Profibus-DP總線(xiàn)在智能型電動(dòng)執行機構中的應用
Profibus現場(chǎng)總線(xiàn)以其卓越的技術(shù)性能，在全世界范圍內得到廣泛的應用。在電動(dòng)執行機構行業(yè)內也需要開(kāi)發(fā)帶有Profibus現場(chǎng)總線(xiàn)接口的產(chǎn)品。著(zhù)重介紹了帶有Profibus現場(chǎng)總線(xiàn)接口的智能型電動(dòng)執行機構的開(kāi)發(fā)、試驗和應用，實(shí)踐證明，使用效果較好，對其推廣具有重要意義。
現場(chǎng)總線(xiàn)是一種應用于生產(chǎn)現場(chǎng)，在現場(chǎng)設備(儀表)之間、現場(chǎng)設備控制室內的自動(dòng)控制裝置(系統)之間實(shí)現串行、雙向、多點(diǎn)數字式的通信技術(shù)。它是以單個(gè)分散的數字化、智能化的測量和控制設備作為網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)，用總線(xiàn)連接，實(shí)現互相交換信息，共同完成自動(dòng)控制功能的網(wǎng)絡(luò )系統與控制系統。
現場(chǎng)總線(xiàn)種類(lèi)很多，應用于電動(dòng)執行機構行業(yè)主要有Modbus-RTU、Profibus-DP、FF、Devicenet等。其中Profibus總線(xiàn)在1999年成為國際標準IEC61158的組成部分，2001年批準成為中國的行業(yè)標準JB/T10308.3—2001。Profibus現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)是開(kāi)放式、數字化、多點(diǎn)通信的底層控制網(wǎng)，以現場(chǎng)總線(xiàn)為紐帶，把單個(gè)分散的現場(chǎng)設備變成網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)，采用數字式通信方式取代原來(lái)設備級的4～20mA模擬量和24VDC開(kāi)關(guān)量信號，形成底層現場(chǎng)智能設備與高層的系統信息共享，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(xiàn)控制系統總體設計
1.1、硬件設計
電動(dòng)執行機構又稱(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(開(kāi)關(guān)量、模擬量或總線(xiàn)信號)來(lái)控制閥門(mén)、風(fēng)門(mén)等的開(kāi)度，并將執行機構的狀態(tài)信號反饋給控制中心。根據執行機構和控制中心需要完成的數據交換，編寫(xiě)GSD文件，定義用戶(hù)數據域和數據交換格式，再根據DP協(xié)議通過(guò)單片機和協(xié)議芯片與DP主站進(jìn)行通信�？刂浦行暮蛨绦袡C構一般組成單主系統，主站、從站間采用循環(huán)數據傳輸方式工作。在SND智能型電動(dòng)執行機構原有軟硬件結構的基礎上，開(kāi)發(fā)Profi-bus-DP接口卡，可方便地將執行機構接入總線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )。DP卡與主站之間以RS-485總線(xiàn)的形式進(jìn)行數據交換。通信原理框圖如圖1所示。
圖1 通信原理框圖
Profibus-DP總線(xiàn)型電動(dòng)執行機構在原來(lái)智能型電動(dòng)執行機構控制系統的基礎上加裝了DP通信卡。DP卡的核心部分由單片機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(需和單片機配套使用)，負責把主站送來(lái)的數據拆包，送往單片機，同時(shí)把單片機送來(lái)的數據打包，送往主站;W78E052B40PL是主板與SPC3的橋梁，負責初始化和協(xié)議轉換。該方案的優(yōu)點(diǎn)為總線(xiàn)卡和控制系統是模塊式結構，要接入Profibus網(wǎng)絡(luò )時(shí)只要加裝總線(xiàn)卡即可。
Profibus的通信協(xié)議較復雜。從原則上講，它可以在任何微處理器上由軟件實(shí)現，只需安裝異步串行收發(fā)器(UART)。但現在開(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)現簡(jiǎn)單、方便、省時(shí)、省力，還可達到快速提供產(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(xiàn)卡的設計關(guān)鍵是SPC3協(xié)議芯片的應用。
圖2 SPC3內部結構示意圖
