第5章 PROFIBUS-DP从站的系统设计

第5章PROFIBUS-DP从站的系统设计PROFIBUS-DP从站的开发设计分两种，一种就是利用现成的从站接口模块开发。另一种则是利用芯片进行深层次的开发。对于简单的开发如远程IO测控，用LSPM系列就能满足要求，但是如果开发一个比较复杂的智能系统，那么最好选择SPC3。本章首先以PMM2000电力网络仪表为例，详细讲述采用SPC3进行PROFIBUS-DP从站的开发设计过程，然后介绍了PMM2000电力网络仪表在数字化变电站中的应用。最后讲述了PROFIBUS-DP从站的测试方法5.1PMM2000电力网络仪表概述PMM2000系列数字式多功能电力网络仪表由有莱恩达公司生产，本系列仪表共分为四大类别：标准型、经济型、单功能型、户表专用型。PMM2000系列电力网络仪表采用先进的交流采样技术及模糊控制功率补偿技术与量程自校正技术，它以32位嵌入式微控制器为核心，采用双CPU结构，是一种集传感器、变送器、数据采集、显示、遥信、遥控、远距离传输数据于一体的全电子式多功能电力参数监测网络仪表。该系列仪表能测量三相三线、三相四线（低压、中压、高压）系统的电流（Ia、Ib、Ic、In）、电压（Ua、Ub、Uc、Uab、Ubc、Uca）、有功电能（kWh）、无功电能（kvarh）、有功功率（kW）、无功功率（kvar）、频率（Hz）、功率因数（PF%）、视在功率S（kVA）、电流电压谐波总含量（THD）、电流电压基波和2~31次谐波含量、开口三角形电压、最大开口三角形电压、电流和电压三相不平衡度、电压波峰系数CF、电话波形因数THFF、电流K系数等电力参数，同时具有遥信、遥控功能及电流越限报警、电压越限报警、DI状态变位等SOE事件记录信息功能。该系列仪表既可以在本地使用，又可以通过PROFIBUS-DP现场总线、RS-485（MODBUS-RTU）、CANBUS现场总线、M-BUS仪表总线或TCP/IP工业以太网组成高性能的遥测遥控网络。PMM2000数字式电力网络仪表的外形如图5-1所示。5.1PMM2000电力网络仪表概述a)LED显示b)LCD显示图5-1PMM2000数字式电力网络仪表的外形图5.2PROFIBUS-DP通信模块的硬件电路设计PMM2000电力网络仪表总体结构如图5-2所示。主要由STM32主板、开关电源模块、三相交流电流输入模块、三相交流电压输入模块、PROFIBUS-DP通信模块、LCD/LED显示模块和按键组成。图5-2PMM2000电力网络仪表总体结构STM32主板以ST公司的STM32F103或STM32F407嵌入式微控制器为核心，其功能是实现配电系统的三相交流电流和电压信号的数据采集，并计算出电力参数进行显示，同时把计算出的电力参数通过SPI通信接口发送到PROFIBUS-DP通信模块。三相交流电流输入模块的功能是对三相配电系统的交流电流信号进行处理，经电流互感器CT，将电流信号送往STM32微控制器的AD转换器进行交流采样。三相交流电源输入模块的功能是对三相配电系统的交流电流信号进行处理，经电压互感器PT，将电压信号送往STM32微控制器的AD转换器进行交流采样。开关电源模块的功能是提供+5V、-15V、+15V等直流电源。PROFIBUS-DP通信模块的功能是将STM32主板测量的电力参数上传到PROFIBUS-DP主站。另外，LCD/LED显示模块和按键是人机接口。5.2PROFIBUS-DP通信模块的硬件电路设计图5-2PMM2000电力网络仪表总体结构SPC3通过一块内置的1.5kB双口RAM与CPU接口，它支持多种CPU，包括Intel、Siemens、Motorola等。PROFIBUS-DP通信模块主要由Philips公司的P87C51RD2微控制器、Siemens公司的SPC3从站控制器和TI公司的RS-485通信接口65ALS1176等组成。