智能断路器接入Profibus总线系统的新方法

陈思敏，李 奎，王丽丽，韩 松

(河北工业大学电气学院，天津 300130)

0 引言

目前，国内市场上的智能断路器大多都采用Modbus协议通信，通信速率不高，最大仅为38.4 Kb/s，而Profibus的通信速率为9.6 Kb/s～12 Mb/s，最高可达12 Mb/s，但具有Profibus接口的智能断路器大部分为国外产品，且价格昂贵。

对于国内市场状况而言，用带有Profibus接口的新产品代替原有的带Modbus接口的智能断路器不符合实际情况。除此之外，国内外也开发出Modbus-Profibus总线桥产品，但其价格昂贵[1]。因此，为了使现有的带有RS485接口的智能断路器能直接接入Profibus总线，提出了一种智能断路器接入Profibus总线系统的新方法，有效提高远程访问智能断路器的通信速率，实现Profibus总线对智能断路器进行遥测、遥控、遥讯、遥调功能。

1 Profibus系统结构

1．1Profibus系统组成

Profibus由Profibus-DP、Profibus-FMS、Profibus-PA系列组成，文章采用Profibus-DP系列。Profibus-DP主站有一类主站(DPM1)和二类主站(DPM2)，DPM1在预定的周期内与分散节点交换信息，如PLC、PC+CP5611；DPM2属于编程装置、诊断和管理设备，完成非周期性数据访问。DP从站主要完成输入、输出信息的采集与发生，主要为I/O设备、驱动器和现场设备。Profibus支持主-从系统、纯主站系统、多主多从混合系统等几种传输方式。在主-从系统中只有当主站请求时总线上的DP从站才可能活动。DP主站与DP从站之间的用户数据连续地交换，而并不考虑用户数据的内容。

图1为Profibus系统示意图。

图1 Profibus系统示意图

其中Profibus主站由PLC或PC+CP5611组成，Profibus从站为具有Profibus接口模块的智能断路器，接入Profibus高速总线中。主站与从站之间采用严格的主从通信方式，即主站向从站发送命令，从站根据主站的命令被动地响应。Profibus主站通过组态设置智能断路器的工作参数，建立通信关系后进行数据交换。智能断路器将检测到的所有电能信息通过Profibus接口模块高速传输给Profibus主站，主站对智能断路器反馈的信息进行分析并显示于监控界面，同时主站可以控制智能断路器的分、合闸；智能断路器若遇到故障，将发送诊断数据给主站，主站将对其作相应处理。

1．2Profibus接口模块的设计

Profibus接口模块作为智能断路器的核心单元，其结构框图如图2所示。其由单片机W77E615、协议芯片SPC、Profibus总线驱动芯片ADM2486、Modbus总线驱动芯片SN65LBC184、外部存储器IS65C256AL以及拨码开关、双隔离电源模块等组成。

图2 Profibus接口结构框图

MCU选用W77E516，其功能强大，具有支持ISP功能的64 KB Flash EPROM，4 KB的辅助Flash EPROM，3个16位定时/计数器以及一个全双工串行口等。为了方便开发人员进行编写和验证，该芯片允许电编程和电读写，同时ISP功能方便开发人员对焊接好的电路板进行调试。

SPC3是一款集成完整Profibus协议的智能通信芯片，支持PROFIBUS DPV0，PROFIBUS DPV1及PROFIBUS DPV2。其对于MCU而言，为其的一个外部RAM，分担了MCU的工作量；对于开发者而言，无需了解Profibus协议详细内容就可进行从站开发，有效地降低开发难度、缩短开发时间。

Profibus接口电路采用AMD2486高速收发芯片，该芯片采用了最新的iCoupler隔离技术，在性能、功耗、体积等各方面具有极高的优势，温度范围可达-40～85 ℃，其传输速率最高达20 Mbit/s、隔离电压高达2 500 V，完全满足Profibus总线通信的要求，无需任何分立元件就可以实现RS485通信功能[2-3]。

拨码开关的前七位用来设置从站智能断路器的地址，当Profibus接口模块作为单独使用连接其他Modbus设备时，第八位用来设置接口模块与Modbus设备之间的通信速率。

Profibus接口模块的工作过程如下：

Profibus主站输出数据通过Profibus总线驱动芯片传送到SPC3协议芯片，MCU通过地址、数据总线对协议芯片SPC3进行读写操作，将数据转换为Modbus协议格式数据并通过Modbus驱动芯片将数据传送到智能断路器。智能断路器将响应的数据通过Modbus驱动芯片传送到MCU，MCU对其进行处理后，将转换后的数据通过SPC3协议芯片自动转换为Profibus协议数据，通过Profibus总线驱动芯片传输到Profibus主站上[4]。

2 智能断路器与Profibus主站通信过程

智能断路器接入Profibus总线系统的方法的主要特点在于智能断路器的Profibus接口模块的设计以及智能断路器与Profibus主站通信的软件实现。通过Profibus接口模块将智能断路器挂接到Profibus总线上，实现智能断路器与Profibus主站之间数据的高速传输，避免了以Modbus协议传输对智能断路器通信速率的限制，同时方便用户通过PLC或PC+CP5611主站对智能断路器进行实时监控。

本设计在未对以Modbus协议传输的智能断路器进行大量改动的基础上，增加了Profibus通信功能，通信速率可达12 Mb/s，与市场上的进口智能断路器相比，其性价比更高。

具体实现步骤：

(1)在数据块上层封装一层适合通用通信设备的传输协议，解决了不同数据帧长度与DP底层I/O固定长度之间的矛盾，实现通用通信设备与Profibus主站之间数据的透明传输；

