的智能斷路器大多都采用Modbus協(xié)議通信，通信速率不高，最大僅為38.4 Kb/s，而Profibus的通信速率為9.6 Kb/s～12 Mb/s，最高可達(dá)12 Mb/s，但具有Profibus接口的智能斷路器大部分為國外產(chǎn)品，且價格昂貴。

對于國內(nèi)市場狀況而言，用帶有Profibus接口的新產(chǎn)品代替原有的帶Modbus接口的智能斷路器不符合實(shí)際情況。除此之外，國內(nèi)外也開發(fā)出Modbus-Profibus總線橋產(chǎn)品，但其價格昂貴[1]。因此，為了使現(xiàn)有的帶有RS485接口的智能斷路器能直接接入Profibus總線，提出了一種智能斷路器接入Profibus總線系統(tǒng)的新方法，有效提高遠(yuǎn)程訪問智能斷路器的通信速率，實(shí)現(xiàn)Profibus總線對智能斷路器進(jìn)行遙測、遙控、遙訊、遙調(diào)功能。

1 Profibus系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1．1Profibus系統(tǒng)組成

Profibus由Profibus-DP、Profibus-FMS、Profibus-PA系列組成，文章采用Profibus-DP系列。Profibus-DP主站有一類主站(DPM1)和二類主站(DPM2)，DPM1在預(yù)定的周期內(nèi)與分散節(jié)點(diǎn)交換信息，如PLC、PC+CP5611；DPM2屬于編程裝置、診斷和管理設(shè)備，完成非周期性數(shù)據(jù)訪問。DP從站主要完成輸入、輸出信息的采集與發(fā)生，主要為I/O設(shè)備、驅(qū)動器和現(xiàn)場設(shè)備。Profibus支持主-從系統(tǒng)、純主站系統(tǒng)、多主多從混合系統(tǒng)等幾種傳輸方式。在主-從系統(tǒng)中只有當(dāng)主站請求時總線上的DP從站才可能活動。DP主站與DP從站之間的用戶數(shù)據(jù)連續(xù)地交換，而并不考慮用戶數(shù)據(jù)的內(nèi)容。

圖1為Profibus系統(tǒng)示意圖。

圖1 Profibus系統(tǒng)示意圖

其中Profibus主站由PLC或PC+CP5611組成，Profibus從站為具有Profibus接口模塊的智能斷路器，接入Profibus高速總線中。主站與從站之間采用嚴(yán)格的主從通信方式，即主站向從站發(fā)送命令，從站根據(jù)主站的命令被動地響應(yīng)。Profibus主站通過組態(tài)設(shè)置智能斷路器的工作參數(shù)，建立通信關(guān)系后進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。智能斷路器將檢測到的所有電能信息通過Profibus接口模塊高速傳輸給Profibus主站，主站對智能斷路器反饋的信息進(jìn)行分析并顯示于監(jiān)控界面，同時主站可以控制智能斷路器的分、合閘；智能斷路器若遇到故障，將發(fā)送診斷數(shù)據(jù)給主站，主站將對其作相應(yīng)處理。

1．2Profibus接口模塊的設(shè)計(jì)

Profibus接口模塊作為智能斷路器的核心單元，其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。其由單片機(jī)W77E615、協(xié)議芯片SPC、Profibus總線驅(qū)動芯片ADM2486、Modbus總線驅(qū)動芯片SN65LBC184、外部存儲器IS65C256AL以及撥碼開關(guān)、雙隔離電源模塊等組成。

圖2 Profibus接口結(jié)構(gòu)框圖

MCU選用W77E516，其功能強(qiáng)大，具有支持ISP功能的64 KB Flash EPROM，4 KB的輔助Flash EPROM，3個16位定時/計(jì)數(shù)器以及一個全雙工串行口等。為了方便開發(fā)人員進(jìn)行編寫和驗(yàn)證，該芯片允許電編程和電讀寫，同時ISP功能方便開發(fā)人員對焊接好的電路板進(jìn)行調(diào)試。

SPC3是一款集成完整Profibus協(xié)議的智能通信芯片，支持PROFIBUS DPV0，PROFIBUS DPV1及PROFIBUS DPV2。其對于MCU而言，為其的一個外部RAM，分擔(dān)了MCU的工作量；對于開發(fā)者而言，無需了解Profibus協(xié)議詳細(xì)內(nèi)容就可進(jìn)行從站開發(fā)，有效地降低開發(fā)難度、縮短開發(fā)時間。

Profibus接口電路采用AMD2486高速收發(fā)芯片，該芯片采用了最新的iCoupler隔離技術(shù)，在性能、功耗、體積等各方面具有極高的優(yōu)勢，溫度范圍可達(dá)-40～85 ℃，其傳輸速率最高達(dá)20 Mbit/s、隔離電壓高達(dá)2 500 V，完全滿足Profibus總線通信的要求，無需任何分立元件就可以實(shí)現(xiàn)RS485通信功能[2-3]。