SPC3与P89V51RD2的接口电路如图5-3所示。SPC3中双口RAM的地址为1000H~15FFH。5.2PROFIBUS-DP通信模块的硬件电路设计SPC3与P89V51RD2的接口电路如图5-3所示。SPC3中双口RAM的地址为1000H~15FFH。图5-3SPC3与P89V51RD2的接口电路5.2PROFIBUS-DP通信模块的硬件电路设计PROFIBUS接口数据通过RS-485传输，SPC3通过RTS、TXD、RXD引脚与电流隔离接口驱动器相连。PROFIBUS-DP的RS-485传输接口电路如图5-4所示。为了提高系统的抗干扰能力，SPC3通过了光电耦合器与PROFIBUS-DP总线相连，PROFIBUS-DP总线的通信速率较高，所以要选择传输速率比较高的光电耦合器，本电路选择AGILENT公司的高速光电耦合器HCPL0601和HCPL7721，RS-485总线驱动器也要满足高通信速率的要求，本电路选择TI公司的高速RS-485总线驱动器65ALS1176，能够满足PROFIBUS-DP现场总线12Mbit/s的通信速率要求。PROFIBUS接口是一带有下列引脚的9针D型接插件，引脚定义如下：引脚1：Free引脚2：Free引脚3：B线引脚4：请求发送（RTS）引脚5：5V地（M5）引脚6：5V电源（P5）引脚7：Free引脚8：A线引脚9：Free必须使用屏蔽线连接接插件，根据DIN19245,Freepin可选用。如果使用，必须符合DIN19245标准。5.2PROFIBUS-DP通信模块的硬件电路设计在图5-4中，74HC132为施密特与非门。图5-4PROFIBUS-DP的RS-485传输接口电路5.3PROFIBUS-DP通信模块从站软件的开发SPC3的软件开发难点是在系统初始化时对其64字节的寄存器进行配置，这个工作必须与设备的GSD文件相符。否则将会导致主站对从站的误操作。这些寄存器包括输入、输出、诊断、参数等缓存区的基地址以及大小等等，用户可在器件手册中找到具体的定义。当设备初始化完成后，芯片开始进行波特率扫描，为了解决现场环境与电缆延时对通信的影响，Siemens所有PROFIBUSASICs芯片都支持波特率自适应，当SPC3加电或复位时，它将自己的波特率设置最高，如果设定的时间内没有接收到三个连续完整的包，则将它的波特率调低一个档次并开始新的扫描，直到找到正确的波特率为止。当SPC3正常工作时，它会进行波特率跟踪，如果接收到一个给自己的错误包，它会自动复位并延时一个指定的时间再重新开始波特率扫描，同时它还支持对主站回应超时的监测。当主站完成所有轮询后，如果还有多余的时间，它将开始通道维护和新站扫描，这时它将对新加入的从站进行参数化，并对其进行预定的控制。SPC3完成了物理层和数据链路层的功能，与数据链路层的接口是通过服务存取点来完成的，SPC3支持10种服务，这些服务大部分都由SPC3来自动完成，用户只能通过设置寄存器来影响它。SPC3是通过中断与微控制器进行通信的，但是微控制器的中断显然不够用，所以SPC3内部有一个中断寄存器，当接收到中断后再去寄存器查中断号来确定具体操作。5.3PROFIBUS-DP通信模块从站软件的开发在开发完从站后一定要记住GSD文件要与从站类型相符，比方说，从站是不许在线修改从站地址的，但是GSD文件是： Set_Slave_Add_supp=1（意思是支持在线修改从站地址）那么在系统初始化时，主站将参数化信息送给从站，从站的诊断包则会返回一个错误代码“Diag.Not_SupportedSlavedoesn’tsupportrequestedfunction”。