Profibus-DP高壓直流輸電現場總線通信系統設計

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的總體結構通常分為三層：運行人員控制層、控制保護設備層、現場測控層，而直流輸電通信系統屬于高壓直流控制保護系統的子系統，主要包含以太網和現場總線兩種通信網絡，其中在控制保護設備層和現場設備主要是Profibus-DP和CAN現場總線通信[1]。西門子的SIMADYN D和TDC系統主要采用的是Profibus-DP，目前我們研制的直流輸電控制系統主要是吸收和借鑒了西門子SIMADYN D的相關技術路線，因為我們已經成功研制了現場具備Profibus-DP從站接口的DFU400系列和DFU600系列的現場測控層裝置等，因此首先要選用Profibus-DP作為現場測控層和控制保護層的通信現場總線。

1 現場總線Profibus-DP技術概述

Profibus-DP（Decentralized Periphery）是一種高速低成本的通信技術，多用于現場層控制系統與分散式I/O的通信。Profibus-DP使用物理層、數據鏈接層和用戶接口，主站周期性地讀取從站的輸入信息并周期性地向從站發送輸出信息，并提供智能化現場設備所需的非周期性通信以進行組態、診斷和報警處理及復雜設備在運行中參數的確定[2]。

Profibus-DP有如下的特點和功能：

（1）實時高速：數據傳輸速率為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

圖2：ECM板卡硬件總體設計框圖

圖3：ECM的軟件功能組成框圖

（3）分布式結構：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-從設備）數為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 高壓直流現場總線通信系統設計

2.1 系統結構及軟硬件配置

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控制平臺系統，該控制保護平臺采用VME64X背板總線、分層、模塊化的體系架構，可以分為：硬件層、系統軟件層（包含運行時系統、功能塊庫及硬件驅動）、工具軟件層，如圖1所示。基于Profibus-DP現場總線的通信系統以HCM3000控制保護平臺為基礎，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軟件平臺。

2.2 ECM板卡的硬件設計與實現

ECM 板卡硬件原理構成。

ECM板卡總體設計如圖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進行數據通信，FPGA 芯片XC3200A 主要實現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板卡的軟件設計與實現

2.3.1 ECM板卡底層軟件設計與實現

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調度器,可進行簡單的不可剝奪的任務調度；

（5）具有內存文件系統RamFS提供存儲臨時文件的功能；

（6）具有通過超級終端的Xmodel協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 通信系統軟件平臺的設計與實現

通信系統軟件平臺的設計主要包括，工具軟件層和系統軟件層兩部分，工具軟件層包括圖形化工程軟件開發工具ViGET，系統軟件層包括運行時系統VxWorks[8-9]。

（1）運行時系統VxWorks。HCM3000 的運行時系統是在實時操作系統是在 VxWorks 的基礎上，經過定制開發，完成對應用程序的多任務優先級調度、用戶異步中斷處理、目標機與工程工具軟件的通信、系統故障診斷、多 CPU 和多任務間數據交互等功能，是管理平臺實時運行的軟件核心[10-12]。

（2）ViGET功能塊庫的設計。ViGET開發工具軟件運行在通用 PC機上，是為工程應用程序開發提供的圖形化開發工具，集成了硬件配置、 通信組態、增強的 CFC編輯器、IEC61131-3標準包含的 5種語言、在線調試、編譯、程序下裝等功能。為工程應用程序的高效、快捷開發，縮短應用開發周期，提供了有力支撐。

ViGET功能塊庫是配合通信系統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境外型設計和運行時系統調用的底層代碼設計兩部分[13]。其中硬件板卡配置功能塊HWCFG、DP通信配置功能塊PROCM、通信收發功能塊CTV_P02和CRV_P02、數據通信寫入讀出功能塊DWR_8BY和DRD_8BY、通信數據檢驗功能塊DTE8等。

3 現場總線通信系統的測試與驗證

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，通過相關功能塊下發到DFU410裝置的繼電器開關命令和 DFU410裝置上傳到HCM3000報文都正確，然后驗證另外兩個從站的發送和接收的數據通過DRD_8BY模塊和DWR_8BY模塊進行雙方的逐個字節發送接收測試都完全正確。

4 結束語

本系統完成了基于HCM3000平臺的Profibus-DP現場總線通信系統的設計，并通過圖形化軟件開發工具ViGET和相關功能塊配合硬件平臺系統，完成了基于ECM主從站板卡的DP現場總線通信及一致性測試驗證,具有通信穩定性好、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展起到關鍵的支撐作用。