1 引言

萬能式斷路器又稱框架式斷路器：能接通、承載以及分?jǐn)嗾ｋ娐窏l件下的電流，也能在規(guī)定的非正常電路條件下接通、承載一定時(shí)間和分?jǐn)嚯娏鞯囊环N機(jī)械開關(guān)電器。萬能斷路器功能介紹：斷路器為立體布置形式，觸頭系統(tǒng)、瞬時(shí)過電流脫扣器左右側(cè)板均安裝在一 塊絕緣板上。上部裝有滅弧系統(tǒng)，操作機(jī)構(gòu)可裝在正前方或右側(cè)面，有“分”、“合”指示及手動(dòng)斷開 按鈕。其左上方裝有分勵(lì)脫扣器，背部裝有與脫扣半軸相連的欠電壓脫扣器。速飽和電流互感器或電流 電壓變換器套在下母線上。

欠電壓延時(shí)裝置、熱繼電器或半導(dǎo)體脫扣器可分別裝在下方。 DW15-1000、 1600、2500、4000斷路器為立體布置形式，由底架、側(cè)板、橫梁組成框架，每相觸頭系統(tǒng)安裝在底架上， 上面裝滅弧室。操作機(jī)構(gòu)在斷路器右前方，通過主軸與觸頭系統(tǒng)相連。電動(dòng)操作機(jī)構(gòu)通過方軸與機(jī)構(gòu)連 成一體裝于斷路器下部，作為斷路器的貯能或直接閉合之用，貯能后的閉合由釋能電磁鐵承擔(dān)。在左側(cè) 板上方裝有防回跳機(jī)構(gòu)，以防止斷路器在斷開時(shí)彈跳。

各種過電流脫扣器按不同要求裝在斷路器下方， 欠電壓，分勵(lì)脫扣器及電動(dòng)操作控制部分裝在左側(cè)，其中欠電壓、分勵(lì)脫扣器通過脫扣器與放大機(jī)構(gòu)相 連，以減少斷路器的脫扣力?；?a target="_blank">微處理器的智能控制器具有多種檢測和通信功能，利用總線功能實(shí)現(xiàn)電力質(zhì)量監(jiān)控是一種經(jīng)濟(jì)有效的方案。由于基于Profibus-DP現(xiàn)場總線的驅(qū)動(dòng)和執(zhí)行單元被大量開發(fā)和應(yīng)用，因此針對(duì)原有萬能式斷路器的控制器系統(tǒng)進(jìn)行改造，結(jié)合現(xiàn)場總線的優(yōu)點(diǎn)，保留原有系統(tǒng)的投資，設(shè)計(jì)了一種具有PROFIBUS 現(xiàn)場總線接口的新型控制系統(tǒng)。

2 Profibus-DP 現(xiàn)場總線系統(tǒng)的構(gòu)成

現(xiàn)場總線是應(yīng)用在生產(chǎn)現(xiàn)場與微機(jī)化測量控制設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)雙向串行多節(jié)點(diǎn)通信的系統(tǒng)也稱為開放式。全數(shù)字化。多點(diǎn)通信的底層控制網(wǎng)絡(luò)。 ①現(xiàn)場總線的定義： 現(xiàn)場總線是用于現(xiàn)場儀表與控制室之間的一種“全數(shù)字化，雙向。多變量，多點(diǎn)多站的通信系統(tǒng)”其本質(zhì)含義表現(xiàn)在以下六個(gè)方面：現(xiàn)場通信網(wǎng)絡(luò)、現(xiàn)場設(shè)備互連、互操作性、分散功能模塊和開放式互連網(wǎng)絡(luò) ②現(xiàn)場總線的優(yōu)點(diǎn)： 實(shí)現(xiàn)了全數(shù)字化通信，不同廠家產(chǎn)品互操作；實(shí)現(xiàn)了真正的分布式控制（分散式控制）：可以傳送多個(gè)過程變量的同時(shí)可將儀表標(biāo)識(shí)符和簡單診斷信息一并傳送，可以產(chǎn)生最先進(jìn)的現(xiàn)場儀表，多變量變送器；提高了測試精度；增強(qiáng)了系統(tǒng)的自治性。 ③幾種有影響的現(xiàn)場總線技術(shù)Lonworks也叫LON（Locai Operating Network）是一種得到廣泛應(yīng)用的現(xiàn)場總線，由美國Echelon公司推出它采用了ISQ／OSI模型的全部七層通訊協(xié)議，采用面的對(duì)象的設(shè)計(jì)方法，通過網(wǎng)絡(luò)變量把網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計(jì)簡化為參數(shù)設(shè)計(jì)，在智能建筑中得到廣泛的應(yīng)用；CAN（Control Area Network控制局域網(wǎng)）由德國BOSCH公司推出用于汽車內(nèi)部測量與執(zhí)行部門之間的數(shù)據(jù)通信。國內(nèi)在三表系統(tǒng)及樓宇自控系統(tǒng)中得到應(yīng)用。 PROFIBUS：是德國國家標(biāo)準(zhǔn)DINl9245和歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN50170的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)，DP型用于分散外設(shè)間的高速數(shù)據(jù)傳輸適合于加工自動(dòng)化領(lǐng)域的應(yīng)用。