下面详细讲述基于P89V51RD微控制器和SPC3通信控制器的PROFIBUS-DP从站通信的主要程序设计。5.3.1SPC3通信控制器与P89V51RD2微控制器的地址定义5.3.1SPC3通信控制器与P89V51RD2微控制器的地址定义5.3.1SPC3通信控制器与P89V51RD2微控制器的地址定义5.3.1SPC3通信控制器与P89V51RD2微控制器的地址定义5.3.1SPC3通信控制器与P89V51RD2微控制器的地址定义5.3.1SPC3通信控制器与P89V51RD2微控制器的地址定义5.3.1SPC3通信控制器与P89V51RD2微控制器的地址定义5.4PMM2000电力网络仪表从站的GSD文件5.4.1GSD文件的组成PROFIBUS-DP设备具有不同的性能特性。特性的不同在于其功能（即I/O信号的数量和诊断信息）的不同或总线参数不同。这些参数对每种设备类型和生产厂商来说各有差别。为了达到PROFIBUS-DP简单的即插即用配置，这些特性均在电子数据单中具体说明，有时称为设备数据库文件或GSD文件。标准化的GSD数据将通信扩大到操作员控制一级，使用基于GSD的组态工具可将不同厂商生产的设备集成在一个总线系统中，简单且用户界面友好。对一种设备类型的特性，GSD以一种准确定义的格式给出其全面而明确的描述。GSD文件由生产厂商分别针对每一种设备类型，以设备数据库清单的形式提供给用户，此种明确定义的文件格式便于读出任何一种PROFIBUS-DP从站的设备数据库文件，并且在组态总线系统时自动使用这些信息。在组态阶段，系统自动地对输入与整个系统有关的数据的输入误差和前后一致性进行检查核对。5.4.1GSD文件的组成GSD分为以下三部分。（1）总体说明包括厂商和设备名称、软硬件版本情况、支持的波特率、可能的监控时间间隔及总线插头的信号分配。（2）DP主设备相关规范包括所有只适用于DP主设备的参数（例如可连接的从设备的最多台数或加载和卸载能力）。从设备没有这些规定。（3）从设备的相关规范包括与从设备有关的所有规定（例如I/O通道的数量和类型、诊断测试的规格及I/O数据的一致性信息）。所有PROFIBUS-DP设备的GSD文件均按PROFIBUS标准进行了符合性试验，在PROFIBUS用户组织的WWWServer中有GSD库，可自由下载，网址为：http//。5.4.2GSD文件的特点每种类型的DP从设备和每种类型的1类DP主设备一定有一个标识号。主设备用此标识号识别哪种类型设备连接后不产生协议的额外开销。主设备将所连接的DP设备的标识号与在组态数据中用组态工具指定的标识号进行比较，直到具有正确站址的正确的设备类型连接到总线上后，用户数据才开始传送。这可避免组态错误，从而大大提高安全级别。厂商必须为每种DP从设备类型和每种1类DP主设备类型向PROFIBUS用户组织申请标识号。各地区办事处均可领取申请表格。GSD文件具有如下特点：⑴在GSD文件中，描述每一个PROFIBUS-DP设备的特性。⑵每个设备的GSD文件用设备的电子数据单来表示。⑶GSD文件包含所有设备的特定参数，如：支持的波特率；支持的信息长度；输入/的数据量；诊断信息的含义。⑷GSD文件由设备制造商建立。⑸每一个设备类型分别需要一个GSD文件。⑹PROFIBUS用户组织提供GSD编辑程序，它使得建立GSD文件非常容易。⑺GSD编辑程序包括GSD检查程序，它确保GSD文件符合PROFIBUS标准。5.4.4GSD文件的编写要点在GSD文件中，需要注意以下几点：⑴标识号应该从PROFIBUS用户组织申请，在GSD文件中设定的标识号和在从站的程序中设定的标识号一致。⑵Max_Output_Len，Max_Input_Len的设定应该能满足从站的要求。