(2)编写GSD文件，用来描述设备特点和通信属性，便于主站根据GSD文件对Profibus接口模块进行识别[5]。

(3)将智能断路器接入以PLC或PC+CP5611为主站的Profibus系统中，采用STEP7软件进行硬件组态。

上述(1)中所述的传输协议，如图3所示，假设DP底层I/O固定长度为M个字节，数据帧长度为N个字节。若N=M时，需进行[N/(M-1)]+1次数据交换，前N/(M-1)次为：第一个字节值为M，其余为Modbus协议数据帧(长度为M-1)，最后一次数据交换为：第一个字节值为[N%(M-1)]+1，接着为Modbus协议数据帧(长度为N%(M-1))，最后为M-[N%(M-1)]-1个零。其中“/”为取整运算，“%”为取模运算。该传输协议很好地解决了不同数据帧长度与DP底层I/O固定长度之间的矛盾，不仅实现了智能断路器与Profibus主站之间数据的透明传输，也增加了Profibus接口模块的通用性，使其在单独使用时可以将任何以Modbus协议传输的通信设备连接到Profibus总线上。

图3 封装于数据块上的传输协议

Profibus接口模块与Profibus主站之间的通信流程图如图4所示。主要包括：MCU初始化、SPC3初始化、SPC3中断处理、对输入和输出数据进行处理。

其中对输入和输出数据处理的实质是实现智能断路器与Profibus主站之间数据的透明传输，采用透明传输可以有效地减小处理延时时间。Profibus接口模块在接收到主站的输出数据后，取出主站输出数据中的PDU，按照PDU中的有效数据长度(D0位)截取有效的Modbus数据帧，然后为其加上CRC检验位组成完整的Modbus协议数据帧，将该数据帧写入Modbus输出缓冲区内，发送给智能断路器。同理，当模块在规定的时间内接收到智能断路器的响应数据后，先对其进行CRC校验，若检验错误，则通知主站智能断路器响应错误；若校验正确则去掉Modbus数据帧的CRC校验位，为其添加一个字节的头(有效数据长度)组成图3所示的数据格式，写入SPC3的输入缓冲区内，发送给主站；若在规定时间内模块未收到智能断路器的响应数据，则通知主站智能断路器无响应。

图4 Profibus接口模块与Profibus主站之间的通信流程图

3 Profibus系统的具体实现与测试结果分析

将智能断路器接入以PLC或PC+CP5611为主站的Profibus系统中，采用STEP7软件进行硬件组态，同时编写软件读写程序[6]。在STEP7硬件组态(HW Config)中的机架UR第一个槽中插入Application，第二个槽中插入CP5611，选择DP网络，设置主站地址为2，同时根据通信需要选择适合的通信速率。在主站系统网络上添加DP从站，设置从站地址为3(必须与Profibus接口模块地址相同)，同时设置从站的相关信息，保存存盘。STEP7的操作界面如图5所示。然后配置虚拟的PC Station，配置成功界面如图6所示。最后打开STEP7软件将配置信息下载到PC Station中。通过人机界面Wincc来监控数据的读写，Wincc对应的控制界面如图7所示。Wincc中配置的输入数据变量组、输出数据变量组应该与Step7中所选择的模块中的数据相对应。

图5 Step7操作界面

图6 配置虚拟PC Station

图7 Wincc操作界面

通过Profibus接口模块将上海某公司生产的ST-3智能控制器挂接到上述Profibus总线系统上，进行测试，WINCC监控界面显示的部分数据的测试结果如表1所示。

表1 WINCC监控界面中部分数据的测试结果

由测试结果得出：通过Wincc监控界面可以实时显示ST-3智能控制器的实时数据，系统运行稳定。同时为了准确评估该方法的可靠性，在测试中，将通信速率依次设置为9.6 Kb/s、97.75 Kb/s、187.5 Kb/s、500 Kb/s、1.5 Mb/s、6 Mb/s 、12 Mb/s，进行多次数据交换，Wincc监控界面显示数据正确，检测结果良好，进一步证明所提出方法的可靠性与实用性。

4 结束语

为了解决智能断路器接入Profibus总线系统的技术问题，通过引入基于Profibus通信的Profibus接口模块，改进了智能断路器的通信速率，使其具有Profibus通信功能、通信速率最大可达12Mb/s．在实际使用中，具有操作简单、运行稳定等优点。因此，在Profibus总线大量应用的趋势下，通过Profibus接口模块将智能断路器挂接到Profibus总线上，经济实用，满足市场和用户需求。

参考文献：

[1]莫太平，吴正高，王丹．基于Profibus-DP的智能从站接口设计与应用．自动化与仪表，2012(9)：29-33．

[2]肖红翼，高建民，刘洪亮．基于dsPIC控制器的J1939-profibus-DP总线桥的设计与应用．计算机测量与控制，2012(8)：2217-2219．

[3]肖红翼，高建民，刘洪亮，等．基于dsPIC的Modbus-Profibus-DP总线适配器的设计．自动化与仪表，2012(3)：29-32．

[4]许煜，闻扬，董文生．基于Profibus-DP总线的高速接口模块设计．机床与液压，2012(14)：94-97．

[5]夏琳琳，邱超，富兆龙，等．基于VPC3协议芯片的Profibus-DP接口适配卡的设计研究．化工自动化及仪表，2012(10)：1323-1327．

[6]梁涛，宋利杰，孙鹤旭，等．基于Profibus-DP的电动执行器通信模块的开发．低压电器，2007(23)：41-44．

作者简介：陈思敏(1988-)，硕士研究生，主要从事电器可靠性与测试技术、智能电器及通讯技术的研究。

E-mail：siminchen070735@126．com

李奎(1965-)教授，博士生导师，研究方向为电器可靠性理论与试验技术、继电保护智能化理论与技术。

E-mail：likui@hebut．edu．cn