基于工業(yè)以太網(wǎng)的高低壓成套開關(guān)設(shè)備智能化控制系統(tǒng)

摘要:采用DSP和網(wǎng)絡(luò)芯片LAN91115組成基于TCP/IP協(xié)議的高低壓成套開關(guān)設(shè)備智能化控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)存儲以及電氣動作遠(yuǎn)程控制，論述了DSP控制器對網(wǎng)絡(luò)芯片LAN91115的控制方法。

關(guān)鍵詞:DSP;LAN91115;工業(yè)以太網(wǎng);網(wǎng)絡(luò)控制器;TCP/IP協(xié)議

中圖分類號:TP393文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1009-3044(2009)27-7790-02

Intellectualized Control System to Switch Equipment of High and Low Voltage Based on Industrial Ethernet

TANG Ran

(Bengbu College， Bengbu 233030， China)

Abstract: The text introduce a intellectualized control system to switch equipment of high and low voltage based on TCP/IP agreement ，it has DSP and LAN91115 composition. System realization network-rization real time data collect，data memory and electrical equipment actions being long-range control.It has discussed the DSP controller control method to the chip lAN9115.

Key words: DSP; LAN91115; industrial Ethernet; Network controller; TCP/IP agreement

目前，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展，要求在電力系統(tǒng)中能夠?qū)﹄姎夤駜?nèi)的各種工作狀態(tài)、溫濕度能夠進(jìn)行高精度的控制。在電力系統(tǒng)中，由于溫度過高、過低引起的元件失效或由于濕度過高而引起的爬電、閃絡(luò)事故時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重影響系統(tǒng)安全，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。在高低壓成套開關(guān)設(shè)備控制柜體內(nèi)安裝控溫、除濕設(shè)備，可以有效地避免這些故障的發(fā)生，保障企業(yè)的生產(chǎn)安全，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

本系統(tǒng)利用上位計(jì)算機(jī)和嵌入DSP對電氣柜的溫濕度采用Fuzzy-PID復(fù)合控制，并對柜內(nèi)的電器的工作狀態(tài)(接地刀、斷路器等)、溫濕度通過計(jì)算機(jī)對其進(jìn)行遠(yuǎn)程集中顯示、控制和數(shù)據(jù)記錄管理，并可完成對電壓、電流、溫度、濕度的實(shí)時(shí)取樣并在顯示屏上對上述參數(shù)的變化曲線動態(tài)顯示、對過電壓、過電流、溫度過高實(shí)時(shí)保護(hù)并報(bào)警。

1 工業(yè)以太網(wǎng)

工業(yè)以太網(wǎng)是繼現(xiàn)場總線之后結(jié)合以太網(wǎng)的優(yōu)點(diǎn)而發(fā)展起來的，適合于工業(yè)控制和管理的一種局域網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，與目前的現(xiàn)場總線相比，工業(yè)以太網(wǎng)有很多優(yōu)點(diǎn)。1)它是一種開放性的通信網(wǎng)絡(luò)，各個(gè)廠家的設(shè)備能夠互相兼容;2)以太網(wǎng)貫穿于整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)層次，它使網(wǎng)絡(luò)組成透明、覆蓋整個(gè)企業(yè)范圍的應(yīng)用實(shí)體，實(shí)現(xiàn)了辦公自動化與工業(yè)自動化的無縫結(jié)合;3)以太網(wǎng)的通信速度從幾十兆可以達(dá)到幾千兆，甚至幾萬兆，可以滿足大量數(shù)據(jù)通信的要求。隨著全集成自動化在工業(yè)中的深入發(fā)展，企業(yè)內(nèi)部設(shè)備、管理、控制一體化將成為工業(yè)控制發(fā)展的主要趨勢。

2 工業(yè)以太網(wǎng)控制網(wǎng)絡(luò)接口硬件設(shè)計(jì)

高低壓開關(guān)設(shè)備智能化控制系統(tǒng)實(shí)行主機(jī)集中管理、現(xiàn)場監(jiān)控節(jié)點(diǎn)分散控制的原則。主機(jī)通過工業(yè)以太網(wǎng)和監(jiān)控節(jié)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)通信，并可通過以太網(wǎng)接入Internet 實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程上網(wǎng)，對多個(gè)現(xiàn)場進(jìn)行集中監(jiān)控;現(xiàn)場監(jiān)控節(jié)點(diǎn)利用工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)構(gòu)成星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，將網(wǎng)絡(luò)劃分成多個(gè)控制網(wǎng)段，防止信息流過大而引起的信息沖突，避免競爭從而提高了網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性。