比如从站要求有8个字节的输入数据和8个字节的输出数据，可以设定Max_Output_Len＝8，Max_Input_Len＝8，Max_Data_Len的值设定为Max_Output_Len和Max_Input_Len之和。⑶8个字节的输入和8个字节输出是在下面一条语句中实现的：⑷16个字节的输入和16个字节输出是在下面一条语句中实现的Module="8ByteOut,8ByteIn"0x27,0x17;8字节输入，8字节输出EndModuleModule="8ByteOut,8ByteIn"0x27,0x27,0x17,0x17;16字节输入，16字节输出EndModule5.4.4GSD文件的编写要点其它的长度的字节个数设计方法与此类似，可以参考如图5-5所示的输入和输出字节个数的定义格式。图5-5输入和输出字节个数的定义格式GSD文件是ASCII格式的，可以由任何文本编辑器编写，通过标准的关键词描述设备属性。GSD文件创建以后，必须通过GSDChecher检查文件的正确性，GSDChecker可以从网站上下载。如果GSD文件中有错误，GSD文件将标出错误所在的行，如果没有错误，GSDCheker显示GSD()OK。设备生产商提供针对各自设备的GSD文件，和产品一起提供给用户。配置工具中也提供部分GSD文件，一些GSD文件可以通过以下途径得到。通过Internet：网站http://www.ad.siemens.de提供西门子公司的所有GSD文件通过PNO（PROFIBUSTradeOrganizaton）：网站hppt://5.5PMM2000电力网络仪表在数字化变电站中的应用5.5.1PMM2000电力网络仪表的应用领域PMM2000系列数字式多功能电力网络仪表主要应用领域如下：⑴变电站综合自动化系统。⑵低压智能配电系统。⑶智能小区配电监控系统。⑷智能型箱式变电站监控系统。⑸电信动力电源监控系统。⑹无人值班变电站系统。⑺市政工程泵站监控系统。⑻智能楼宇配电监控系统。⑼远程抄表系统。⑽工矿企业综合电力监控系统。⑾铁路信号电源监控系统。⑿发电机组/电动机远程监控系统。5.5.2iMeaCon数字化变电站后台计算机监控网络系统现场的变电站根据分布情况分成不同的组，组内的现场I/O设备通过数据采集器连接到变电站后台计算机监控系统。若有多个变电站后台计算机监控网络系统，总控室需要采集现场I/O设备的数据，现场的变电站后台计算机监控网络系统被定义为“服务器”，总控室后台计算机监控网络系统需要采集现场I/O设备的数据，通过访问服务器即可。iMeaCon计算机监控网络系统软件基本组成如下：①系统图能显示配电回路的位置及电气联接。②实时信息根据系统图可查看具体回路的测量参数。③报表配出回路有功电能报表（日报表、月报表和配出回路万能报表）。④趋势图形显示配出回路的电流和电压。⑤通信设备诊断现场设备故障在系统图上提示。5.5.2iMeaCon数字化变电站后台计算机监控网络系统⑥报警信息查询报警信息可查询，报警发生时间、报警恢复时间、报警确认时间、报警信息打印、报警信息删除等。⑦打印能够打印所有的报表。⑧数据库有实时数据库、历史数据库。⑨自动运行计算机开机后自动运行软件。⑽系统管理和远程接口有密码登录、注销、退出系统等管理权限，防止非法操作。通过局域网TCP/IP，以OPCServer的方式访问。iMeaCon计算机监控网络系统的网络拓扑结构如图5-6所示。5.5.2iMeaCon数字化变电站后台计算机监控网络系统图5-6iMeaCon计算机监控网络系统的网络拓扑结构5.6PROFIBUS-DP从站的测试方法如果已经设计好了完成某种功能的PROFIBUS-DP从站，就可以对从站的性能进行测试了。测试PROFIBUS-DP从站，PROGIBUS-DP主站可以采用SIEMENS公司的CP5611网络通信接口卡和PC计算机及配套软件。也可以采用SIEMENS公司PLC，如