智能断路器PROFINET IO通信模块设计与实现

论文摘要

现场总线技术的广泛应用使的智能断路器实现了联网监控与自动化控制。然而随着实时以太网技术的迅速发展,自动化技术领域逐步从现场总线技术向实时以太网技术方向转变。本文针对原有基于现场总线技术的智能断路器通信控制系统进行改造,设计了一种基于PROFINET IO工业实时以太网技术的新型智能断路器通信模块。(1)分析了当前低压智能断路器与实时以太网技术在国内外的研究现状及发展趋势,根据我国新一代智能断路器的发展方向,给出了一种基于PROFINET IO协议的智能断路器通信模块解决方案。并阐述了基于实时以太网技术的智能断路器在配电保护系统应用中的优势。(2)针对解决方案实现的技术基础,深入的研究了PROFINET实时以太网协议结构,以太网实时通信的实现机制,分析了精准时间同步协议PTCP的同步原理；研究了可配置实时操作系统eCos的结构与特性,分析了可配置机制的实现。(3)根据智能断路器通信与联网监控功能和性能的基本要求,参照相关行业标准,给出了智能断路器PROFINET IO通信模块的总体硬件设计方案,包括以太网通信接口设计,RS485通信接口与电源电路设计等。详细阐述了系统各模块电路的组成原理并给出了硬件模块电路设计原理图。(4)结合硬件系统设计并根据PROFINET IO通信规范要求,给出了系统软件的总体设计思想和实现方法,详细阐述了eCos系统移植、以太网控制器驱动程序、PROFINET IO设备通信程序、断路器通信协议转换程序的实现原理与方法,并给出了程序设计的流程图和部分代码实现。最后根据现有的技术条件和设备情况,搭建了智能断路器通信测试实验平台,结合断路器监控系统软件与智能断路器对设计样机进行了通信测试,并对测试获得的相关数据进行了分析。测试结果表明系统运行稳定,达到了智能断路器联网监控的预期设计要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 选题背景
• 1.2 可通信智能断路器的发展现状及趋势
• 1.3 工业以太网技术应用优势
• 1.4 课题来源及研究意义
• 1.5 本文的主要研究内容
• 第2章 智能断路器通信模块设计技术基础
• 2.1 PROFINET IO工业以太网技术
• 2.1.1 PROFINET IO的设备类型
• 2.1.2 PROINET实时机制
• 2.1.3 PROFINET IO协议分析
• 2.2 嵌入式可配置实时操作系统eCos
• 2.2.1 可配置机制原理
• 2.2.2 系统结构与特点
• 2.2.3 eCos与μCOSII系统比较
• 第3章 智能断路器PROFINET IO通信模块硬件设计
• 3.1 通信模块设计要求及总体硬件结构
• 3.1.1 智能断路器通信与监控功能要求
• 3.1.2 通信模块性能要求
• 3.1.3 总体硬件结构设计
• 3.2 以太网通信模块设计
• 3.2.1 处理器LPC2387特性及EMAC模块分析
• 3.2.2 以太网物理层收发器
• 3.2.3 以太网接口电路设计
• 3.3 电源设计
• 3.4 RS232、RS485通信接口设计
• 3.4.1 RS232接口
• 3.4.2 RS485接口
• 3.5 编码开关电路
• 3.6 硬件的抗干扰设计
• 第4章 智能断路器通信模块软件设计与实现
• 4.1 软件总体设计方案
• 4.2 嵌入式eCos系统配置与移植
• 4.2.1 开发平台的建立
• 4.2.2 LPC2387平台分析
• 4.2.3 eCos系统的移植
• 4.2.4 eCos内核移植测试
• 4.3 LPC2387以太网模块驱动设计与实现
• 4.3.1 eCos系统驱动程序结构
• 4.3.2 以太网驱动程序的基本框架
• 4.3.3 驱动程序设计与实现
• 4.3.4 以太网驱动程序测试
• 4.4 PROFINET IO协议栈设计与实现
• 4.4.1 PROFINETIO协议栈总体结构设计
• 4.4.2 数据链路层服务映射模块设计
• 4.4.3 IO通信模块设计
• 4.4.4 诊断及警报通信设计
• 4.5 智能断路器通信模块应用程序设计与实现
• 4.5.1 通信协议转换原理
• 4.5.2 通信模块协议转换应用程序设计
• 4.6 GSDML设备描述文件编写
• 第5章 通信模块测试
• 5.1 测试平台与测试网络
• 5.2 测试方法与步骤
• 5.3 测试结果与结论
• 总结与展望
• 1.本文研究工作总结
• 2.课题下一阶段的研发工作
• 3.研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录A 攻读学位期间发表的学术论文目录
• 附录B 攻读学位期间参加的科研项目
• 附录C 部分GSDML文件