SPC3的內部結構示意圖如圖2所示。SPC3內部集成了1個(gè)看門(mén)狗定時(shí)器，有3種不同的操作狀態(tài)：波特率監測、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。內部還集成了1.5KB的雙口RAM，整個(gè)RAM采用8Byte的段結構方式，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)單片機設定，如中斷屏蔽字、硬件模式寄存器0和1、各種BUF長(cháng)度和指針、標志字等;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)作為工作模式設定寄存器，而讀出時(shí)作為狀態(tài)指示用寄存器，如中斷請求寄存器。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BUF和1個(gè)地址設置BUF。當SPC3工作前，過(guò)程特定的參數(如站地址、標志號、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，各種報文信息呈現在用戶(hù)面前的是不同BUF的內部數據。SPC3相當于單片機W78E052B40PL擴展的一個(gè)外部RAM，可通過(guò)總線(xiàn)接口訪(fǎng)問(wèn)SPC3內部RAM。SPC3的雙口RAM應在CPU地址空間中統一分配地址。CPU把這片RAM當作自己的外部RAM。
SPC3內部的UART實(shí)現串并數據流的相互轉變，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，表示允許SPC3發(fā)送數據，RTS為SPC3的請求發(fā)送信號，RxD和TxD分別為串行接收和發(fā)送端口。SPC3可自動(dòng)標志總線(xiàn)的波特率(9.6kb/s～12Mb/s)，為提高系統的抗干擾性，SPC3內部線(xiàn)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的隔離轉換電源。采用的高速光耦為6N137，收發(fā)器為SN75ALS176，通信速率可達6Mbaud/s，可用于大部分的應用系統。如果用戶(hù)需要更高的通信速率，可將光耦換作可達25Mbaud/s的HCPL-7720/7721。
由此可見(jiàn)，通過(guò)協(xié)議芯片SPC3來(lái)設計DP接口卡，不用太多了解DP協(xié)議本身，而且有標準的電路和詳細的設計資料，硬件設計比較簡(jiǎn)單。
1.2、軟件設計
軟件設計方面主要是單片機和SPC3的初始化，對SPC3的寄存器進(jìn)行配置，啟動(dòng)SPC3，進(jìn)行數據的接收和發(fā)送。接收和發(fā)送有兩部分：一是單片機和SPC3之間的數據傳遞;二是單片機與主板之間的數據傳遞。整個(gè)數據傳遞的過(guò)程為單片機從主板讀入數據，然后傳遞給SPC3，SPC3對數據進(jìn)行處理，發(fā)送到Profibus總線(xiàn)上由主站接收。主站和作為從站的執行機構的數據輸入和輸出處理(輸入輸出相對于主站而言)，以及用戶(hù)診斷數據輸入，放在應用程序的循環(huán)中。在一個(gè)應用循環(huán)中，由應用來(lái)刷新輸入BUF中的數據，保障所有輸入數據是最新更新的數據。SPC3在接收由Profibus主站傳送的不同輸出數據時(shí)，會(huì )產(chǎn)生輸出標志位，CPU通過(guò)在應用循環(huán)中輪詢(xún)標志位來(lái)接收主站數據。相對于特定應用診斷信息，需要實(shí)時(shí)傳遞到主站;主應用程序在應用循環(huán)中判斷是否有可用的診斷BUF存在，當有空閑BUF時(shí)，應用程序輸入診斷信息并請求更新。對實(shí)時(shí)性要求嚴格的系統，采用中斷方式進(jìn)行輸出數據和診斷數據處理。初始化程序框圖如圖3所示。
圖3 初始化程序框圖
2、電動(dòng)執行機構DP協(xié)議中用戶(hù)數據域和數據交換格式的定義
從站讀取主站輸出的數據格式介紹如下：
(1)主站請求報文的結構如圖4所示。
圖4 主站請求報文結構
(2)從站響應報文的結構如圖5所示。
圖5 從站響應報文結構
通信數據為輸入13Byte，輸出4Byte，如表4所示。
例如，電動(dòng)執行機構控制命令輸出數據共2個(gè)字，開(kāi)、關(guān)、停止運行控制命令(寫(xiě))如圖6所示。
圖6 開(kāi)關(guān)停運控制命令
控制命令中各位含義如下：
bit0：關(guān)指令，1=運行，0=停止
bit1：開(kāi)指令，1=運行，0=停止
bit2：停指令，1=停止，0=無(wú)效
bit3：緊急關(guān)閉指令指令，1=運行，0=停止
3、Profibus-DP通信試驗和現場(chǎng)使用
3.1、通信試驗