Profibus 現(xiàn)場總線系統(tǒng)由主站和從站構(gòu)成，主站具有總線存取控制權(quán)，從站是被動(dòng)的站，沒有總線存取權(quán)。主站分為一類、二類。一類主站包括PLC、PC 等，完成循環(huán)的總線通訊控制和管理。二類主站指操作員工作站、編程器、組態(tài)設(shè)備，完成非循環(huán)數(shù)據(jù)的讀寫、系統(tǒng)配置、故障診斷、調(diào)試等。

3 從站總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

智能控制器系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能包括：溫度采集、處理控制、現(xiàn)場通信等，能單獨(dú)完成現(xiàn)場測量控制等功能，也可與多個(gè)從站和主站一起構(gòu)建一個(gè)大系統(tǒng)，完成整體的測量控制任務(wù)。智能控制器組成框圖如圖1所示。

3.1 信號(hào)采集系統(tǒng)

本設(shè)計(jì)需要采集的信號(hào)是三路線電壓和四路相電流信號(hào)，所需的電壓和電流信號(hào)都是經(jīng)過互感器形成的二次側(cè)感應(yīng)電壓， 經(jīng)濾波隔離放大之后形成適合A/D 轉(zhuǎn)換的電壓范圍在3V以內(nèi)。

CD4051 的特點(diǎn)是通道轉(zhuǎn)換頻率可10MHz， 而且控制簡單，量程達(dá)到10V，工作溫度范圍-55°C~ +125°C，很好的解決了量程的范圍和信號(hào)采集的實(shí)時(shí)性。CD4051 與LPC2114 的接口連接見圖2 所示。電壓電流互感器二次側(cè)感應(yīng)電壓信號(hào)經(jīng)分壓后分別送入CD4051 的X0—X7引腳。CD4051 的各通道選通的地址線引腳A、B、C 分別與LPC2114 的p0.21、p0.22、p0.23相連，開關(guān)接通彭磊： 助理實(shí)驗(yàn)師在讀碩士哪一通道，由LPC2114 控制輸入的3 位地址碼來決定。LPC2114的A/D 轉(zhuǎn)換頻率最大可以達(dá)到4.5MHz，轉(zhuǎn)換精度為2-10，完全能夠滿足實(shí)時(shí)采集和高精度要求。CD4051 與LPC2114 的A/D初始化和轉(zhuǎn)換工作由主程序完成。

3.2 溫度檢測與實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路

傳統(tǒng)的溫度檢測和實(shí)時(shí)時(shí)鐘是由各自獨(dú)立的芯片電路分別完成， 這樣分散處理往往降低了微處理器的處理效率而且也增加了電路的復(fù)雜性，所以本設(shè)計(jì)采用了SD2304FLP 高精度實(shí)時(shí)時(shí)鐘。

