Profibus-DP冗余電動執行機構通信系統
基于安全可靠，電力行業對現場總線有冗余的要求。針對此類要求，Profibus國際組織提出了《Specifi-cationSlaveRedundancyV1.2》從站冗余規范。現場總線控制系統中，可以冗余方式，將故障單元或串行鏈路自動切換到備用單元或者串行鏈路，實現系統不停機的無擾動切換。
電動執行機構作為過程控制系統基本驅動裝置，通過驅動閥門、擋板等機械設備對介質流量、溫度、壓力等調節和控制，在火力發電過程中扮演著重要角色。因此研究和開發符合《SlaveRedundancyV1.2》的Profibus-DP電動執行機構，并應用于火力發電行業，提高Profibus-DP電動執行機構與控制系統之間通信的可靠性。
1、系統總體結構
Profibus-DP冗余電動執行機構通信系統分為主站和從站兩類，主站又分為一類主站和二類主站。
(1)主站冗余。
一類主站是指PLC、PC或可做一類主站的控制器。一類主站與從站交換數據并控制整個DP通信網絡。一旦一類主站出現故障，則會使其控制的所有從
二類主站是指操作員工作站(如PC機加圖形監控軟件)、編程器、操作員接口等，完成各類站點數據讀寫、系統配置、故障診斷等。該項目采用裝有西門子WinCC組態軟件的PC機作為二類主站。
(2)從站冗余。
Profibus國際組織在2004年底提出了《Specifica-tionSlaveRedundancyV1.2》，該標準的制訂確立了Profibus-DP的從站冗余規范。項目中以揚修2SA8冗余現場總線電動執行機構作為從站。
Profibus-DP冗余電動執行機構通信系統總體結構圖如圖1所示。
圖1 系統總體結構圖
2、冗余從站
冗余從站是指帶有兩個Profibus-DP通信接口的從站，而且兩個接口之間具有特殊的冗余通信通道實現二者信息交互，工作時其中一個作為主從站通信接口，另一個作為備用從站通信接口。因此，冗余從站必須具有：至少2個連接;2個獨立的通信接口;1個冗余通信信道(RedCom);獨立的線路冗余連接。
冗余從站具有2個獨立的Profibus-DP協議通信棧，對應于2個Profibus-DP總線接口。2個互為冗余的通信接口在系統組態和參數化過程中都需要被正確組態和參數化，需要給它們分配站點地址，2個接口的站點地址可以相同也可以不同，這依賴于冗余系統的構成方式。
冗余通道專門用來在冗余從站內部交換2個協議棧之間的組態信息、總線參數信息以及輸入輸出過程數據，同時完成冗余從站的主、備用通信接口的切換。冗余從站構架如圖2所示。
圖2 冗余從站構架圖
2.1、冗余從站的初始化
在主從站的通信中，從站一般只能被動地等待主站的請求，然后才能執行數據交換，而進入此狀態之前，必須由主站對其賦參數、配置初始化并診斷。
從站在上電后，即處于診斷狀態，判斷主站發來的Set_Slave_Add指令，以改變本身的默認地址，如不需要改變地址，從站將直接接受參數賦值指令。
2.2、冗余從站故障自動切換
當執行機構使用了Profibus總線接口之后，為了提高可靠性，可以采用雙通道(冗余型)的Profibus總線通信板。2SA8電動執行機構具有雙通道(冗余)的Profibus總線通信板，由執行機構決定哪個通道為工作通道(第一通道)，控制電動執行機構運行操作。第二通道為被動通道(備用通道)，只能將數據從電動執行機構傳送到總線系統，因此，總線系統只能通過備用通道查看電動執行機構運行狀態，而不能操作電動執行機構。
當工作通道發生故障，且備用通道可以進行用戶數據通信，則自動切換到該備用通道。
報文和總線地址：2個通道可以被配置成使用不同的用戶數據報文，2個通道的站地址可以自由選擇。
切換準則：當不再能通過工作通道進行數據交換時，就必須切換到另一個通，如主站發生故障、DP連接發生中斷(電纜斷線)、ASIC損壞、RedCom故障。
從站在通過Profibus-DP通信網絡進行通信時，啟動看門狗定時器TWD對通信過程進行監視。TWD溢出，表示主從站通信接口發生故障，將故障通信接口模塊輸出至失效安全模式下，同時啟動從站冗余切換操作。首先啟動TOH，如果在TOH溢出前收到主站的傳遞數據請求則停止TOH，否則TOH溢出從站進入失效安全模式。因此，在發生故障后，將故障發生前從站的最后一次輸出值作為從站有效輸出的最長時間(TWD十TOH)。
3、Profibus-DP電動執行機構實現
3.1、硬件方案
選用一款高度集成的Profibus從站芯片，它可以用于Profibus-DPV1，可連接電動執行機構的主處理器，SPI接口可擴展E2PROM，掉電時存儲用戶參數;冗余通道采用FPGA實現，可以針對冗余從站的冗余信息交換需要隨時定制接口，提高交換效率，避免使用雙口RAM等昂貴器件，并可以大集成冗余從站中其他數字邏輯，節省電路板空間。
