基于Profibus-DP總線與SPC3協(xié)議芯片實(shí)現(xiàn)電動(dòng)執(zhí)行的設(shè)計(jì)

Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線以其的技術(shù)性能，在全世界范圍內(nèi)得到廣泛的應(yīng)用。在電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)行業(yè)內(nèi)也需要開(kāi)發(fā)帶有Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線接口的產(chǎn)品。上海自動(dòng)化儀表十一廠著重介紹了帶有Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線接口的智能型電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的開(kāi)發(fā)、試驗(yàn)和應(yīng)用，實(shí)踐證明，使用效果較好，對(duì)其推廣具有重要意義。

現(xiàn)場(chǎng)總線是一種應(yīng)用于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備（儀表）之間、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備控制室內(nèi)的自動(dòng)控制裝置（系統(tǒng)）之間實(shí)現(xiàn)串行、雙向、多點(diǎn)數(shù)字式的通信技術(shù)。它是以單個(gè)分散的數(shù)字化、智能化的測(cè)量和控制設(shè)備作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，用總線連接，實(shí)現(xiàn)互相交換信息，共同完成自動(dòng)控制功能的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與控制系統(tǒng)。

現(xiàn)場(chǎng)總線種類(lèi)很多，應(yīng)用于電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)行業(yè)主要有Modbus-RTU、Profibus-DP、FF、Devicenet等。其中Profibus總線在1999年成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC61158的組成部分，2001年批準(zhǔn)成為中國(guó)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T10308.3—2001。Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)是開(kāi)放式、數(shù)字化、多點(diǎn)通信的底層控制網(wǎng)，以現(xiàn)場(chǎng)總線為紐帶，把單個(gè)分散的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備變成網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，采用數(shù)字式通信方式取代原來(lái)設(shè)備級(jí)的4～20mA模擬量和24VDC開(kāi)關(guān)量信號(hào)，形成底層現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備與高層的系統(tǒng)信息共享，滿(mǎn)足工業(yè)控制體系分布化、扁平化和智能化的發(fā)展要求。

1、總線控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1、硬件設(shè)計(jì)

電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)又稱(chēng)電動(dòng)裝置、電動(dòng)頭，一般和閥門(mén)、風(fēng)門(mén)等配套使用，通過(guò)接收控制中心給出的控制信號(hào)（開(kāi)關(guān)量、模擬量或總線信號(hào)）來(lái)控制閥門(mén)、風(fēng)門(mén)等的開(kāi)度，并將執(zhí)行機(jī)構(gòu)的狀態(tài)信號(hào)反饋給控制中心。根據(jù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和控制中心需要完成的數(shù)據(jù)交換，編寫(xiě)GSD文件，定義用戶(hù)數(shù)據(jù)域和數(shù)據(jù)交換格式，再根據(jù)DP協(xié)議通過(guò)單片機(jī)和協(xié)議芯片與DP主站進(jìn)行通信?？刂浦行暮蛨?zhí)行機(jī)構(gòu)一般組成單主系統(tǒng)，主站、從站間采用循環(huán)數(shù)據(jù)傳輸方式工作。在SND智能型電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)原有軟硬件結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)Profi-bus-DP接口卡，可方便地將執(zhí)行機(jī)構(gòu)接入總線通信網(wǎng)絡(luò)。DP卡與主站之間以RS-485總線的形式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

Profibus-DP總線型電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)在原來(lái)智能型電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上加裝了DP通信卡。DP卡的核心部分由單片機(jī)W78E052B40PL、協(xié)議芯片SPC3和IL485接口芯片組成。SPC3是Profibus-DP專(zhuān)用協(xié)議芯片（需和單片機(jī)配套使用），負(fù)責(zé)把主站送來(lái)的數(shù)據(jù)拆包，送往單片機(jī)，同時(shí)把單片機(jī)送來(lái)的數(shù)據(jù)打包，送往主站;W78E052B40PL是主板與SPC3的橋梁，負(fù)責(zé)初始化和協(xié)議轉(zhuǎn)換。該方案的優(yōu)點(diǎn)為總線卡和控制系統(tǒng)是模塊式結(jié)構(gòu)，要接入Profibus網(wǎng)絡(luò)時(shí)只要加裝總線卡即可。

