Profibus－DP在低壓斷路器智能控制器中的應(yīng)用

彭 磊，李春菊

（湖南工程學院 電氣信息學院，湘潭411101）

0 引 言

斷路器作為電力系統(tǒng)中重要的電氣設(shè)備之一，起著控制、調(diào)節(jié)和保護作用，其可靠性和智能化水平對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定和自動化程度將產(chǎn)生深遠的影響.智能控制器作為智能型斷路器的核心，不僅具有普通脫扣器的各種保護功能，而且還具有實時參數(shù)顯示、故障記憶和查詢、自診斷等多項功能.當前已成為斷路器是否先進的主要標志之一.

現(xiàn)場總線是一種用于智能化現(xiàn)場設(shè)備和自動化系統(tǒng)的開放式、全數(shù)字化、雙向串行、多站或多節(jié)點的通信系統(tǒng)，它給斷路器和低壓配電控制系統(tǒng)及其裝置的發(fā)展帶來了新的機遇.具有網(wǎng)絡(luò)化通信功能，能與多種現(xiàn)場總線連接的智能化、可通信、高性能的新一代智能控制器是今后的主要發(fā)展方向.［1］［2］

1 基于Profibus－DP的低壓斷路器智能控制器系統(tǒng)簡介

1.1 Profibus－DP的特點

Profibus－DP用于傳感器和執(zhí)行器級的高速數(shù)據(jù)傳輸.它以DIN19245的第一部分為基礎(chǔ)，根據(jù)其所需要達到的目標對通信功能加以擴充.DP的傳輸速率可達12Mbit／s，一般構(gòu)成單主站系統(tǒng).主站周期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.主站、從站間采用循環(huán)數(shù)據(jù)傳輸方式工作.總線循環(huán)時間必須要比主站程序循環(huán)時間短.

它的設(shè)計旨在用于設(shè)備級的高速數(shù)據(jù)傳輸.在這一級，中央控制器通過高速串行線同分散的現(xiàn)場設(shè)備進行通信.同這些分散的設(shè)備進行數(shù)據(jù)交換多數(shù)是周期性的.［3］

1.2 系統(tǒng)總體框圖

該低壓斷路器智能控制器采用模塊化結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)測量、分析、執(zhí)行動作、通信等功能.總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示.

圖1 基于Profibus－DP的低壓斷路器智能控制器總體結(jié)構(gòu)框圖

1.3 智能控制器簡介

本文所設(shè)計的低壓斷路器智能控制器其功能簡要概括如下：

（1）三段過電流保護

該功能包括過載長延時、短路短延時、短路瞬時和接地故障延時保護功能.過載長延時保護整定范圍為1.05～1.3倍的額定電流.為了使電網(wǎng)中的保護功能匹配，過載長延時的時間調(diào)整范圍為15～480s，短路短延時保護整定范圍為1.3～10倍的額定電流，其時間調(diào)整范圍為0.1～0.4s.接地保護功能的整定范圍在0.2～0.8倍的額定電流，接地延時故障時間整定范圍為0.1～0.4s.這些時間的調(diào)整可以實現(xiàn)主開關(guān)與各級分支開關(guān)之間保護的配合，以提高系統(tǒng)的可靠性和縮小系統(tǒng)的故障范圍.［4］

（2）通訊功能

在PROFIBUS－DP現(xiàn)場總線中，主站和從站之間采用輪循的通信方式，因此，可實現(xiàn)設(shè)備級控制系統(tǒng)與分散式I／O的通信.充分利用現(xiàn)場總線通訊方式的優(yōu)勢，實現(xiàn)對斷路器的“四遙”操作：遙控、遙測、遙訊、遙調(diào).

（3）顯示及故障記憶功能

在斷路器運行時，適時顯示主電路電流，故障發(fā)生時顯示其保護特性規(guī)定的區(qū)段，并在分斷后鎖存故障，顯示故障電流.在整定時，顯示整定區(qū)段的電流、時間及區(qū)段類別，試驗時顯示試驗電流、延時時間、試驗指示及動作區(qū)段.［5］

2 LPC932A1與SPC3的接口電路設(shè)計

該智能節(jié)點采用德國西門子公司的PROFIBUS－DP現(xiàn)場總線控制器SPC3與65ALS1176總線驅(qū)動器組成通信接口，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信.

SPC3可用于多種CPU，如Intel的51系列和96系列，以及 Motorola的 H11、H16等.設(shè)計中CPU選用PHILIPS公司生產(chǎn)的LPC932A1單片機.它與SPC3的接口電路如圖2所示.