系統(tǒng)采用DSP經(jīng)網(wǎng)絡(luò)芯片接入以太網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信。硬件設(shè)計(jì)核心部分是DSP處理器TMS320F2407及網(wǎng)絡(luò)接口芯片LAN9115，網(wǎng)絡(luò)芯片經(jīng)隔離單元通過RJ45連接到以太網(wǎng)中。

2.1 TMS320LF2407A

DSP處理器TMS320LF2407A ，具有32位低功耗的定點(diǎn)處理器，有強(qiáng)大的操作能力和迅速的中斷響應(yīng)處理能力，內(nèi)置2.5k字SRAM和32k字Flash ROM，完全可以滿足嵌入式TCP/IP協(xié)議棧的實(shí)現(xiàn)需要。16通道的12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)可以簡化采樣設(shè)計(jì)，56個(gè)獨(dú)立的可編程、多用途通用I/O口，使它既具有數(shù)字信號處理能力，又具有強(qiáng)大的事件管理能力和嵌入式控制功能，特別適用于有大批量數(shù)據(jù)處理的測控場合，如工業(yè)自動化控制、電力電子技術(shù)應(yīng)用、智能化儀器儀表及電機(jī)、馬達(dá)伺服控制系統(tǒng)等。

2.2 網(wǎng)絡(luò)控制器LAN9115

LAN9115是SMSC公司為嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)推出的第三代快速以太網(wǎng)控制器。芯片集成了遵循SMSC/CD協(xié)議的MAC(媒體層)和PHY(物理層)，該以太網(wǎng)控制器片上集成了以太網(wǎng)的MAC和PHY，內(nèi)部PHY可以針對10M/100M通信實(shí)現(xiàn)自動協(xié)商功能;支持10BASE-T和100BASE-TX;支持全雙工與半雙工通信，并能對全雙工通信進(jìn)行流控制;自動產(chǎn)生并檢驗(yàn)32CRC;帶有的高性能SRAM總線接口，方便與主機(jī)進(jìn)行通信。

LAN9115以太網(wǎng)控制器遵循802.3以太網(wǎng)傳輸協(xié)議。該電路還集成了EEPROM接口，自舉時(shí)再通過EEPROM接口輸入到芯片中，從而實(shí)現(xiàn)自動初始化。總線仲裁器(Arbiter)用來監(jiān)視以太網(wǎng)總線的數(shù)據(jù)交流情況，一旦發(fā)生阻塞，仲裁器一方面通過總線接口單元與外部CPU聯(lián)系，另一方面控制內(nèi)存控制單元(MMU)，實(shí)現(xiàn)總線數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)。內(nèi)存控制單元可控制8kB動態(tài)SRAM的存儲情況，實(shí)現(xiàn)與DMA控制器之間的數(shù)據(jù)聯(lián)絡(luò)。DMA控制器與總線控制器一起控制DMA與以太網(wǎng)協(xié)議處理器(EPH)之間的數(shù)據(jù)交換。以太網(wǎng)協(xié)議處理器(EPH)之間的數(shù)據(jù)交換。以太網(wǎng)協(xié)議處理器出來的數(shù)量最終經(jīng)過10Mb/s/100Mb/s的物理層(PHY)直接到達(dá)以太網(wǎng)總線。

2.3 網(wǎng)絡(luò)變壓器YL18-2001S

以太網(wǎng)控制器輸出信號必須要經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)隔離變壓器，再通過RJ45接口連接到以太網(wǎng)中，網(wǎng)絡(luò)隔離變壓器是聯(lián)系以太網(wǎng)芯片(10/100/1000)與終端接口(RJ45)之間的磁性組件，起信號傳輸、阻抗匹配、波形修復(fù)、雜波抑制以及高電壓隔離等作用。

2.4 電源模塊

由于 TMS320LF2407的是3.3V，其他外圍芯片多用到5V，所以電源模塊的設(shè)計(jì)有二種不同的電源輸出。電源經(jīng)MC7805后成為5V電壓，再采用DC-DC芯片LM1117-3.3V引出3.3V的直流電壓。

高精度低電壓監(jiān)控器SP708R其集成有眾多組件，可監(jiān)測系統(tǒng)中的供電及電池的工作情況。SP708R包含一個(gè)看門狗定時(shí)器，一個(gè)復(fù)位模塊，一個(gè)供電失敗比較器，及一個(gè)手動復(fù)位輸入模塊，適用于+3.0V或+3.3V環(huán)境。

