1 引言
萬能式斷路器除了本身具有高分斷能力、高短時耐受性能及良好的操作性能外,還必須裝配性能優越的控制器。基于微處理器的智能控制器具有多種檢測和通信功能, 利用總線功能實現電力質量監控是一種經濟有效的方案。由于基于Profibus-DP現場總線的驅動和執行單元被大量開發和應用, 因此針對原有萬能式斷路器的控制器系統進行改造,結合現場總線的優點,保留原有系統的投資, 設計了一種具有PROFIBUS 現場總線接口的新型控制系統。
2 Profibus-DP 現場總線系統的構成
Profibus 現場總線系統由主站和從站構成,主站具有總線存取控制權,從站是被動的站,沒有總線存取權。主站分為一類、二類。一類主站包括PLC、PC 等, 完成循環的總線通訊控制和管理。二類主站指操作員工作站(如PC 機加圖形監控軟件)、編程器、組態設備,完成非循環數據的讀寫、系統配置、故障診斷、調試等。從站是進行輸入輸出信息采集和發送的現場設備、包括輸入輸出I/O 設備、驅動器、執行器等。總線系統根據主站設置的個數可以分為多主站系統和單主站總線系統。
3 從站總體結構設計
智能控制器系統實現的功能包括:溫度采集、處理控制、現場通信等,能單獨完成現場測量控制等功能,也可與多個從站和主站一起構建一個大系統,完成整體的測量控制任務。智能控制器由微處理器、信號采集電路、電源、鍵盤和液晶顯示電路、時鐘溫度檢測電路、執行電路以及Profibus-DP 總線接口電路等部分組成,組成框圖如圖1 所示。
3.1 信號采集系統
本設計需要采集的信號是三路線電壓和四路相電流信號,所需的電壓和電流信號都是經過互感器形成的二次側感應電壓, 經濾波隔離放大之后形成適合A/D 轉換的電壓范圍在3V以內。由于LPC2114 本身具有A/D 轉換器,所以只需要接入一個多路選擇開關,即可完成對多路信號的采集,因此選用了單八路模擬開關CD4051。
CD4051 的特點是通道轉換頻率可10MHz, 而且控制簡單,量程達到10V,工作溫度范圍-55°C~ +125°C,很好的解決了量程的范圍和信號采集的實時性。CD4051 與LPC2114 的接口連接見圖2 所示。電壓電流互感器二次側感應電壓信號經分壓后分別送入CD4051 的X0—X7引腳。CD4051 的各通道選通的地址線引腳A、B、C 分別與LPC2114 的p0.21、p0.22、p0.23相連,開關接通彭磊: 助理實驗師在讀碩士哪一通道,由LPC2114 控制輸入的3 位地址碼來決定。LPC2114的A/D 轉換頻率最大可以達到4.5MHz,轉換精度為2-10,完全能夠滿足實時采集和高精度要求。CD4051 與LPC2114 的A/D初始化和轉換工作由主程序完成。設計采用定時中斷方式要求大約每0.3ms 就在3 路電壓和4 路電流信號上各采集一點,LPC2114 將采集所轉換的數據存儲在ADDR (A/D 數據存儲器)中。
3.2 溫度檢測與實時時鐘電路
傳統的溫度檢測和實時時鐘是由各自獨立的芯片電路分別完成, 這樣分散處理往往降低了微處理器的處理效率而且也增加了電路的復雜性,所以本設計采用了SD2304FLP 高精度實時時鐘。
SD2304FLP 是一種具有內置晶振、兩線式串行接口的高精度實時時鐘芯片。該芯片可保證時鐘精度為±5ppm (在-10°C~50°C 下), 即年誤差小于2.5 分鐘; 該芯片內置始終精度調整功能,通過內置的數字溫度傳感器可設定適應溫度變化的調整值,實現在寬溫度范圍內高精度的計時功能; 內置2K 串行E2PROM,用于存儲各溫度點的時鐘精度補償數據。正是由于內置了I2C 總線的數字溫度傳感器,所以可以很方便地通過I2C 接口讀取溫度數據。
SD2304FLP 的溫度補償應用是應用的關鍵,由于時鐘精度隨溫度變化的補償數據在出廠前已經存儲在2K 容量的E2PROM 里, 所以只要通過讀取片內數字溫度傳感器所檢測到溫度(TMP)的數值,確定當前溫度值,根據溫度值的高八位確定存儲在E2PROM 補償數據地址, 讀出該補償數據并寫入時鐘調整寄存器。由于LPC2114 本身具有高速I2C 總線接口,硬件設計和程序編寫不需要很復雜。但需要注意的是I2C 總線的上拉電壓應確保在總線需要工作的時始終存在, 并在系統中最先上電,最后掉電,所以根據實際情況,本電路設計的上拉電阻最好為4.7K。
3.3 Profibus-DP 總線接口模塊
在Profibus-DP 總線中,主站循環地讀取從站地輸入信息并周期地向從站發送輸出信息。同時,數據的通信是由主站和從站上的監控功能進行監控的。對于一個成功的現場總線系統來說,僅僅提供一個高數據傳輸能力是不夠的, 必須具有安裝和維護的簡易性, 良好的診斷能力和無差錯的傳輸。這是其他總線如Can、DeviceNet、Moudbus 所不能比擬的。
設計Profibus-DP 智能從站有三種方案:方法一是直接用單片機實現。由于單片機上一般都安裝UART,使用單片機利用軟件來模擬Profibus 現場總線協議。方法二是使用Profibus 通信專用芯片。方法三采用現成的從站接口模塊,如IM183-1,可將第三方設備作為從站簡便的連接到Profibus-DP 上。IM183-1從站接口模塊主要由ASIC 芯片SPC3、單片機80C32、EPROM、RAM 和一個用于Profibus-DP 的RS-485 接口組成。SPC3 可獨立處理總線協議。這種方式的開發難度較小,但由于內部電路不能改動,靈活性比較差,不能滿足復雜智能從站的要求,而且開發成本很高。