圖2 LPC932A1與SPC3的接口電路

LPC932A1特點是操作頻率的速度是普通標準80C51器件的6倍，高速的指令執(zhí)行時間可只需167ns；片內(nèi)實時時鐘（RTC）可以作為系統(tǒng)時鐘；增強型UART，具有波特率發(fā)生器、間隔檢測、幀錯誤檢查，通用中斷功能；傳輸速率可達到3Mbit／s的SPI通信端口.［6］

SPC3采用5V供電，外部晶振輸入為48 MHz，它與收發(fā)器連接時用于串行通信的四個引腳分別為XCTS、RTS、TXD和RXD.XCTS是SPC3的清除發(fā)送輸入信號引腳，表示允許SPC3發(fā)送數(shù)據(jù)，低電平有效，這里始終接低電平.RTS為SPC3請求發(fā)送信號接收發(fā)器的輸出使能端.RXD和TXD分別為串行接收和發(fā)送端口.

收發(fā)器采用65ALS1176，它是專門為PROFIBUS－DP通信提供的總線驅(qū)動器，允許的最高通信速率可達35Mbit／s，完全可以滿足PROFIBUS－DP現(xiàn)場總線12Mbit／s的要求.另外，在條件比較惡劣的場合下，為提高系統(tǒng)的抗干擾性，SPC3內(nèi)部線路必須與物理接口在電氣上隔離，此處采用速率可達25Mbit／s的HCPL7721高速光耦.

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

PROFIBUS－DP總線協(xié)議完全集成在SPC3中，并且獨立執(zhí)行，則用戶程序主要是對SPC3進行初始化以及對各種中斷事件的處理，因此系統(tǒng)軟件設(shè)計主要包括兩個部分：主應(yīng)用程序和中斷程序.其流程圖分別如圖3和圖4所示.

在SPC3正常工作之前必須對其進行初始化，即對其內(nèi)部參數(shù)寄存器和組織參數(shù)寄存器配置.初始化內(nèi)容包括：定義SPC3寄存器變量名稱，設(shè)置SPC3允許的中斷，寫入從站地址和識別號，設(shè)置SPC3的方式寄存器，設(shè)置參數(shù)緩沖區(qū)、配置緩沖區(qū)、診斷緩沖區(qū)、輔助緩沖區(qū)的初始長度和段基址等.

圖3 主程序流程圖

圖4 中斷程序流程圖

初始化完成后，SPC3則進行參數(shù)設(shè)置和配置檢查，當這兩類報文處理正確則進入數(shù)據(jù)交換狀態(tài).主程序通過主循環(huán)，判斷是否有新的輸出數(shù)據(jù)，有則將新的輸出數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存并處理；同時將數(shù)據(jù)準備好寫入輸入緩沖區(qū).當有外部診斷信息，且有空閑的診斷緩沖區(qū)時，則寫入新的診斷報文數(shù)據(jù)，并請求交換兩個診斷緩沖區(qū).

中斷程序主要完成新的參數(shù)設(shè)置和新的配置報文等.在進入數(shù)據(jù)交換狀態(tài)之前的參數(shù)和配置檢查需要中斷程序來處理.同時，在數(shù)據(jù)交換過程中可以通過中斷改變參數(shù)和配置等.SPC3的中斷輸出作為LPC932A1的外部中斷1，并設(shè)置成優(yōu)先級最高的向量中斷.當LPC932A1檢測到中斷后，則通過讀取SPC3中斷寄存器相應(yīng)位，判斷是何中斷，從而進入對應(yīng)的中斷處理.

同時，在程序設(shè)計中必須注意SPC3的組織寄存器中每個緩沖區(qū)指針都是一個字節(jié)，求取相應(yīng)報文緩沖區(qū)起始地址必須將字節(jié)中存放的段基址左移三位，以獲得正確的11位起始地址.［7］

4 結(jié)束語

結(jié)合Profibus－DP總線和低壓斷路器智能控制器的技術(shù)要求，以LPC932A1為核心，設(shè)計了一種基于Profibus－DP總線的低壓斷路器智能控制器.該設(shè)計方案為智能斷路器的數(shù)據(jù)采集和通信提供了一種有效的實現(xiàn)途徑.

［1］ 程秀光，龍繼芳.智能斷路器Profibus總線系統(tǒng)設(shè)計［J］.低壓電器，2009，（1）：29－31.

［2］ 劉青松，王瑞明，胡 軍.總線式低壓斷路器新型智能控制器的研制［J］.微計算機信息，2009，（2）：45－47.

［3］ 李正軍.現(xiàn)場總線及其應(yīng)用技術(shù)［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2005.

［4］ 丁小偉，王衛(wèi)國，李 芃.基于Profibus－DP協(xié)議的智能斷路器系統(tǒng)設(shè)計［J］.低壓電器，2010，（24）：39－42.

［5］ 曾慶軍，金升福，黃巧亮，等.關(guān)于萬能式斷路器智能控制器［J］.電力自動化設(shè)備，2004，24（2）：79－83.

［6］ 周立功.LPC900系列Flash單片機應(yīng)用技術(shù)（上冊）［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2004.

［7］ 劉成俊，王善永，周勁鷹.PROFIBUS－DP智能從站通信接口的研究和設(shè)計［J］.工業(yè)控制計算機，2007，20（1）：12－13.