撥碼開關(guān)的前七位用來設(shè)置從站智能斷路器的地址，當(dāng)Profibus接口模塊作為單獨(dú)使用連接其他Modbus設(shè)備時，第八位用來設(shè)置接口模塊與Modbus設(shè)備之間的通信速率。

Profibus接口模塊的工作過程如下：

Profibus主站輸出數(shù)據(jù)通過Profibus總線驅(qū)動芯片傳送到SPC3協(xié)議芯片，MCU通過地址、數(shù)據(jù)總線對協(xié)議芯片SPC3進(jìn)行讀寫操作，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為Modbus協(xié)議格式數(shù)據(jù)并通過Modbus驅(qū)動芯片將數(shù)據(jù)傳送到智能斷路器。智能斷路器將響應(yīng)的數(shù)據(jù)通過Modbus驅(qū)動芯片傳送到MCU，MCU對其進(jìn)行處理后，將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)通過SPC3協(xié)議芯片自動轉(zhuǎn)換為Profibus協(xié)議數(shù)據(jù)，通過Profibus總線驅(qū)動芯片傳輸?shù)絇rofibus主站上[4]。

2 智能斷路器與Profibus主站通信過程

智能斷路器接入Profibus總線系統(tǒng)的方法的主要特點(diǎn)在于智能斷路器的Profibus接口模塊的設(shè)計(jì)以及智能斷路器與Profibus主站通信的軟件實(shí)現(xiàn)。通過Profibus接口模塊將智能斷路器掛接到Profibus總線上，實(shí)現(xiàn)智能斷路器與Profibus主站之間數(shù)據(jù)的高速傳輸，避免了以Modbus協(xié)議傳輸對智能斷路器通信速率的限制，同時方便用戶通過PLC或PC+CP5611主站對智能斷路器進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控。

本設(shè)計(jì)在未對以Modbus協(xié)議傳輸?shù)闹悄軘嗦菲鬟M(jìn)行大量改動的基礎(chǔ)上，增加了Profibus通信功能，通信速率可達(dá)12 Mb/s，與市場上的進(jìn)口智能斷路器相比，其性價比更高。

具體實(shí)現(xiàn)步驟：

(1)在數(shù)據(jù)塊上層封裝一層適合通用通信設(shè)備的傳輸協(xié)議，解決了不同數(shù)據(jù)幀長度與DP底層I/O固定長度之間的矛盾，實(shí)現(xiàn)通用通信設(shè)備與Profibus主站之間數(shù)據(jù)的透明傳輸；

(2)編寫GSD文件，用來描述設(shè)備特點(diǎn)和通信屬性，便于主站根據(jù)GSD文件對Profibus接口模塊進(jìn)行識別[5]。

(3)將智能斷路器接入以PLC或PC+CP5611為主站的Profibus系統(tǒng)中，采用STEP7軟件進(jìn)行硬件組態(tài)。

上述(1)中所述的傳輸協(xié)議，如圖3所示，假設(shè)DP底層I/O固定長度為M個字節(jié)，數(shù)據(jù)幀長度為N個字節(jié)。若N=M時，需進(jìn)行[N/(M-1)]+1次數(shù)據(jù)交換，前N/(M-1)次為：第一個字節(jié)值為M，其余為Modbus協(xié)議數(shù)據(jù)幀(長度為M-1)，最后一次數(shù)據(jù)交換為：第一個字節(jié)值為[N%(M-1)]+1，接著為Modbus協(xié)議數(shù)據(jù)幀(長度為N%(M-1))，最后為M-[N%(M-1)]-1個零。其中“/”為取整運(yùn)算，“%”為取模運(yùn)算。該傳輸協(xié)議很好地解決了不同數(shù)據(jù)幀長度與DP底層I/O固定長度之間的矛盾，不僅實(shí)現(xiàn)了智能斷路器與Profibus主站之間數(shù)據(jù)的透明傳輸，也增加了Profibus接口模塊的通用性，使其在單獨(dú)使用時可以將任何以Modbus協(xié)議傳輸?shù)耐ㄐ旁O(shè)備連接到Profibus總線上。

圖3 封裝于數(shù)據(jù)塊上的傳輸協(xié)議

Profibus接口模塊與Profibus主站之間的通信流程圖如圖4所示。主要包括：MCU初始化、SPC3初始化、SPC3中斷處理、對輸入和輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

