Profibus-DP高壓直流輸電現(xiàn)場(chǎng)總線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊亞璞 付慶釗 李二玉

（許繼電氣股份有限公司 河南省許昌市 461000）

高壓直流控制保護(hù)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)通常分為三層：運(yùn)行人員控制層、控制保護(hù)設(shè)備層、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控層，而直流輸電通信系統(tǒng)屬于高壓直流控制保護(hù)系統(tǒng)的子系統(tǒng)，主要包含以太網(wǎng)和現(xiàn)場(chǎng)總線兩種通信網(wǎng)絡(luò)，其中在控制保護(hù)設(shè)備層和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備主要是Profibus-DP和CAN現(xiàn)場(chǎng)總線通信[1]。西門(mén)子的SIMADYN D和TDC系統(tǒng)主要采用的是Profibus-DP，目前我們研制的直流輸電控制系統(tǒng)主要是吸收和借鑒了西門(mén)子SIMADYN D的相關(guān)技術(shù)路線，因?yàn)槲覀円呀?jīng)成功研制了現(xiàn)場(chǎng)具備Profibus-DP從站接口的DFU400系列和DFU600系列的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控層裝置等，因此首先要選用Profibus-DP作為現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控層和控制保護(hù)層的通信現(xiàn)場(chǎng)總線。

1 現(xiàn)場(chǎng)總線Profibus-DP技術(shù)概述

Profibus-DP（Decentralized Periphery）是一種高速低成本的通信技術(shù)，多用于現(xiàn)場(chǎng)層控制系統(tǒng)與分散式I/O的通信。Profibus-DP使用物理層、數(shù)據(jù)鏈接層和用戶接口，主站周期性地讀取從站的輸入信息并周期性地向從站發(fā)送輸出信息，并提供智能化現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備所需的非周期性通信以進(jìn)行組態(tài)、診斷和報(bào)警處理及復(fù)雜設(shè)備在運(yùn)行中參數(shù)的確定[2]。

Profibus-DP有如下的特點(diǎn)和功能：

（1）實(shí)時(shí)高速：數(shù)據(jù)傳輸速率為9.6 k-12 Mbit/s，有較高的實(shí)時(shí)性；

（2）遠(yuǎn)距離：12 Mbps時(shí)最遠(yuǎn)距離為100m，1.5 Mbps時(shí)為200m，可用中繼器延長(zhǎng)至10km；

圖1：HCM3000控制保護(hù)平臺(tái)的體系架構(gòu)

圖2：ECM板卡硬件總體設(shè)計(jì)框圖

圖3：ECM的軟件功能組成框圖

（3）分布式結(jié)構(gòu)：各主站間令牌傳遞，主站與從站之間為主-從傳送，總線上最多站點(diǎn)（主-從設(shè)備）數(shù)為126。

（4）診斷功能：可對(duì)故障進(jìn)行快速定位，診斷信息在總線上傳輸并由主站采集[3]。

2 高壓直流現(xiàn)場(chǎng)總線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及軟硬件配置

HCM3000是許繼研制的用于高壓直流輸電（High Voltage Direct Current，HVDC）控制保護(hù)的高性能工業(yè)控制平臺(tái)系統(tǒng)，該控制保護(hù)平臺(tái)采用VME64X背板總線、分層、模塊化的體系架構(gòu)，可以分為：硬件層、系統(tǒng)軟件層（包含運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)、功能塊庫(kù)及硬件驅(qū)動(dòng)）、工具軟件層，如圖1所示?；赑rofibus-DP現(xiàn)場(chǎng)總線的通信系統(tǒng)以HCM3000控制保護(hù)平臺(tái)為基礎(chǔ)，在硬件上主要包括通用處理器EPU板卡，能完成Profibus-DP通信功能的現(xiàn)場(chǎng)總線ECM板卡等，在軟件上包括ECM板卡的底層軟件和通信系統(tǒng)軟件平臺(tái)。

2.2 ECM板卡的硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

ECM 板卡硬件原理構(gòu)成。

ECM板卡總體設(shè)計(jì)如圖2所示，包括XE167主控CPU，兩個(gè)主（從）站模塊，以及兩個(gè)CAN通信接口，EEPROM 芯片，和主CPU通信用的DPRAM, VME 接口等構(gòu)成具有兩路Profibus-DP主（從）站通信接口和兩路高速CAN接口的標(biāo)準(zhǔn)VME從板卡。

Profibus-DP主站模塊和從站模塊主要采用德國(guó)赫優(yōu)訊公司成熟的COM系列COM-C-DPM主站模塊和COM-C-DPS從站模塊，CPU 選定英飛凌最新主頻可達(dá)到80MHZ的XE166系列的SAFXE167FM-72F80L 作為主控MCU，由于該MCU自帶CAN接口，可以方便的通過(guò)外加CAN的隔離驅(qū)動(dòng)芯片增加兩路CAN通信接口，ECM板卡和主EPU板卡之間通過(guò)IDT70V09雙端口RAM進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，F(xiàn)PGA 芯片XC3200A 主要實(shí)現(xiàn)VME從接口，主EPU板卡和ECM 板卡之間主要通過(guò)VME背板總線連接[4-7]。

圖4：硬件連接圖

圖5：總線配置圖

圖6：ECM10A配置圖

圖7：DP通信測(cè)試CFC程序

2.3 ECM板卡的軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.3.1 ECM板卡底層軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

