基于Profibus-DP總線的調功電源系統設計

孫曙光，劉 策，王秋萌，杜太行

（河北工業大學 控制科學與工程學院，天津 300130）

0 引言

晶閘管調整器主要用于各種電加熱裝置的加熱功率調整．三相晶閘管調整器作為功能完整的電功率調整單元產品廣泛應用于工業各領域的電壓、電流、功率的調節．特別是在恒溫控制加熱系統中更體現出了它廣泛的應用價值和實用性．

基于Profibus-DP總線構成分布式調功電源系統，PLC主站作為主控單元，分配每臺從站的控制量，單個調整器作為從站[1]，通過DP通訊接收主站的控制量實現對晶閘管的開通與關斷控制，從而達到對負載的電流的調節控制，當需要擴充系統的功率時，只需增加從站的數量即可．

1 晶閘管調整器工作原理以及調功電源系統構成

三相晶閘管調整器的主電路結構如圖1所示，包括主電路以及控制電路部分；兩只反并聯的晶閘管作為各相開關器件，詳見圖4所示，由單片機控制器根據當前的給定控制量，發出控制指令，操控晶閘管實現電源與負載的接入與切除．實現負載電流的調整．

每臺從站均為一獨立的晶閘管調整器，晶閘管調整器一般有兩種控制方式，一種為移相觸發方式，另一種為占空比平均分配控制方式，本文選取占空比平均分配方式，即由單片機控制器根據當前的開關占空比，在單位時間內，一般為100個工頻周期長度，平均分配交流電導通與關斷工頻周期的次數，實現對加熱電流的調整，需要在電流過零點觸發晶閘管導通．主從站拓撲結構如圖2所示．

圖1 晶閘管調整器主電路結構圖Fig.1 Main circuit structureof thyristor regulator

圖2 主站與從站結構圖Fig.2 Thestructureof themaster station and theslavestation

本系統使用S7-400 CPU416-2DP做主站，SPC3做從站，通過編寫本設備的GSD文件，并將其加入到組態軟件中實現組態從站的通訊接口[2-3]．該GSD文件是對該設備的一般描述，GSD文件中描述支持多種常用的波特率，并設置了輸入輸出的數據長度．系統上電后進入profibus組態階段，若組態成功，則進入數據交換狀態．在數據交換過程中，PLC與從站每兩秒進行一次數據交換，其中數據幀含義如表1所示．

表1 主站與從站數據交換數據格式Tab.1 Data exchange format between themaster station and theslave

2 從站軟硬件設計

2.1 硬件設計

系統選用STC12C5A60S2型號單片機作為從站主控制器，SPC3為通信控制器，為雙處理器結構，該單片機是宏晶科技生產的單時鐘/機器周期（1T）的單片機，是高速、低功耗、超強抗干擾的新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統8051，但速度快8-12倍[4].

2.1.1 系統電源設計

變壓器有2路輸出：有效值為7.5V的輸出經整流橋再經7805穩壓芯片輸出+5V給SPC3的通訊光耦供電；另一路有效值為14 V的輸出經單相整流再經過7815和7915穩壓芯片輸出+15 V、-15 V給采集電路的運放供電．+15 V經7805穩壓芯片輸出5 V供電路中的包括單片機在內的其它芯片供電．

2.1.2 驅動接口電路設計

驅動電路如圖3所示，單片機輸出觸發脈沖經驅動電路觸發負載電路中的晶閘管，光電耦合器輸出邊的雙向可控硅是一無源器件，觸發電源取自主回路電源，簡單可靠體積小，是目前應用較多的一種方式．

2.1.3 通訊接口電路設計

此部分的電路為單片機和SPC3的DP通訊接口設計．從站控制器單片機的DP通訊接口設計中的協議芯片為SPC3芯片，SPC3有8根數據總線和11根地址總線，其中低8位地址線與數據線復用，可以接80C32、80C166、80C165、HC11、HC16、HC196等單片機．芯片配置是借助SPC3的兩個輸入引腳XINT/MOT和MODE進行的．XINT/MOT表示Intel和Motorola等芯片類別．MODE表示SPC3的工作模式,其中包括同步和異步．當其工作在同步模式時，SPC3的XREADY引腳無效．SPC3具有1.5 kB RAM的片上數據信息存儲緩沖器．

圖3 驅動電路Fig.3 Thedrivecircuit

本文中使用的單片機是STC12C5A60S2，其與SPC3的接口電路如圖4所示．

圖4 DP通訊接口電路設計原理圖Fig.4 Thecircuit design schematic diagram of DPcommunication interface

應當注意的是，當SPC采用Intel芯片工作于同步模式時，內部有自己的地址鎖存及解碼電路，所以CPU的低8位地址線可不經過鎖存器，而是直接與SPC3連接．CPU與SPC3通過SPC3的雙口RAM交換數據，其作為單片機的外部存儲空間尋址．由于STC12C5A60S2片內集成了1280字節的RAM，所以把P2.4信號取反，SPC3的首地址單元為1000H，尋址空間為1000H-15FFH，與單片機RAM空間區分；同時AB8-AB10必須為低．SPC3用于進行串行通信的4個管腳分別為XCTS、RTS、TXD和RXD。XCTS的含義為清除發送，是SPC3的輸入信號，表示允許SPC3發送數據．此信號為低電平有效，且應一直維持低電平．RTS為SPC3的請求發送信號，通常接到收發器的輸出使能端．RXD和TXD分別為串行接收和發送端口．為提高系統的抗干擾性，SPC3內部線路必須與MAX485物理接口在電氣上隔離，本文選用支持25M波特率的HCPL-7720光耦．