Profibus的通信協(xié)議較復(fù)雜。從原則上講，它可以在任何微處理器上由軟件實(shí)現(xiàn)，只需安裝異步串行收發(fā)器（UART）。但現(xiàn)在開(kāi)發(fā)人員只要使用專(zhuān)用的通信處理芯片，完全可摒棄復(fù)雜的協(xié)議。Profibus通信協(xié)議芯片已形成廣泛系列，使用這些協(xié)議芯片可使Profibus協(xié)議的具體實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、方便、省時(shí)、省力，還可達(dá)到快速提供產(chǎn)品的目的。適合于智能從站的ASIC種類(lèi)較多，如IAM公司的PBS，Motorola公司的68302、68360，SiemensS公司的SPC4、SPC3，VIPA公司的VPC3+、VPM2L等，其中的SPC3通信協(xié)議芯片較有代表性。所以，總線卡的設(shè)計(jì)關(guān)鍵是SPC3協(xié)議芯片的應(yīng)用。

SPC3內(nèi)部集成了1個(gè)看門(mén)狗定時(shí)器，有3種不同的操作狀態(tài)：波特率監(jiān)測(cè)、波特率控制和DP控制。SPC3集成了DP協(xié)議中的FDL層，由微序列器（MicroSequencer，MS）控制整個(gè)SPC3的工作過(guò)程。內(nèi)部還集成了1.5KB的雙口RAM，整個(gè)RAM采用8Byte的段結(jié)構(gòu)方式，分成192段，所有需要分配地址的BUF指針，必須指向段的開(kāi)頭。在1.5KBRAM中，SPC3自己用到了64Byte，這64Byte大多需要通過(guò)單片機(jī)設(shè)定，如中斷屏蔽字、硬件模式寄存器0和1、各種BUF長(zhǎng)度和指針、標(biāo)志字等;還有一部分是SPC3的各種狀態(tài)指示用寄存器，如中斷字、輸入BUF狀態(tài)、輸出BUF狀態(tài)、診斷BUF狀態(tài)等;還有些寄存器在寫(xiě)入時(shí)作為工作模式設(shè)定寄存器，而讀出時(shí)作為狀態(tài)指示用寄存器，如中斷請(qǐng)求寄存器。RAM的其他1472Byte是提供給各種BUF的空間。SPC3具有3個(gè)輸入BUF、3個(gè)輸出BUF、2個(gè)診斷BUF、2個(gè)輔助BUF、1個(gè)配置BUF、1個(gè)參數(shù)BUF和1個(gè)地址設(shè)置BUF。當(dāng)SPC3工作前，過(guò)程特定的參數(shù)（如站地址、標(biāo)志號(hào)、各種控制位等）要輸入到特定的寄存器單元之后SPC3才能正常。DP通信的服務(wù)存取點(diǎn)由SPC3自動(dòng)建立，各種報(bào)文信息呈現(xiàn)在用戶(hù)面前的是不同BUF的內(nèi)部數(shù)據(jù)。SPC3相當(dāng)于單片機(jī)W78E052B40PL擴(kuò)展的一個(gè)外部RAM，可通過(guò)總線接口訪問(wèn)SPC3內(nèi)部RAM。SPC3的雙口RAM應(yīng)在CPU地址空間中統(tǒng)一分配地址。CPU把這片RAM當(dāng)作自己的外部RAM。

SPC3內(nèi)部的UART實(shí)現(xiàn)串并數(shù)據(jù)流的相互轉(zhuǎn)變，用于串行通信的4個(gè)管腳分別為XCTS、RTS、TxD和RxD。XCTS的含義為清除發(fā)送，是SPC3的輸入信號(hào)，表示允許SPC3發(fā)送數(shù)據(jù)，RTS為SPC3的請(qǐng)求發(fā)送信號(hào)，RxD和TxD分別為串行接收和發(fā)送端口。SPC3可自動(dòng)標(biāo)志總線的波特率（9.6kb/s～12Mb/s），為提高系統(tǒng)的抗干擾性，SPC3內(nèi)部線路必須與物理接口在電氣上隔離。輸入/輸出通道上的電氣隔離，采用了6N137高速光耦。電源的電氣隔離，采用了DCP0505這種5V/5V的隔離轉(zhuǎn)換電源。采用的高速光耦為6N137，收發(fā)器為SN7LS176，通信速率可達(dá)6Mbaud/s，可用于大部分的應(yīng)用系統(tǒng)。如果用戶(hù)需要更高的通信速率，可將光耦換作可達(dá)25Mbaud/s的HCPL-7720/7721。

