基于Profibus-DP总线的调功电源系统设计

2014-09-17孙曙光王秋萌杜太行

河北工业大学学报 2014年4期

孙曙光，刘策，王秋萌，杜太行

（河北工业大学控制科学与工程学院，天津 300130）

0 引言

晶闸管调整器主要用于各种电加热装置的加热功率调整．三相晶闸管调整器作为功能完整的电功率调整单元产品广泛应用于工业各领域的电压、电流、功率的调节．特别是在恒温控制加热系统中更体现出了它广泛的应用价值和实用性．

基于Profibus-DP总线构成分布式调功电源系统，PLC主站作为主控单元，分配每台从站的控制量，单个调整器作为从站[1]，通过DP通讯接收主站的控制量实现对晶闸管的开通与关断控制，从而达到对负载的电流的调节控制，当需要扩充系统的功率时，只需增加从站的数量即可．

1 晶闸管调整器工作原理以及调功电源系统构成

三相晶闸管调整器的主电路结构如图1所示，包括主电路以及控制电路部分；两只反并联的晶闸管作为各相开关器件，详见图4所示，由单片机控制器根据当前的给定控制量，发出控制指令，操控晶闸管实现电源与负载的接入与切除．实现负载电流的调整．

每台从站均为一独立的晶闸管调整器，晶闸管调整器一般有两种控制方式，一种为移相触发方式，另一种为占空比平均分配控制方式，本文选取占空比平均分配方式，即由单片机控制器根据当前的开关占空比，在单位时间内，一般为100个工频周期长度，平均分配交流电导通与关断工频周期的次数，实现对加热电流的调整，需要在电流过零点触发晶闸管导通．主从站拓扑结构如图2所示．

图1 晶闸管调整器主电路结构图Fig.1 Main circuit structureof thyristor regulator

图2 主站与从站结构图Fig.2 Thestructureof themaster station and theslavestation

本系统使用S7-400 CPU416-2DP做主站，SPC3做从站，通过编写本设备的GSD文件，并将其加入到组态软件中实现组态从站的通讯接口[2-3]．该GSD文件是对该设备的一般描述，GSD文件中描述支持多种常用的波特率，并设置了输入输出的数据长度．系统上电后进入profibus组态阶段，若组态成功，则进入数据交换状态．在数据交换过程中，PLC与从站每两秒进行一次数据交换，其中数据帧含义如表1所示．

表1 主站与从站数据交换数据格式Tab.1 Data exchange format between themaster station and theslave

2 从站软硬件设计

2.1 硬件设计

系统选用STC12C5A60S2型号单片机作为从站主控制器，SPC3为通信控制器，为双处理器结构，该单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期（1T）的单片机，是高速、低功耗、超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，但速度快8-12倍[4].

2.1.1 系统电源设计

变压器有2路输出：有效值为7.5V的输出经整流桥再经7805稳压芯片输出+5V给SPC3的通讯光耦供电；另一路有效值为14 V的输出经单相整流再经过7815和7915稳压芯片输出+15 V、-15 V给采集电路的运放供电．+15 V经7805稳压芯片输出5 V供电路中的包括单片机在内的其它芯片供电．

2.1.2 驱动接口电路设计

驱动电路如图3所示，单片机输出触发脉冲经驱动电路触发负载电路中的晶闸管，光电耦合器输出边的双向可控硅是一无源器件，触发电源取自主回路电源，简单可靠体积小，是目前应用较多的一种方式．

2.1.3 通讯接口电路设计

此部分的电路为单片机和SPC3的DP通讯接口设计．从站控制器单片机的DP通讯接口设计中的协议芯片为SPC3芯片，SPC3有8根数据总线和11根地址总线，其中低8位地址线与数据线复用，可以接80C32、80C166、80C165、HC11、HC16、HC196等单片机．芯片配置是借助SPC3的两个输入引脚XINT/MOT和MODE进行的．XINT/MOT表示Intel和Motorola等芯片类别．MODE表示SPC3的工作模式,其中包括同步和异步．当其工作在同步模式时，SPC3的XREADY引脚无效．SPC3具有1.5 kB RAM的片上数据信息存储缓冲器．

图3 驱动电路Fig.3 Thedrivecircuit

本文中使用的单片机是STC12C5A60S2，其与SPC3的接口电路如图4所示．

图4 DP通讯接口电路设计原理图Fig.4 Thecircuit design schematic diagram of DPcommunication interface