本設計選用方法一, 是因為方法二和三是受這些專用的通信處理芯片的端口限制,對微處理器的兼容性有專門要求,而且至少還要占用10 個以上的微處理器引腳端口,因此很多高性能的微處理器無法與之兼容或者使很多具有特殊功能的端口受到限制。雖然直接用單片機實現會受到單片機波特率的限制,傳輸速率一般很低, 但是本系統根據設計要求選用了51 單片機LPC932A1 專門來實現Profibus 總線通信。LPC932A1 特點有:操作頻率的速度是普通標準8 0 C 51 器件的6 倍, 高速的指令執行時間可只需167 ns;片內實時時鐘(RTC)可以作為系統時鐘;增強型UART,具有波特率發生器、間隔檢測、幀錯誤檢測,通用中斷功能; 傳輸速率可達到3Mb/s 的SPI 通信端口。由于LPC932A1 的增強型UART 波特率, 有較高的數據傳輸率可以達到500Kb/s,它允許高速度周期性的數據通信,適用于對時間要求苛刻的場合。
3.3.1 接口模塊硬件設計
Profibus-DP 接口模塊電路主要由四部分組成: 微控制器LPC2114,模擬總線協議處理微控制LPC932A1,RS485 收發器SP3485 和高速光電耦合器6N137。微控制器LPC2114 本身也有SPI 通信端口, 只要與LPC932A1 的SPI 通信端口相連接,通過簡單的軟件編程實現LPC2114 與LPC932A1 的SPI 通信,就能利用3Mb/s 的SPI 通信實現數據在系統內的高效高速傳輸。在這Profibus-DP 接口模塊設計中只需占用LPC2114 中4 個引腳端口,大大節省LPC2114 的端口資源。為了增強Profibus-DP 總線節點的抗干擾能力,LPC932A1 的TXD 和RXD 并不是直接與RS-485 收發器SP3485 的TXD 和RXD 相連, 而是通過高速光電耦合器6N137 后與SP3485 相連, 這樣就很好的實現了總線上各Profibus-DP 節點間的電氣隔離。其中光耦部分電路所采用的2 個電源VCC 和VPP 必須完全隔離, 雖然增加了節點的復雜性, 但是卻提高了節點的穩定性和安全性。連接至SP3485 上A 引腳的上拉電阻和連接至B 引腳的下拉電阻用于保證無連接時的SP3485 芯片處于空閑狀態, 提供網絡失效保護,以提高RS-485 節點與網絡的可靠性。
3.3.2 接口模塊軟件設計
Profibus 現場總線協議的基礎為ISO/OSI 的網絡參考模型。在Profibus-DP 中沒有第三層到第七層,只包了含第一層(物理層)和第二層(數據鍵路層)。Profibus 第二層的一個重要工作是保證數據的完整性,這是依靠所有的電文海明間距=4、按照國際標準IEC870-5-1 制定的使用特殊的起始和結束定界符、無間距的字節異步傳輸及每個字節的奇偶校驗保證的。Profibus-DP 第二層按照非連接的模式操作,它提供點一點及多點通信(廣播及有選擇地廣播)功能。上層協議通過第二層的SAPs(Serice AccessPoints,服務訪問點)調用服務功能。在Profibus-DP 中,將一定的功能賦予每一個第二層的SAP,例如DefaultSAP:數據交換(Data-Exch)、SAP55:改變從站地址(SSA)、SAP61:發送參數設置數據(PRM)、SAP62:檢查配置數據(CFG)。為了能有效地處理總線協議, 調用不同的DP 功能, 因此在軟件設計中, 正確地處理Profibus-DP 報文格式以及為各個SAP 設置相應的緩存區是設計的關鍵。
Profibus-DP 接口模塊的軟件設計主要包括3 個部分:LPC932A1 的緩存初始化、與主站通信的主程序、LPC2114 與LPC932A1 的SPI 通信。
4 從站設備簡單測試方案
由于Profibus-DP 從站設備的調試是一個復雜的過程,要求開發人員具有Profibus-DP 系統的工作經驗,因此為了節省相關人員的開發時間和開發成本,這里提出一套簡單調試方案。
系統構成:IPC 機、主站網卡(SIEMENS CP5611)、COMPROFIBUS軟件。系統的測控網絡采用線型拓撲的單主站結構,將IPC 機作為上位監控主站。如果在IPC 機上裝有WinCC 軟件,可以用來向用戶提供如動態數據畫面顯示的管理窗口。這個方案主要是調試設備基本協議的一致性,調試方便、簡單。
5 結束語
課題研究并實現了斷路器智能控制模塊的Profibus-DP 通信,并對斷路器的遠程監控具有重要的現實意義。這種系統可以處理符合PROFIBUS 現場總線協議的智能儀表或分散到現場的輸入輸出設備, 在設計中采用的模塊化設計方案, 充分體現了系統的開放性。所提設計方法為智能斷路器的數據采集和通信提供了一種有效的實現途徑。
本文作者創新點: 該系統可處理符合PROFIBUS 總線協議的智能儀表或分散到現場的輸入輸出設備, 在設計中采用的模塊化設計方案,充分體現了系統的開放性。