Profibus-DP高压直流输电现场总线通信系统设计

杨亚璞 付庆钊 李二玉

（许继电气股份有限公司 河南省许昌市 461000）

高压直流控制保护系统的总体结构通常分为三层：运行人员控制层、控制保护设备层、现场测控层，而直流输电通信系统属于高压直流控制保护系统的子系统，主要包含以太网和现场总线两种通信网络，其中在控制保护设备层和现场设备主要是Profibus-DP和CAN现场总线通信[1]。西门子的SIMADYN D和TDC系统主要采用的是Profibus-DP，目前我们研制的直流输电控制系统主要是吸收和借鉴了西门子SIMADYN D的相关技术路线，因为我们已经成功研制了现场具备Profibus-DP从站接口的DFU400系列和DFU600系列的现场测控层装置等，因此首先要选用Profibus-DP作为现场测控层和控制保护层的通信现场总线。

1 现场总线Profibus-DP技术概述

Profibus-DP（Decentralized Periphery）是一种高速低成本的通信技术，多用于现场层控制系统与分散式I/O的通信。Profibus-DP使用物理层、数据链接层和用户接口，主站周期性地读取从站的输入信息并周期性地向从站发送输出信息，并提供智能化现场设备所需的非周期性通信以进行组态、诊断和报警处理及复杂设备在运行中参数的确定[2]。

Profibus-DP有如下的特点和功能：

（1）实时高速：数据传输速率为9.6 k-12 Mbit/s，有较高的实时性；

（2）远距离：12 Mbps时最远距离为100m，1.5 Mbps时为200m，可用中继器延长至10km；

图1：HCM3000控制保护平台的体系架构

图2：ECM板卡硬件总体设计框图

图3：ECM的软件功能组成框图

（3）分布式结构：各主站间令牌传递，主站与从站之间为主-从传送，总线上最多站点（主-从设备）数为126。

（4）诊断功能：可对故障进行快速定位，诊断信息在总线上传输并由主站采集[3]。

2 高压直流现场总线通信系统设计

2.1 系统结构及软硬件配置

HCM3000是许继研制的用于高压直流输电（High Voltage Direct Current，HVDC）控制保护的高性能工业控制平台系统，该控制保护平台采用VME64X背板总线、分层、模块化的体系架构，可以分为：硬件层、系统软件层（包含运行时系统、功能块库及硬件驱动）、工具软件层，如图1所示。基于Profibus-DP现场总线的通信系统以HCM3000控制保护平台为基础，在硬件上主要包括通用处理器EPU板卡，能完成Profibus-DP通信功能的现场总线ECM板卡等，在软件上包括ECM板卡的底层软件和通信系统软件平台。

2.2 ECM板卡的硬件设计与实现

ECM 板卡硬件原理构成。

ECM板卡总体设计如图2所示，包括XE167主控CPU，两个主（从）站模块，以及两个CAN通信接口，EEPROM 芯片，和主CPU通信用的DPRAM, VME 接口等构成具有两路Profibus-DP主（从）站通信接口和两路高速CAN接口的标准VME从板卡。

Profibus-DP主站模块和从站模块主要采用德国赫优讯公司成熟的COM系列COM-C-DPM主站模块和COM-C-DPS从站模块，CPU 选定英飞凌最新主频可达到80MHZ的XE166系列的SAFXE167FM-72F80L 作为主控MCU，由于该MCU自带CAN接口，可以方便的通过外加CAN的隔离驱动芯片增加两路CAN通信接口，ECM板卡和主EPU板卡之间通过IDT70V09双端口RAM进行数据通信，FPGA 芯片XC3200A 主要实现VME从接口，主EPU板卡和ECM 板卡之间主要通过VME背板总线连接[4-7]。

图4：硬件连接图

图5：总线配置图

图6：ECM10A配置图

图7：DP通信测试CFC程序

2.3 ECM板卡的软件设计与实现

2.3.1 ECM板卡底层软件设计与实现

ECM 板卡软件主要完成的功能如图3所示。

（1）主要提供通过DPRAM完成与EPU通信的功能和与DP模块通信的功能；

（2）板卡自身的硬件自检功能(Hardware self check )；

（3）通过超级终端利用简单命令行(mini_shell)方式提供板卡配置和诊断功能；

（4）提供软件定时器TSM调度器,可进行简单的不可剥夺的任务调度；

（5）具有内存文件系统RamFS提供存储临时文件的功能；

（6）具有通过超级终端的Xmodel协议下载配置文件和上传配置文件的功能；

（7）通过前面板LED显示通信状态和故障信息的功能；

（8）软件具有软件看门狗功能(watch dog)功能，软件故障自动重新启动功能。

2.3.2 通信系统软件平台的设计与实现

通信系统软件平台的设计主要包括，工具软件层和系统软件层两部分，工具软件层包括图形化工程软件开发工具ViGET，系统软件层包括运行时系统VxWorks[8-9]。

（1）运行时系统VxWorks。HCM3000 的运行时系统是在实时操作系统是在 VxWorks 的基础上，经过定制开发，完成对应用程序的多任务优先级调度、用户异步中断处理、目标机与工程工具软件的通信、系统故障诊断、多 CPU 和多任务间数据交互等功能，是管理平台实时运行的软件核心[10-12]。

（2）ViGET功能块库的设计。ViGET开发工具软件运行在通用 PC机上，是为工程应用程序开发提供的图形化开发工具，集成了硬件配置、 通信组态、增强的 CFC编辑器、IEC61131-3标准包含的 5种语言、在线调试、编译、程序下装等功能。为工程应用程序的高效、快捷开发，缩短应用开发周期，提供了有力支撑。

ViGET功能块库是配合通信系统的一组功能块的组合，一般包括配合图形化工程工具编程的环境外型设计和运行时系统调用的底层代码设计两部分[13]。其中硬件板卡配置功能块HWCFG、DP通信配置功能块PROCM、通信收发功能块CTV_P02和CRV_P02、数据通信写入读出功能块DWR_8BY和DRD_8BY、通信数据检验功能块DTE8等。

3 现场总线通信系统的测试与验证

测试原理如图4所示配置在一个HCM3000机箱里面配置一个ECM10A板卡为主站板卡，下面挂接DFU410测控装置，ECM11A从站板卡，PFB从站板卡，然后通过工程工具ViGET进行CFC编程验证ECM10A主站板卡和ECM11A从站板卡所对应的通信功能运行是否正确。

用ECM10A板卡的配置软件SyCon配置如图5所示，

PFB(SST-PFB3-VME-2) 从站板卡的I/O数量通过功能块配置，而ECM11A(COM-Ax/Bx/Cx-DPS)从站板卡的I/O配置如图6所示，在 ViGET上对主站ECM10A板卡进行CFC编程如图7所示。

经过上述CFC程序编译下载在EPU处理器里面运行，在硬件连接正确的情况下，DFU410装置和各个板卡通信正常，通过相关功能块下发到DFU410装置的继电器开关命令和 DFU410装置上传到HCM3000报文都正确，然后验证另外两个从站的发送和接收的数据通过DRD_8BY模块和DWR_8BY模块进行双方的逐个字节发送接收测试都完全正确。

4 结束语

本系统完成了基于HCM3000平台的Profibus-DP现场总线通信系统的设计，并通过图形化软件开发工具ViGET和相关功能块配合硬件平台系统，完成了基于ECM主从站板卡的DP现场总线通信及一致性测试验证,具有通信稳定性好、运行速度快、人机交互性好、可视化等特点，对我国的直流输电工程的研究和发展起到关键的支撑作用。