由此可見(jiàn)，通過(guò)協(xié)議芯片SPC3來(lái)設(shè)計(jì)DP接口卡，不用太多了解DP協(xié)議本身，而且有標(biāo)準(zhǔn)的電路和詳細(xì)的設(shè)計(jì)資料，硬件設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單。

1.2、軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)方面主要是單片機(jī)和SPC3的初始化，對(duì)SPC3的寄存器進(jìn)行配置，啟動(dòng)SPC3，進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送。接收和發(fā)送有兩部分：一是單片機(jī)和SPC3之間的數(shù)據(jù)傳遞;二是單片機(jī)與主板之間的數(shù)據(jù)傳遞。整個(gè)數(shù)據(jù)傳遞的過(guò)程為單片機(jī)從主板讀入數(shù)據(jù)，然后傳遞給SPC3，SPC3對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，發(fā)送到Profibus總線上由主站接收。主站和作為從站的執(zhí)行機(jī)構(gòu)的數(shù)據(jù)輸入和輸出處理（輸入輸出相對(duì)于主站而言），以及用戶(hù)診斷數(shù)據(jù)輸入，放在應(yīng)用程序的循環(huán)中。在一個(gè)應(yīng)用循環(huán)中，由應(yīng)用來(lái)刷新輸入BUF中的數(shù)據(jù)，保障所有輸入數(shù)據(jù)是zui新更新的數(shù)據(jù)。SPC3在接收由Profibus主站傳送的不同輸出數(shù)據(jù)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生輸出標(biāo)志位，CPU通過(guò)在應(yīng)用循環(huán)中輪詢(xún)標(biāo)志位來(lái)接收主站數(shù)據(jù)。相對(duì)于特定應(yīng)用診斷信息，需要實(shí)時(shí)傳遞到主站;主應(yīng)用程序在應(yīng)用循環(huán)中判斷是否有可用的診斷BUF存在，當(dāng)有空閑BUF時(shí)，應(yīng)用程序輸入診斷信息并請(qǐng)求更新。對(duì)實(shí)時(shí)性要求嚴(yán)格的系統(tǒng)，采用中斷方式進(jìn)行輸出數(shù)據(jù)和診斷數(shù)據(jù)處理。

2、電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)DP協(xié)議中用戶(hù)數(shù)據(jù)域和數(shù)據(jù)交換格式的定義

從站讀取主站輸出的數(shù)據(jù)格式介紹如下：

3.1、通信試驗(yàn)

帶Profibus-DP總線接口的智能型電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)自開(kāi)發(fā)完成以來(lái)，經(jīng)過(guò)了一系列的試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)使用。試驗(yàn)中采用單主站、3從站。主站硬件由筆記本電腦、西門(mén)子CP5512卡組成，軟件由SOFTNETDPV6.2SP1、STEP7V5.3SP3、OPCScout組成。通過(guò)STEP7將筆記本電腦組態(tài)為ProfiBus主站，同時(shí)將其設(shè)置為OPC服務(wù)器，將3臺(tái)SND系列電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)組態(tài)設(shè)為從站，并下載到PC（CP5512）主站上，構(gòu)成Profibus-DP主從系統(tǒng)。

在PC機(jī)中使用OPC客戶(hù)端軟件（OPCScout），通過(guò)OPC服務(wù)器對(duì)DP從站的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫(xiě)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視和控制。

總線波特率設(shè)為1.5Mbaud/s，主站執(zhí)行機(jī)構(gòu)地址設(shè)為2，從站執(zhí)行機(jī)構(gòu)地址設(shè)為3、4、5。主站發(fā)送開(kāi)、關(guān)、停止、運(yùn)行控制字和設(shè)定開(kāi)度運(yùn)行控制字，執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行動(dòng)作全開(kāi)、全關(guān)、立即停止和運(yùn)行到指定位置，達(dá)到了預(yù)期效果。主站讀取從站內(nèi)容，在狀態(tài)反饋中，執(zhí)行機(jī)構(gòu)狀態(tài)字、遠(yuǎn)控方式狀態(tài)字、執(zhí)行機(jī)構(gòu)開(kāi)度、力矩百分比等，這些都能在試驗(yàn)中準(zhǔn)確反映出來(lái)。