電動執行機構本體是公司目前正常生產的執行機構，與Profibus-DP冗余通信板之間通過串行通信方式交換數據。由于Profibus-DP物理層是RS-485接口，因此在驅動電路部分按照Profibus規范進行設計，采用光電隔離芯片實現底層信號傳輸，通過設置終端電阻，保證信號阻抗匹配。
3.2、軟件設計
軟件主要分為3個部分：數據鏈路層控制器的初始化及中斷處理、Profibus-DP站狀態機、冗余協議棧實現。數據鏈路層控制器在上電復位后即進行初始化，配置各個寄存器。中斷處理程序處理發生的各種事件，包括參數化、全局控制命令、進入/退出數據交換狀態事件、配置下載、設置從站地址、檢測到波特率、看門狗溢出等。Profibus-DP從站狀態機嚴格按照Profibus-DP協議要求實現。
冗余協議棧軟件實現主要考慮冗余狀態機跳轉及冗余通道設計。冗余狀態跳轉同Profibus-DPJ、X站狀態機及冗余通道數據交換聯系緊密，在系統設計時采用單CPU方案，用軟件實現冗余通道，可以保證冗余數據交換的實時性。試驗證明，冗余數據交換的實時性及冗余狀態機的及時切換是冗余電動執行機構可靠運行的前提。
3.3、GSD文件設計要點
GSD用來描述DP設備的特性數據文件。GSD文件包含了設備所有的參數定義，包括設備所支持的波特率及DP功能、參數說明、診斷數據的含義、模塊定義等。數據對象的指定由GSD文件中的模塊預先定義。協議實現符合冗余從站規范要求，在GSD中需要增加一些關鍵字：
這樣冗余DP主站才能配合從站的切換，及時發出切換報文PRM—CMD。
4、PLC組態
采用西門子STEP7V5.4組態軟件對PLC編程，首先，要對軟件進行硬件組態。在硬件組態之前，還需建立PLC和STEP7的通信，因為PLC組件具有2個CPU，所以，需使用路由器，并在CP443-1和路由器中設置正確的IP地址以保證通信的正常。
4.1、PLC硬件組態
根據客戶要求的不同，PLC的硬件組態分為2種：模塊不同地址(見圖3)和模塊相同地址(見圖4)。如果客戶要求相同的地址，則采用2種方式都可以，如果要求2個模塊具有不同的地址，則必須采用第一種組態方式。
第2種組態方式，必須在GSD版本5中才能實現，需增加一些關鍵命令：
PrmCmd_supp=1
//支持PrmCmd
Slave_Max_Switch_Over_Time=3
//模塊最大切換時間
Slave_Redundancy_supp=8
//支持冗余規范
4.2 PLC軟件編程
程序中幾個重要信號定義：
M2.0//讀非周期數據
M2.1//寫非周期數據
MW3//槽號
MB5//索引
MW6//故障記錄
圖3 模塊不同地址的硬件組態
圖4 模塊相同地址的硬件組態
(1)電動執行機構控制程序。
電動執行機構開向運行邏輯(關向同理)：
A(
O M 0.0 //開按鈕
O Q 0.5 //開自鎖
)
AN Q 0.4//關互鎖
AN Q 0.6//停止
AN Q 0.7//緊急
AN I 4.2//行程限位
AN I 4.0//力矩限位
= Q 0.5//電動執行機構開
(2)非周期性數據讀寫。
非周期數據的讀寫需調用SFC59和SFC58數據塊。
讀程序：
CALL "RD_REC"
REQ ：=M2.0
IOID ：=B#16#54
LADDR：=MW3
RECNUM：=MB5
RET_VAL：=MW6
BUSY ：=M1.2
RECORD：=P#M100.0BYTE39
//非周期數據存放在MB100以后的39個字節里面
寫程序：
CALL "WR_REC"
REQ ：=M2.1
IOID ：=B#16#54
LADDR：=MW3
RECNUM：=MB5
RECORD：=P#M100.0BYTE27
RET_VAL：=MW6
BUSY ：=M1.2
(3)讀取診斷數據：
CALL "DPNRM_DG"
REQ ：=M40.0
LADDR：=W#16#0
RET_VAL：=MW24
RECORD：=P#M200.0BYTE20
BUSY ：=M40.1
PLC編程完后，和硬件組態一起下載進入PLC組件中，如果PLC組件沒有報故障，說明系統正常，已經建立PLC和從站的通信。
5、結語
介紹了一種基于Profibus-DPV1協議的電動執行通信模塊的設計與實現，給出一種基于數據對象映射的現場總線協議轉換方法。PI-china測試認證及實際運行結果表明該通信模塊工作穩定，可靠性高，符合智能斷路器實時監控與聯網通信的要求。