2.5 溫濕度采集模塊

溫濕度模擬信號經(jīng)過調(diào)理電路處理后，送到LF2407的片上ADCIN00- ADCIN03中，使得A/D得輸入限制在0～3.3V。DSP采用Fuzzy-PID復(fù)合控制算法對采集的溫濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算以后，通過外部數(shù)據(jù)總線D0-D7輸送給D/A轉(zhuǎn)換器AD7237對執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行輸出控制。

2.6 電氣柜的電器狀態(tài)檢測顯示電路

為了增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾性能，各種電器狀態(tài)通過光耦引入LF2407的輸入引腳IOPE0-IOPE7，存入相應(yīng)的數(shù)據(jù)存儲單元，CPU通過IOPB0-IOPB7送給緩沖驅(qū)動及保持電路SN74HC574，在開關(guān)柜面板上進(jìn)行現(xiàn)場顯示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)的軟件部分主要有DSP對LAN9115的控制和現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集控制兩個(gè)部分組成。

3.1 DSP對LAN9115的控制

3.1.1 初始化

上電后，LAN9115內(nèi)部寄存器的值均設(shè)置為缺省值，DSP首先根據(jù)需要設(shè)置其中的Configuration Base和Individual Address寄存器，以保證電路正確工作。

3.1.2 發(fā)送數(shù)據(jù)包流程

1)DSP向LAN9115發(fā)送命令，將MMUCOM寄存器設(shè)置為0x0020。

2)DSP查詢Interrupt Status寄存器中的ALLOC INT位，直到該位被置成1，，然后等待硬件中斷，并將TX packet number放在Allocation Result寄存器中。

3)將Allocation Result寄存器中的packet number復(fù)制到Packet Number寄存器中，對Pointer寄存器進(jìn)行設(shè)置，然后將數(shù)據(jù)從Upper layer傳送到Data Register。

4)DSP向LAN9115發(fā)送命令，將Packet Number寄存器中的packet number拷貝到TX FIFO，同時(shí)設(shè)置Transmit Control寄存器中的TXENA位，啟動transmitter。

5)當(dāng)控制器傳送完包以后，memory中的第一個(gè)字寫入相應(yīng)的Status Word，然后將TX FIFO中的packet number移到TX completion FIFO，當(dāng)TX completion FIFO不為空時(shí)產(chǎn)生中斷。

6)DSP接收到中斷后，讀入Interrupt Status寄存器，如果產(chǎn)生發(fā)送中斷，則從FIFO ports寄存器讀入packet number，并將它寫入Packet Number寄存器，然后從memory中讀人Status Word，判斷包發(fā)送是否成功。

3.1.3 接收數(shù)據(jù)包流程

1)DSP設(shè)置Receive Control寄存器中的RXEN位，允許接收包。

2)含有正確地址的包被接收到，從MMU請求存儲空間，并分派一個(gè)packet number，并將接收到的字寫到memory中，如果超界，包被丟棄，存儲空間被釋放。

3)DSP接收到中斷后開始執(zhí)行中斷處理程序，如果產(chǎn)生接收中斷，則可從FIFO ports寄存器得到接收包的packet number。當(dāng)處理結(jié)束，DSP向LAN9115發(fā)送命令以釋放使用的存儲空間和packet number。

3.2 現(xiàn)場控制模塊

現(xiàn)場處理控制由自控模塊、手控模塊和參數(shù)設(shè)置模塊三大模塊組成，上電后或運(yùn)行過程中的任何時(shí)候，都可通過按鍵操作，分別切換進(jìn)入各個(gè)模塊。

自控模塊包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)字濾波、標(biāo)度變換、動態(tài)顯示、鍵盤掃描、控制算法、控制輸出和報(bào)警處理8個(gè)子模塊。

4 結(jié)束語

在電氣柜的控制中，由于柜中控制元件很多，留給CPU板的空間有限，而需要顯示的內(nèi)容又很多，本系統(tǒng)顯示、輸入均采用串口芯片，很好的解決了這個(gè)問題，而PID-Fuzzy復(fù)合控制系統(tǒng)對于溫濕度耦合系統(tǒng)具有良好的控制精度。系統(tǒng)并可通過工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)存儲管理以及電氣柜電器動作遠(yuǎn)程控制，對于現(xiàn)場設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)化控制有著較好的參考價(jià)值。

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