SD2304FLP 是一種具有內(nèi)置晶振、兩線式串行接口的高精度實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片。該芯片可保證時(shí)鐘精度為±5ppm （在-10°C~50°C 下）， 即年誤差小于2.5 分鐘； 該芯片內(nèi)置始終精度調(diào)整功能，通過內(nèi)置的數(shù)字溫度傳感器可設(shè)定適應(yīng)溫度變化的調(diào)整值，實(shí)現(xiàn)在寬溫度范圍內(nèi)高精度的計(jì)時(shí)功能； 內(nèi)置2K 串行E2PROM，用于存儲(chǔ)各溫度點(diǎn)的時(shí)鐘精度補(bǔ)償數(shù)據(jù)。正是由于內(nèi)置了I2C 總線的數(shù)字溫度傳感器，所以可以很方便地通過I2C 接口讀取溫度數(shù)據(jù)。SD2304FLP 的溫度補(bǔ)償應(yīng)用是應(yīng)用的關(guān)鍵，由于時(shí)鐘精度隨溫度變化的補(bǔ)償數(shù)據(jù)在出廠前已經(jīng)存儲(chǔ)在2K 容量的E2PROM 里， 所以只要通過讀取片內(nèi)數(shù)字溫度傳感器所檢測到溫度（TMP）的數(shù)值，確定當(dāng)前溫度值，根據(jù)溫度值的高八位確定存儲(chǔ)在E2PROM 補(bǔ)償數(shù)據(jù)地址， 讀出該補(bǔ)償數(shù)據(jù)并寫入時(shí)鐘調(diào)整寄存器。

3.3 Profibus-DP總線接口模塊

在Profibus-DP 總線中，主站循環(huán)地讀取從站地輸入信息并周期地向從站發(fā)送輸出信息。同時(shí)，數(shù)據(jù)的通信是由主站和從站上的監(jiān)控功能進(jìn)行監(jiān)控的。對(duì)于一個(gè)成功的現(xiàn)場總線系統(tǒng)來說，僅僅提供一個(gè)高數(shù)據(jù)傳輸能力是不夠的，必須具有安裝和維護(hù)的簡易性，良好的診斷能力和無差錯(cuò)的傳輸。這是其他總線如Can、DeviceNet、Moudbus 所不能比擬的。

設(shè)計(jì)Profibus-DP 智能從站有三種方案：方法一是直接用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)。由于單片機(jī)上一般都安裝UART，使用單片機(jī)利用軟件來模擬Profibus 現(xiàn)場總線協(xié)議。方法二是使用Profibus 通信專用芯片。方法三采用現(xiàn)成的從站接口模塊，如IM183-1，可將第三方設(shè)備作為從站簡便的連接到Profibus-DP 上。IM183-1從站接口模塊主要由ASIC 芯片SPC3、單片機(jī)80C32、EPROM、RAM 和一個(gè)用于Profibus-DP 的RS-485 接口組成。

本設(shè)計(jì)選用方法一，是因?yàn)榉椒ǘ腿鞘苓@些專用的通信處理芯片的端口限制，對(duì)微處理器的兼容性有專門要求，而且至少還要占用10 個(gè)以上的微處理器引腳端口，因此很多高性能的微處理器無法與之兼容或者使很多具有特殊功能的端口受到限制。雖然直接用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)會(huì)受到單片機(jī)波特率的限制，傳輸速率一般很低， 但是本系統(tǒng)根據(jù)設(shè)計(jì)要求選用了51 單片機(jī)LPC932A1 專門來實(shí)現(xiàn)Profibus 總線通信。LPC932A1 特點(diǎn)有：操作頻率的速度是普通標(biāo)準(zhǔn)8 0 C 51 器件的6 倍， 高速的指令執(zhí)行時(shí)間可只需167 ns;片內(nèi)實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC）可以作為系統(tǒng)時(shí)鐘；增強(qiáng)型UART，具有波特率發(fā)生器、間隔檢測、幀錯(cuò)誤檢測，通用中斷功能； 傳輸速率可達(dá)到3Mb/s 的SPI 通信端口。

3.3.1 接口模塊硬件設(shè)計(jì)

Profibus-DP 接口模塊電路主要由四部分組成： 微控制器LPC2114，模擬總線協(xié)議處理微控制LPC932A1，RS485 收發(fā)器SP3485 和高速光電耦合器6N137。微控制器LPC2114 本身也有SPI 通信端口， 只要與LPC932A1 的SPI 通信端口相連接，通過簡單的軟件編程實(shí)現(xiàn)LPC2114 與LPC932A1 的SPI 通信，就能利用3Mb/s 的SPI 通信實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在系統(tǒng)內(nèi)的高效高速傳輸。在這Profibus-DP 接口模塊設(shè)計(jì)中只需占用LPC2114 中4 個(gè)引腳端口，大大節(jié)省LPC2114 的端口資源。為了增強(qiáng)Profibus-DP 總線節(jié)點(diǎn)的抗干擾能力，LPC932A1 的TXD 和RXD 并不是直接與RS-485 收發(fā)器SP3485 的TXD 和RXD 相連， 而是通過高速光電耦合器6N137 后與SP3485 相連， 這樣就很好的實(shí)現(xiàn)了總線上各Profibus-DP 節(jié)點(diǎn)間的電氣隔離。其中光耦部分電路所采用的2 個(gè)電源VCC 和VPP 必須完全隔離， 雖然增加了節(jié)點(diǎn)的復(fù)雜性， 但是卻提高了節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定性和安全性。