ECM 板卡軟件主要完成的功能如圖3所示。

（1）主要提供通過(guò)DPRAM完成與EPU通信的功能和與DP模塊通信的功能；

（2）板卡自身的硬件自檢功能(Hardware self check )；

（3）通過(guò)超級(jí)終端利用簡(jiǎn)單命令行(mini_shell)方式提供板卡配置和診斷功能；

（4）提供軟件定時(shí)器TSM調(diào)度器,可進(jìn)行簡(jiǎn)單的不可剝奪的任務(wù)調(diào)度；

（5）具有內(nèi)存文件系統(tǒng)RamFS提供存儲(chǔ)臨時(shí)文件的功能；

（6）具有通過(guò)超級(jí)終端的Xmodel協(xié)議下載配置文件和上傳配置文件的功能；

（7）通過(guò)前面板LED顯示通信狀態(tài)和故障信息的功能；

（8）軟件具有軟件看門(mén)狗功能(watch dog)功能，軟件故障自動(dòng)重新啟動(dòng)功能。

2.3.2 通信系統(tǒng)軟件平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

通信系統(tǒng)軟件平臺(tái)的設(shè)計(jì)主要包括，工具軟件層和系統(tǒng)軟件層兩部分，工具軟件層包括圖形化工程軟件開(kāi)發(fā)工具ViGET，系統(tǒng)軟件層包括運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)VxWorks[8-9]。

（1）運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)VxWorks。HCM3000 的運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)是在實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)是在 VxWorks 的基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)定制開(kāi)發(fā)，完成對(duì)應(yīng)用程序的多任務(wù)優(yōu)先級(jí)調(diào)度、用戶異步中斷處理、目標(biāo)機(jī)與工程工具軟件的通信、系統(tǒng)故障診斷、多 CPU 和多任務(wù)間數(shù)據(jù)交互等功能，是管理平臺(tái)實(shí)時(shí)運(yùn)行的軟件核心[10-12]。

（2）ViGET功能塊庫(kù)的設(shè)計(jì)。ViGET開(kāi)發(fā)工具軟件運(yùn)行在通用 PC機(jī)上，是為工程應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)提供的圖形化開(kāi)發(fā)工具，集成了硬件配置、 通信組態(tài)、增強(qiáng)的 CFC編輯器、IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)包含的 5種語(yǔ)言、在線調(diào)試、編譯、程序下裝等功能。為工程應(yīng)用程序的高效、快捷開(kāi)發(fā)，縮短應(yīng)用開(kāi)發(fā)周期，提供了有力支撐。

ViGET功能塊庫(kù)是配合通信系統(tǒng)的一組功能塊的組合，一般包括配合圖形化工程工具編程的環(huán)境外型設(shè)計(jì)和運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)調(diào)用的底層代碼設(shè)計(jì)兩部分[13]。其中硬件板卡配置功能塊HWCFG、DP通信配置功能塊PROCM、通信收發(fā)功能塊CTV_P02和CRV_P02、數(shù)據(jù)通信寫(xiě)入讀出功能塊DWR_8BY和DRD_8BY、通信數(shù)據(jù)檢驗(yàn)功能塊DTE8等。

3 現(xiàn)場(chǎng)總線通信系統(tǒng)的測(cè)試與驗(yàn)證

測(cè)試原理如圖4所示配置在一個(gè)HCM3000機(jī)箱里面配置一個(gè)ECM10A板卡為主站板卡，下面掛接DFU410測(cè)控裝置，ECM11A從站板卡，PFB從站板卡，然后通過(guò)工程工具ViGET進(jìn)行CFC編程驗(yàn)證ECM10A主站板卡和ECM11A從站板卡所對(duì)應(yīng)的通信功能運(yùn)行是否正確。

用ECM10A板卡的配置軟件SyCon配置如圖5所示，

PFB(SST-PFB3-VME-2) 從站板卡的I/O數(shù)量通過(guò)功能塊配置，而ECM11A(COM-Ax/Bx/Cx-DPS)從站板卡的I/O配置如圖6所示，在 ViGET上對(duì)主站ECM10A板卡進(jìn)行CFC編程如圖7所示。

經(jīng)過(guò)上述CFC程序編譯下載在EPU處理器里面運(yùn)行，在硬件連接正確的情況下，DFU410裝置和各個(gè)板卡通信正常，通過(guò)相關(guān)功能塊下發(fā)到DFU410裝置的繼電器開(kāi)關(guān)命令和 DFU410裝置上傳到HCM3000報(bào)文都正確，然后驗(yàn)證另外兩個(gè)從站的發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)通過(guò)DRD_8BY模塊和DWR_8BY模塊進(jìn)行雙方的逐個(gè)字節(jié)發(fā)送接收測(cè)試都完全正確。

4 結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)完成了基于HCM3000平臺(tái)的Profibus-DP現(xiàn)場(chǎng)總線通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并通過(guò)圖形化軟件開(kāi)發(fā)工具ViGET和相關(guān)功能塊配合硬件平臺(tái)系統(tǒng)，完成了基于ECM主從站板卡的DP現(xiàn)場(chǎng)總線通信及一致性測(cè)試驗(yàn)證,具有通信穩(wěn)定性好、運(yùn)行速度快、人機(jī)交互性好、可視化等特點(diǎn)，對(duì)我國(guó)的直流輸電工程的研究和發(fā)展起到關(guān)鍵的支撐作用。