基于PROFIBUS-DP总线的高压软起动器通信模块

1 引 言

控制网络的出现，导致了传统控制系统结构的深刻变革，信息技术的飞速发展，使得控制系统逐步演化成全分布式的网络集成式控制系统，即现场总线控制系统(FCS)。PROFIBUS-DP总线技术是FCS中的新技术，将PROFI-BUS-DP总线技术运用于电力电子技术产品正是顺应这一形势发展的新潮流。本文介绍了PROFIBUS-DP总线中中高压电动机固态软起动器的实现和应用，将中高压固态软起动器开发成PROFIBUS-DP总线中的一个智能从站，彻底解决了传统中高压固态软起动器单独控制中高压电动机，其信息不能反馈到上位机，而构成"信息孤岛"的现状。  

2 PROFIBUS-DP技术简介

PROFIBUS-DP是PROFIBUS(FMS，DP，PA)3部分组成中的重要部分，PROFIBUS协议基础为ISO/OSI的网络参考模型。在PROFIBUS-DP中没有第3层至第7层，直接数据链路映像(DDLM)为用户接口提供第2层功能映像。物理层(第1层)采用EIARS-485双绞线或光缆，连接器采用按RS 485标准制定的9针D型插座。数据链路层(第2层)提供了介质存取控制功能，数据的完整性检查以及传输执行的协议称为FDL，采用混合介质存取协议，对应于DIN(E)19245，支持单主或多主系统、主或从设备。PROFIBUS-DP中主站间采用令牌环方式和从站间的主一从方式。主站的令牌方式使得得到令牌的站点可在一个事先规定的时间段内获得总线控制权，主站与从站之间的数据交换，要求尽可能快并且拥有总线控制权时可以与从站通信，每一个主站均可向从站发送及索取信息。这种组态提供了最短的总线周期，系统的开放性好，第三方的系统也能连到PROFIBUS-DP现场总线，可进行模块化扩展，能适合各种生产设备的规模和要求，保证了高的灵活性。PROFIBUS-DP的综合诊断功能能够对故障快速定位，总线上从站的故障不影响其他站的数据通信量，在操作期间，I/O站和其他现场器件可以被激活或禁活。本文的中高压固态软起动器为PROFIBUS-DP总线中的一个智能从站。

3 中高压软起动器简介

中高压电动机固态软起动装置中，弱电部分采用DSP作为控制芯片、单片机作为管理芯片、SPC3作为通信芯片；高压部分由几组串/并联的可控硅、真空接触器、电压互感器和电流互感器构成。其中DSP中产生的PWM触发脉冲经光纤通过储能管和短路变压器实现高压侧脉冲变压器对晶闸管的触发；为了确保每相中多组(一对反并联可控硅串联)可控硅分压均衡，每组可控硅并联一组动、静态均压板。软起动器起动时，控制器DSP控制真空接触器接通，通过控制可控硅的导通角，使电机按-定的斜率逐渐增加电压，平稳起动；当达到额定转速时加上全电压，同时旁路真空接触器接通，然后关闭可控硅触发信号停止可控硅供电。电机起动完毕。之后，软起动器继续监视电机的运行状态，并提供多种故障保护。其适用对象主要是鼠笼式异步中高压电动机的起动、运行和停止的控制与保护。其负载主要为风机、离心泵、空气压缩机、皮带输送机、破碎机、搅拌机等。软起动器的起动、运行、停止均可通过PROFIBUS-DP总线由上位机控制和显示，在PROFIBUS-DP总线中，中高压固态软起动器作为一个智能从站参入系统组态。  

4 系统硬件的配置

QB-H系列中高压软起动器将晶闸管、DSP、PROFI-BUS-DP总线有机地联系起来。  

具体分析：P89C52通过UART口与TMS320F2407芯片进行控制、显示信号的通信，同时与SPC3芯片的P0口进行通信和读写DG-2064显示模块。SPC3芯片中使用Intel模式和同步模式，因其内部有地址解码电路，故不要外部地址锁存器，SPC3的AB0～AB4与P89C52的P2口相连，其中AB4与P2.7相连避免了与P89C52内的RAM冲突。P89C52的P1.6，P1.7对SPC3和DG2064进行片选。为防止程序跑飞而采用7705芯片作为看门狗。SPC3通过光耦、RS 485总线驱动构成PROFIBUS-DP头。  

5 系统软件设计

由于PROFIBUS-DP的通信协议由SPC3芯片完成，系统程序主要包括SPC3初始化程序、中断程序、具体状态的显示程序与DSP的通信程序。

SPC3初始化程序主要包括：设置SPC3允许的中断、从站地址识别号、方式寄存器、诊断缓冲区、参数缓冲区、配置缓冲区、地址缓冲区，PRM报文、CFG报文、SSA报文、初始化数据长度、初始化用户数据长度，设定输入、输出缓冲区指针、诊断缓冲区指针、CFG缓冲区指针、PRM缓冲区指针等。

与SPC3通信的程序全部用中断实现，这种方式对实时通信要求较高的系统比较实用。  

6 应用分析

在中高压软起动器的DP头的开发过程中，硬件设计上由于控制量多、运算速度快、实时性强，故使用TMS320F2407作为控制芯片，P89C52单片机作为管理芯片，SPC3作为PROFIBUS-DP协议转化芯片，运用双CPU(DSP、P89C52)将控制与管理分开，提高了系统的稳定性和可靠性；在软件设计上，考虑到系统通信的实时性要求较高，故与SPC3通信有关的程序全部用中断实现。

在长沙奥托技术开发中心，利用PLC作为主站、PC机(监控软件为winCC)作为监控机、中高压电动机固态软起动器作为从站，电机型号为增安型无刷励磁同步电动机(电压6 000 V、电流445.5 A、容量4 000 kW、转速300 r/min))，励磁机(电压181 V、电流192 A、容量60 kVA、转速300 r/min)；通过PROFIBUS-DP总线，在WinCC监控界面得到了中高压电动机软起动(负载为空载)过程中电动机的电流的波形。
  
实际使用表明，该系统运行良好，实时性控制强，PROFIBUS-DP通信快速、稳定、可靠。