2.2 軟件設計流程

軟件設計中的程序結構包括主程序與中斷程序，SPC3的初始化程序應放在主程序中，如圖5所示，SPC3上電復位之后，在正常工作之前必須進行初始化，以配置各個寄存器．

CPU可以采取查詢和中斷兩種方式接收主站數據：

1）當SPC3在接收到由Profibus主站傳送的不同輸出數據時，會產生輸出標志位，CPU可以通過在應用循環中輪詢標志位進行接收主站數據．

2）中斷處理程序用于處理SPC3發生的各種事件，包括：新的參數報文事件、全局控制命令報文事件、進入或退出數據交換狀態事件、新的配置報文事件、新的地址設置報文事件、監測到波特率事件和看門狗溢出事件[5].在西門子公司提供的 SPC3源程序中的函數 SPC3_SET_IND(GO_LEAVE_DATA_EX|WD_DP_MODE_TIMEOUT|NEW_GC_COMMAND|NEW_SSA_DATA|NEW_CFG_DATA|NEW_PRM_DATA|BAUDRATE_DETECT)中加入DX_OUT，當SPC3接收到數據后便產生中斷信號．由其XINT引腳輸出接至單片機的外部中斷0引腳，實現數據中斷接收，從而單片機執行外部中斷0進行數據的讀取，中斷處理流程如圖6所示[6]．

圖5 主程序流程圖Fig.5 The flow chart

圖6 外部中斷0流程圖Fig.6 The flow chart of main program of external interrupt 0

外部中斷1執行的就是系統的核心控制程序．由觸發信號為與線電壓同步的信號外觸發，周期為10ms，以實現晶閘管的過零觸發，實現開關機處理、故障處理、讀取控制量、軟啟動、以及占空比平均分配和觸發信號輸出等功能，如圖7所示；開關周期占空比平均分配算法流程如圖8所示，由給定占空比大小，計算當前工頻周期開斷狀態，根據開斷狀態輸出控制信號，控制晶閘管．

為減小開關機，負載電流突然加入與消除的沖擊作用，抑制對變壓器以及負荷的機械力[7]，設計了軟啟動與軟關斷功能，以軟啟動為例，具體實現如下所示，占空比變量 經過一個慣性環節輸出后，再實現占空比的平均分配，慣性環節的時間常數為10s，由于本系統控制周期為2s.則由式 (1)變為式 (2)，變換為相應的差分方程，得到慣性環節輸入與輸出量之間的數學關系為式 (3)．這樣通過慣性環節的引入，延緩了開關機時占空比的突變，減小了沖擊作用．

3 實驗分析

在實際實驗中，從站的數量為3臺，分別為額定電流為150A，200A與400A的晶閘管調整器，從站地址分別為3#、4#與5#，由于實驗室條件有限，實際負載為燈箱負載，星形連接，PLC對3臺從站設備實時占空比控制量為40%、50%、80%，圖9、10、11分別為各從站設備的A相電流波形，由圖中可以看出，該系統實現了對各臺從站設備負載電流占空比平均分配的準確控制．

4 結論

本文設計了基于Profibus-DP總線的調功電源系統，并主要對調功電源系統的智能從站以及其接口單元進行軟硬件設計，實現了晶閘管調整器基于DP總線的分布式控制，此外從站單元的基于過零觸發的占空比平均分配的準確控制可以避免加熱設備對電網的諧波污染．以上均為實現更加完善合理的分布式調功電源系統打下了良好的基礎．

圖7 外部中斷1流程圖Fig.7 Theflow chart of external interrupt 1

圖8 占空比算法Fig.8 Thealgorithm of theduty ratio

圖9 占空比為40%的A相電流波形Fig.9 A phasecurrent waveforms of 40%

圖10 占空比為50%的A相電流波形Fig.10 A phasecurrent waveforms of 50%duty ratio

圖11 占空比為80%的A相電流波形Fig.11 A phasecurrent waveforms of 80%duty ratio

[1]張強．采用SPC3設計Profibus-DP智能從站 [J]．自動化儀表，2005，26（3）：15-18．

[2]候維巖，費敏銳．PROFIBUS協議分析和系統應用 [M]．北京：清華大學出版社，2006．

[3]劉素英．基于PROFIBUS總線的單主站PLC控制系統實時性能研究 [D]．西安：西安電子科技大學，2009．

[4]趙志峰，陳湘萍．基于STC12C5A60S2的RS-232串口數據分析器設計 [J]．現代計算機，2010，12（3）：102-103．

[5]王保永，汪鵬，盧宏軍．基于PROFIBUS的智能接口芯片SPC3及其應用 [J]．國外電子元器件，2005（3）：24-26．

[6]曹晶，方康玲，廖煥柱．PROFIBUS-DP從站接口設計 [J]．計算機與信息技術，2009，16（11）：5-8．

[7]宋冬冬，馬玉泉，林紅舉．智能電力調整器的設計與實現 [J]．河北科技師范學院學報，2012，26（3）：438．