PROFIBUS在变电站监控中的应用

PROFIBUS－DP总线协议在变电站监控系统中的硬件设计

为了对煤矿井下变电站各开关设备进行微机监控，实现煤矿井上、井下之间数据传输，笔者选用具有强大功能和较高性价比的Atmega128L微处理器和智能彩色液晶显示屏VK41B，来实现煤矿井下变电站各开关信息的实时显示，并通过PROFIBUS－DP总线协议实现对井上上位计算机之间的通信。其主要的功能是采用PROFIBUS－DP总线协议对井下变电站各智能监测单元采集数据，并通过其他通信介质如光纤、电话线(Modem)等完成与上位机之间的数据通信。微处理器Atmega128L是一款基于AVR(AdvancedRISC)的低功耗CMOS8位单片机，它以其强大的功能和较高的性价比得到了系统开发者的青睐。AVR核将32个工作寄存器和丰富的指令集联结在一起，所有的工作寄存器都与ALU算术逻辑单元直接相连，允许在一个时钟周期内执行的单条指令同时访问两个独立的寄存器。这种结构提高了代码效率，使AVR的性能比普通RISC单片机高出将近10倍。附图所示是该变电站监控系统的硬件设计系统示意图。图中的嵌入式控制器Atmega128L通过SIEMENS的ASPC2(Advanced Siemens PROFIBUS Controller)智能通信芯片，连接PROFIBUS－DP接口模块，其最大传输速率为12Mbit/s，具有16位数据线和两个中断源，可寻址1M字节的外部信息报文存储器。

PROFIBUS－DP总线协议通信机理

附图 系统结构图

PROFIBUS协议结构是根据ISO7498国际标准，以开放式系统互联网络OSI作参考模型，使用单一总线存取协议，通过OSI参考模型的第2层实现。PROFIBUS－DP采用OSI参考模型的物理层、数据链路层和应用层。

PROFIBUS－DP物理层为RS－485，其主要功能是利用物理传输介质为数据链路层提供物理链接，透明地传送比特流。它采用了ETARS－485协议，半双工方式，根据最大传输速率的不同，可选用双绞线和电缆两种传输介质。

PROFIBUS－DP现场总线数据链路层可参考ISO的“高级数据链路层协议”(HDLC)的有关规定，并选用适合于主从网络的HDLC的正常响应操作模式(NRM)，即从站只有其在受到主站的请求时才能发送信息。其总线存取协议包括主站之间令牌传送方式和主站与从站之间的主从方式。令牌传递程序保证每一个主站在一个确切规定的时间内得到总线存取权(令牌)。主从方式允许主站在得到总线存取令牌时可与从站通信，每个主站均可向从站发送或索取信息。

在实际的通信过程中，往往会出现数据丢失和数据传输错误等通信故障。为了防止数据丢失，采用超时处理的方法。这样，主站发送查询命令后，如果在预定的时间内没有收到从站的响应信号，可再次发送一帧查询命令，以等待对方响应。如果连续三次发送后，主站仍然没有收到正确的响应，系统将退出并报警，同时开始轮询一下智能监控单元。

针对数据出错情况，每帧都增加了累加和校验来对源地址、目的地址、控制字和信息段进行逻辑运算，并将运算结果作为帧结束前的一个字符传送到接收方，而接收方在接收完该帧信息后也将接收到的源地址、目的地址、控制字和信息段作逻辑运算，如果运算结果和接收的运算结果不一致，则废弃该帧数据。如果接收到通信协议规定之外的控制字、源地址或目的地址，系统也将废弃该帧数据。

在现场总线(如LonWorks)比较昂贵的情况下，采用PROFIBUS总线协议，更能适合当前煤矿井下变电站监控的特点。但在实际应用时也存在一定的缺陷：若向网中增加或删减站点时，就要重新初始化整个网络，并对各站重新排序，这一过程实现起来比较麻烦。