3.2、現(xiàn)場(chǎng)使用

該產(chǎn)品在汕頭海門(mén)2×1000MW電廠海水脫硫系統(tǒng)中應(yīng)用了28臺(tái)帶Profibus-DP總線接口的SND系列智能型電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)?？刂葡到y(tǒng)采用了上海西屋控制系統(tǒng)有限公司的OVATION3.1.2系統(tǒng)，Profibus-DP總線網(wǎng)段內(nèi)有常州SND-Z型電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)、英國(guó)ROTORKIQ10F10A、蘇州智能MCC控制裝置ST500。傳輸模式Profibus-DP/V0，數(shù)據(jù)傳輸率為185.7kb/s，GSD文件為VALVEFPS.GSD，通信數(shù)據(jù)為13個(gè)輸入（8Byte），分別對(duì)應(yīng)OVATION系統(tǒng)的INPUT1-INPUT13;4個(gè)輸出（8Byte）分別對(duì)應(yīng)OVATION系統(tǒng)的OUTPUT1～OUTPUT4?？偩€的拓?fù)湫问饺鐖D9所示。

Profibus通信協(xié)議保障了通信的高可靠性，但以硬件和軟件設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)。在通信接口設(shè)計(jì)時(shí)，必須遵循一定的規(guī)范，如信號(hào)的隔離，總線接口與收發(fā)間避免線路過(guò)長(zhǎng)，電源的濾波處理，收發(fā)器和光耦的限流電阻和負(fù)載電阻必須與收發(fā)器光耦配合適當(dāng)?shù)取．?dāng)信號(hào)在總線上傳輸時(shí)，由于阻抗不連續(xù)會(huì)形成信號(hào)反射，導(dǎo)致傳輸信號(hào)畸變。因此，必須在傳輸線末端加電阻來(lái)消除阻抗不連續(xù)。所加電阻值應(yīng)盡量接近傳輸線的特性阻抗。特性阻抗值與導(dǎo)線的長(zhǎng)度無(wú)關(guān)，一般為100～165Ω。在實(shí)際使用時(shí)，注意到了信號(hào)的隔離，總線接口與收發(fā)間避免線路過(guò)長(zhǎng)，電源的濾波處理，收發(fā)器和光耦的限流電阻和負(fù)載電阻必須與收發(fā)器光耦配合適當(dāng)，線路回波反射和終端電阻等問(wèn)題。

經(jīng)過(guò)1年多的使用，總線系統(tǒng)正常穩(wěn)定，維護(hù)量很小，達(dá)到了業(yè)主的要求。

帶Profibus-DP總線接口的SND系列智能型電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)還用在一些出口項(xiàng)目上，如中國(guó)恩菲公司的巴新瑞木項(xiàng)目、中國(guó)CMEC的印度工程等項(xiàng)目上，以及一些國(guó)內(nèi)項(xiàng)目上，如中石化管道公司、大連清山水廠等，使用的效果都非常好，得到了用戶(hù)的一致好評(píng)。

4、結(jié)語(yǔ)

本文介紹了帶Profibus-DP總線接口的智能型電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)總線方面的設(shè)計(jì)、檢測(cè)和應(yīng)用。執(zhí)行機(jī)構(gòu)通過(guò)Profibus-DP總線卡成功地接入Profibus總線網(wǎng)絡(luò)，達(dá)到了控制和反饋的預(yù)期目的。開(kāi)發(fā)過(guò)程也證明SPC3協(xié)議芯片應(yīng)用于開(kāi)發(fā)從站，能使開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單，節(jié)省人力和時(shí)間。由于工廠工作的連續(xù)性，有必要開(kāi)發(fā)冗余的DP卡，以保證通信的可靠性，同時(shí)也便于檢修。

就目前而言，分散型控制系統(tǒng)（DistributedControlSystem，DCS）已經(jīng)比較成熟，而現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（FieldbusControlSystem，F(xiàn)CS）正在逐步發(fā)展起來(lái)。隨著現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的發(fā)展和標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一，帶現(xiàn)場(chǎng)總線的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備必將成為主流。從長(zhǎng)遠(yuǎn)看，總線在經(jīng)濟(jì)性、性、開(kāi)放性、靈活性和可維護(hù)性上，都有較大的優(yōu)勢(shì)。由于執(zhí)行機(jī)構(gòu)行業(yè)在國(guó)內(nèi)具有Profibus-DP總線成功應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的廠家并不多，因此，總線型產(chǎn)品具有廣闊的市場(chǎng)前景。

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