应当注意的是，当SPC采用Intel芯片工作于同步模式时，内部有自己的地址锁存及解码电路，所以CPU的低8位地址线可不经过锁存器，而是直接与SPC3连接．CPU与SPC3通过SPC3的双口RAM交换数据，其作为单片机的外部存储空间寻址．由于STC12C5A60S2片内集成了1280字节的RAM，所以把P2.4信号取反，SPC3的首地址单元为1000H，寻址空间为1000H-15FFH，与单片机RAM空间区分；同时AB8-AB10必须为低．SPC3用于进行串行通信的4个管脚分别为XCTS、RTS、TXD和RXD。XCTS的含义为清除发送，是SPC3的输入信号，表示允许SPC3发送数据．此信号为低电平有效，且应一直维持低电平．RTS为SPC3的请求发送信号，通常接到收发器的输出使能端．RXD和TXD分别为串行接收和发送端口．为提高系统的抗干扰性，SPC3内部线路必须与MAX485物理接口在电气上隔离，本文选用支持25M波特率的HCPL-7720光耦．

2.2 软件设计流程

软件设计中的程序结构包括主程序与中断程序，SPC3的初始化程序应放在主程序中，如图5所示，SPC3上电复位之后，在正常工作之前必须进行初始化，以配置各个寄存器．

CPU可以采取查询和中断两种方式接收主站数据：

1）当SPC3在接收到由Profibus主站传送的不同输出数据时，会产生输出标志位，CPU可以通过在应用循环中轮询标志位进行接收主站数据．

2）中断处理程序用于处理SPC3发生的各种事件，包括：新的参数报文事件、全局控制命令报文事件、进入或退出数据交换状态事件、新的配置报文事件、新的地址设置报文事件、监测到波特率事件和看门狗溢出事件[5].在西门子公司提供的 SPC3源程序中的函数 SPC3_SET_IND(GO_LEAVE_DATA_EX|WD_DP_MODE_TIMEOUT|NEW_GC_COMMAND|NEW_SSA_DATA|NEW_CFG_DATA|NEW_PRM_DATA|BAUDRATE_DETECT)中加入DX_OUT，当SPC3接收到数据后便产生中断信号．由其XINT引脚输出接至单片机的外部中断0引脚，实现数据中断接收，从而单片机执行外部中断0进行数据的读取，中断处理流程如图6所示[6]．

图5 主程序流程图Fig.5 The flow chart

图6 外部中断0流程图Fig.6 The flow chart of main program of external interrupt 0

外部中断1执行的就是系统的核心控制程序．由触发信号为与线电压同步的信号外触发，周期为10ms，以实现晶闸管的过零触发，实现开关机处理、故障处理、读取控制量、软启动、以及占空比平均分配和触发信号输出等功能，如图7所示；开关周期占空比平均分配算法流程如图8所示，由给定占空比大小，计算当前工频周期开断状态，根据开断状态输出控制信号，控制晶闸管．

为减小开关机，负载电流突然加入与消除的冲击作用，抑制对变压器以及负荷的机械力[7]，设计了软启动与软关断功能，以软启动为例，具体实现如下所示，占空比变量经过一个惯性环节输出后，再实现占空比的平均分配，惯性环节的时间常数为10s，由于本系统控制周期为2s.则由式 (1)变为式 (2)，变换为相应的差分方程，得到惯性环节输入与输出量之间的数学关系为式 (3)．这样通过惯性环节的引入，延缓了开关机时占空比的突变，减小了冲击作用．

3 实验分析

在实际实验中，从站的数量为3台，分别为额定电流为150A，200A与400A的晶闸管调整器，从站地址分别为3#、4#与5#，由于实验室条件有限，实际负载为灯箱负载，星形连接，PLC对3台从站设备实时占空比控制量为40%、50%、80%，图9、10、11分别为各从站设备的A相电流波形，由图中可以看出，该系统实现了对各台从站设备负载电流占空比平均分配的准确控制．

4 结论

本文设计了基于Profibus-DP总线的调功电源系统，并主要对调功电源系统的智能从站以及其接口单元进行软硬件设计，实现了晶闸管调整器基于DP总线的分布式控制，此外从站单元的基于过零触发的占空比平均分配的准确控制可以避免加热设备对电网的谐波污染．以上均为实现更加完善合理的分布式调功电源系统打下了良好的基础．