其中對輸入和輸出數(shù)據(jù)處理的實(shí)質(zhì)是實(shí)現(xiàn)智能斷路器與Profibus主站之間數(shù)據(jù)的透明傳輸，采用透明傳輸可以有效地減小處理延時時間。Profibus接口模塊在接收到主站的輸出數(shù)據(jù)后，取出主站輸出數(shù)據(jù)中的PDU，按照PDU中的有效數(shù)據(jù)長度(D0位)截取有效的Modbus數(shù)據(jù)幀，然后為其加上CRC檢驗(yàn)位組成完整的Modbus協(xié)議數(shù)據(jù)幀，將該數(shù)據(jù)幀寫入Modbus輸出緩沖區(qū)內(nèi)，發(fā)送給智能斷路器。同理，當(dāng)模塊在規(guī)定的時間內(nèi)接收到智能斷路器的響應(yīng)數(shù)據(jù)后，先對其進(jìn)行CRC校驗(yàn)，若檢驗(yàn)錯誤，則通知主站智能斷路器響應(yīng)錯誤；若校驗(yàn)正確則去掉Modbus數(shù)據(jù)幀的CRC校驗(yàn)位，為其添加一個字節(jié)的頭(有效數(shù)據(jù)長度)組成圖3所示的數(shù)據(jù)格式，寫入SPC3的輸入緩沖區(qū)內(nèi)，發(fā)送給主站；若在規(guī)定時間內(nèi)模塊未收到智能斷路器的響應(yīng)數(shù)據(jù)，則通知主站智能斷路器無響應(yīng)。

圖4 Profibus接口模塊與Profibus主站之間的通信流程圖

3 Profibus系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)與測試結(jié)果分析

將智能斷路器接入以PLC或PC+CP5611為主站的Profibus系統(tǒng)中，采用STEP7軟件進(jìn)行硬件組態(tài)，同時編寫軟件讀寫程序[6]。在STEP7硬件組態(tài)(HW Config)中的機(jī)架UR第一個槽中插入Application，第二個槽中插入CP5611，選擇DP網(wǎng)絡(luò)，設(shè)置主站地址為2，同時根據(jù)通信需要選擇適合的通信速率。在主站系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)上添加DP從站，設(shè)置從站地址為3(必須與Profibus接口模塊地址相同)，同時設(shè)置從站的相關(guān)信息，保存存盤。STEP7的操作界面如圖5所示。然后配置虛擬的PC Station，配置成功界面如圖6所示。最后打開STEP7軟件將配置信息下載到PC Station中。通過人機(jī)界面Wincc來監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的讀寫，Wincc對應(yīng)的控制界面如圖7所示。Wincc中配置的輸入數(shù)據(jù)變量組、輸出數(shù)據(jù)變量組應(yīng)該與Step7中所選擇的模塊中的數(shù)據(jù)相對應(yīng)。

圖5 Step7操作界面

圖6 配置虛擬PC Station

圖7 Wincc操作界面

通過Profibus接口模塊將上海某公司生產(chǎn)的ST-3智能控制器掛接到上述Profibus總線系統(tǒng)上，進(jìn)行測試，WINCC監(jiān)控界面顯示的部分?jǐn)?shù)據(jù)的測試結(jié)果如表1所示。

表1 WINCC監(jiān)控界面中部分?jǐn)?shù)據(jù)的測試結(jié)果

由測試結(jié)果得出：通過Wincc監(jiān)控界面可以實(shí)時顯示ST-3智能控制器的實(shí)時數(shù)據(jù)，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。同時為了準(zhǔn)確評估該方法的可靠性，在測試中，將通信速率依次設(shè)置為9.6 Kb/s、97.75 Kb/s、187.5 Kb/s、500 Kb/s、1.5 Mb/s、6 Mb/s 、12 Mb/s，進(jìn)行多次數(shù)據(jù)交換，Wincc監(jiān)控界面顯示數(shù)據(jù)正確，檢測結(jié)果良好，進(jìn)一步證明所提出方法的可靠性與實(shí)用性。

4 結(jié)束語

為了解決智能斷路器接入Profibus總線系統(tǒng)的技術(shù)問題，通過引入基于Profibus通信的Profibus接口模塊，改進(jìn)了智能斷路器的通信速率，使其具有Profibus通信功能、通信速率最大可達(dá)12Mb/s．在實(shí)際使用中，具有操作簡單、運(yùn)行穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。因此，在Profibus總線大量應(yīng)用的趨勢下，通過Profibus接口模塊將智能斷路器掛接到Profibus總線上，經(jīng)濟(jì)實(shí)用，滿足市場和用戶需求。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡介：陳思敏(1988-)，碩士研究生，主要從事電器可靠性與測試技術(shù)、智能電器及通訊技術(shù)的研究。

E-mail：siminchen070735@126．com

李奎(1965-)教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)殡娖骺煽啃岳碚撆c試驗(yàn)技術(shù)、繼電保護(hù)智能化理論與技術(shù)。

E-mail：likui@hebut．edu．cn