3.3.2 接口模塊軟件設(shè)計(jì)

Profibus 現(xiàn)場總線協(xié)議的基礎(chǔ)為ISO/OSI 的網(wǎng)絡(luò)參考模型。在Profibus-DP 中沒有第三層到第七層，只包了含第一層（物理層）和第二層（數(shù)據(jù)鍵路層）。Profibus 第二層的一個(gè)重要工作是保證數(shù)據(jù)的完整性，這是依靠所有的電文海明間距=4、按照國際標(biāo)準(zhǔn)IEC870-5-1 制定的使用特殊的起始和結(jié)束定界符、無間距的字節(jié)異步傳輸及每個(gè)字節(jié)的奇偶校驗(yàn)保證的。Profibus-DP 第二層按照非連接的模式操作，它提供點(diǎn)一點(diǎn)及多點(diǎn)通信（廣播及有選擇地廣播）功能。上層協(xié)議通過第二層的SAPs（Serice AccessPoints，服務(wù)訪問點(diǎn)）調(diào)用服務(wù)功能。在Profibus-DP 中，將一定的功能賦予每一個(gè)第二層的SAP，例如DefaultSAP：數(shù)據(jù)交換（Data-Exch）、SAP55：改變從站地址（SSA）、SAP61：發(fā)送參數(shù)設(shè)置數(shù)據(jù)（PRM）、SAP62：檢查配置數(shù)據(jù)（CFG）。每個(gè)在圖形中的節(jié)點(diǎn)代表一個(gè)基本塊，例如，沒有任何跳躍或跳躍目標(biāo)的直線代碼塊；跳躍目標(biāo)以一個(gè)塊開始，和以一個(gè)塊結(jié)束。定向邊緣被用于代表在控制流中的跳躍。在那里，在大部分介紹中，兩個(gè)特定的設(shè)計(jì)塊：項(xiàng)目塊，通過它控制到流圖的輸入，和編輯塊，通過它全面控制流輸出。

Profibus-DP 接口模塊的軟件設(shè)計(jì)主要包括3 個(gè)部分：LPC932A1 的緩存初始化、與主站通信的主程序、LPC2114 與LPC932A1 的SPI 通信。

4 從站設(shè)備簡單測試方案

由于Profibus-DP 從站設(shè)備的調(diào)試是一個(gè)復(fù)雜的過程，要求開發(fā)人員具有Profibus-DP 系統(tǒng)的工作經(jīng)驗(yàn)，因此為了節(jié)省相關(guān)人員的開發(fā)時(shí)間和開發(fā)成本，這里提出一套簡單調(diào)試方案。

系統(tǒng)構(gòu)成：IPC 機(jī)、主站網(wǎng)卡（SIEMENS CP5611）、COMPROFIBUS軟件。系統(tǒng)的測控網(wǎng)絡(luò)采用線型拓?fù)涞膯沃髡窘Y(jié)構(gòu)，將IPC 機(jī)作為上位監(jiān)控主站。如果在IPC 機(jī)上裝有WinCC 軟件，可以用來向用戶提供如動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)畫面顯示的管理窗口。

5 結(jié)束語

課題研究并實(shí)現(xiàn)了斷路器智能控制模塊的Profibus-DP 通信，并對(duì)斷路器的遠(yuǎn)程監(jiān)控具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。這種系統(tǒng)可以處理符合PROFIBUS 現(xiàn)場總線協(xié)議的智能儀表或分散到現(xiàn)場的輸入輸出設(shè)備， 在設(shè)計(jì)中采用的模塊化設(shè)計(jì)方案， 充分體現(xiàn)了系統(tǒng)的開放性。所提設(shè)計(jì)方法為智能斷路器的數(shù)據(jù)采集和通信提供了一種有效的實(shí)現(xiàn)途徑。