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

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）

高壓直流控制保護系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)通常分為三層：運行人員控制層、控制保護設(shè)備層、現(xiàn)場測控層，而直流輸電通信系統(tǒng)屬于高壓直流控制保護系統(tǒng)的子系統(tǒng)，主要包含以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線兩種通信網(wǎng)絡(luò)，其中在控制保護設(shè)備層和現(xiàn)場設(shè)備主要是Profibus-DP和CAN現(xiàn)場總線通信[1]。西門子的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子SIMADYN D的相關(guān)技術(shù)路線，因為我們已經(jīng)成功研制了現(xiàn)場具備Profibus-DP從站接口的DFU400系列和DFU600系列的現(xiàn)場測控層裝置等，因此首先要選用Profibus-DP作為現(xiàn)場測控層和控制保護層的通信現(xiàn)場總線。

1 現(xiàn)場總線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)場設(shè)備所需的非周期性通信以進行組態(tài)、診斷和報警處理及復(fù)雜設(shè)備在運行中參數(shù)的確定[2]。

Profibus-DP有如下的特點和功能：

（1）實時高速：數(shù)據(jù)傳輸速率為9.6 k-12 Mbit/s，有較高的實時性；

（2）遠距離：12 Mbps時最遠距離為100m，1.5 Mbps時為200m，可用中繼器延長至10km；

圖1：HCM3000控制保護平臺的體系架構(gòu)

圖2：ECM板卡硬件總體設(shè)計框圖

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（主-從設(shè)備）數(shù)為126。

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

2 高壓直流現(xiàn)場總線通信系統(tǒng)設(shè)計

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）控制保護的高性能工業(yè)控制平臺系統(tǒng)，該控制保護平臺采用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（包含運行時系統(tǒng)、功能塊庫及硬件驅(qū)動）、工具軟件層，如圖1所示。基于Profibus-DP現(xiàn)場總線的通信系統(tǒng)以HCM3000控制保護平臺為基礎(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。

2.2 ECM板卡的硬件設(shè)計與實現(xiàn)

ECM 板卡硬件原理構(gòu)成。

ECM板卡總體設(shè)計如圖2所示，包括XE167主控CPU，兩個主（從）站模塊，以及兩個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接口的標準VME從板卡。

Profibus-DP主站模塊和從站模塊主要采用德國赫優(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，可以方便的通過外加CAN的隔離驅(qū)動芯片增加兩路CAN通信接口，ECM板卡和主EPU板卡之間通過IDT70V09雙端口RAM進行數(shù)據(jù)通信，F(xiàn)PGA 芯片XC3200A 主要實現(xiàn)VME從接口，主EPU板卡和ECM 板卡之間主要通過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通信測試CFC程序

2.3 ECM板卡的軟件設(shè)計與實現(xiàn)

2.3.1 ECM板卡底層軟件設(shè)計與實現(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）通過超級終端利用簡單命令行(mini_shell)方式提供板卡配置和診斷功能；

（4）提供軟件定時器TSM調(diào)度器,可進行簡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提供存儲臨時文件的功能；

（6）具有通過超級終端的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）軟件具有軟件看門狗功能(watch dog)功能，軟件故障自動重新啟動功能。

2.3.2 通信系統(tǒng)軟件平臺的設(shè)計與實現(xiàn)

通信系統(tǒng)軟件平臺的設(shè)計主要包括，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發(fā)工具ViGET，系統(tǒng)軟件層包括運行時系統(tǒng)VxWorks[8-9]。

（1）運行時系統(tǒng)VxWorks。HCM3000 的運行時系統(tǒng)是在實時操作系統(tǒng)是在 VxWorks 的基礎(chǔ)上，經(jīng)過定制開發(fā)，完成對應(yīng)用程序的多任務(wù)優(yōu)先級調(diào)度、用戶異步中斷處理、目標機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，是管理平臺實時運行的軟件核心[10-12]。

（2）ViGET功能塊庫的設(shè)計。ViGET開發(fā)工具軟件運行在通用 PC機上，是為工程應(yīng)用程序開發(fā)提供的圖形化開發(fā)工具，集成了硬件配置、 通信組態(tài)、增強的 CFC編輯器、IEC61131-3標準包含的 5種語言、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、快捷開發(fā)，縮短應(yīng)用開發(fā)周期，提供了有力支撐。

ViGET功能塊庫是配合通信系統(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)計和運行時系統(tǒng)調(diào)用的底層代碼設(shè)計兩部分[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)通信寫入讀出功能塊DWR_8BY和DRD_8BY、通信數(shù)據(jù)檢驗功能塊DTE8等。

3 現(xiàn)場總線通信系統(tǒng)的測試與驗證

測試原理如圖4所示配置在一個HCM3000機箱里面配置一個ECM10A板卡為主站板卡，下面掛接DFU410測控裝置，ECM11A從站板卡，PFB從站板卡，然后通過工程工具ViGET進行CFC編程驗證ECM10A主站板卡和ECM11A從站板卡所對應(yīng)的通信功能運行是否正確。

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上對主站ECM10A板卡進行CFC編程如圖7所示。

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

4 結(jié)束語

本系統(tǒng)完成了基于HCM3000平臺的Profibus-DP現(xiàn)場總線通信系統(tǒng)的設(shè)計，并通過圖形化軟件開發(fā)工具ViGET和相關(guān)功能塊配合硬件平臺系統(tǒng)，完成了基于ECM主從站板卡的DP現(xiàn)場總線通信及一致性測試驗證,具有通信穩(wěn)定性好、運行速度快、人機交互性好、可視化等特點，對我國的直流輸電工程的研究和發(fā)展起到關(guān)鍵的支撐作用。