帶Profibus-DP總線(xiàn)接口的智能型電動(dòng)執行機構自開(kāi)發(fā)完成以來(lái)，經(jīng)過(guò)了一系列的試驗和現場(chǎng)使用。試驗中采用單主站、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)將其設置為OPC服務(wù)器，將3臺SND系列電動(dòng)執行機構組態(tài)設為從站，并下載到PC(CP5512)主站上，構成Profibus-DP主從系統，如圖7所示。
圖7 通信試驗硬件連接
在PC機中使用OPC客戶(hù)端軟件(OPCScout)，通過(guò)OPC服務(wù)器對DP從站的數據進(jìn)行讀寫(xiě)，從而實(shí)現對電動(dòng)執行機構運行狀態(tài)進(jìn)行監視和控制，如圖8所示。
圖8 通信試驗數據采集
總線(xiàn)波特率設為1.5Mbaud/s，主站執行機構地址設為2，從站執行機構地址設為3、4、5。主站發(fā)送開(kāi)、關(guān)、停止、運行控制字和設定開(kāi)度運行控制字，執行機構執行動(dòng)作全開(kāi)、全關(guān)、立即停止和運行到指定位置，達到了預期效果。主站讀取從站內容，在狀態(tài)反饋中，執行機構狀態(tài)字、遠控方式狀態(tài)字、執行機構開(kāi)度、力矩百分比等，這些都能在試驗中準確反映出來(lái)。
3.2、現場(chǎng)使用
該產(chǎn)品在汕頭海門(mén)2×1000MW電廠(chǎng)海水脫硫系統中應用了28臺帶Profibus-DP總線(xiàn)接口的SND系列智能型電動(dòng)執行機構�？刂葡到y采用了上海西屋控制系統有限公司的OVATION3.1.2系統，Profibus-DP總線(xiàn)網(wǎng)段內有常州SND-Z型電動(dòng)執行機構、英國ROTORKIQ10F10A、蘇州智能MCC控制裝置ST500。傳輸模式Profibus-DP/V0，數據傳輸率為185.7kb/s，GSD文件為VALVEFPS.GSD，通信數據為13個(gè)輸入(8Byte)，分別對應OVATION系統的INPUT1-INPUT13;4個(gè)輸出(8Byte)分別對應OVATION系統的OUTPUT1～OUTPUT4�？偩�(xiàn)的拓撲形式如圖9所示。
圖9 現場(chǎng)應用的拓撲形式
Profibus通信協(xié)議保障了通信的高可靠性，但以硬件和軟件設計為基礎。在通信接口設計時(shí)，必須遵循一定的規范，如信號的隔離，總線(xiàn)接口與收發(fā)間避免線(xiàn)路過(guò)長(cháng)，電源的濾波處理，收發(fā)器和光耦的限流電阻和負載電阻必須與收發(fā)器光耦配合適當等。當信號在總線(xiàn)上傳輸時(shí)，由于阻抗不連續會(huì )形成信號反射，導致傳輸信號畸變。因此，必須在傳輸線(xiàn)末端加電阻來(lái)消除阻抗不連續。所加電阻值應盡量接近傳輸線(xiàn)的特性阻抗。特性阻抗值與導線(xiàn)的長(cháng)度無(wú)關(guān)，一般為100～165Ω。在實(shí)際使用時(shí)，注意到了信號的隔離，總線(xiàn)接口與收發(fā)間避免線(xiàn)路過(guò)長(cháng)，電源的濾波處理，收發(fā)器和光耦的限流電阻和負載電阻必須與收發(fā)器光耦配合適當，線(xiàn)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(xiàn)系統正常穩定，維護量很小，達到了業(yè)主的要求。
帶Profibus-DP總線(xiàn)接口的SND系列智能型電動(dòng)執行機構還用在一些出口項目上，如中國恩菲公司的巴新瑞木項目、中國CMEC的印度工程等項目上，以及一些國內項目上，如中石化管道公司、大連清山水廠(chǎng)等，使用的效果都非常好，得到了用戶(hù)的一致好評。
4、結語(yǔ)
本文介紹了帶Profibus-DP總線(xiàn)接口的智能型電動(dòng)執行機構總線(xiàn)方面的設計、檢測和應用。執行機構通過(guò)Profibus-DP總線(xiàn)卡成功地接入Profibus總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，達到了控制和反饋的預期目的。開(kāi)發(fā)過(guò)程也證明SPC3協(xié)議芯片應用于開(kāi)發(fā)從站，能使開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單，節省人力和時(shí)間。由于工廠(chǎng)工作的連續性，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(DistributedControlSystem，DCS)已經(jīng)比較成熟，而現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統(FieldbusControlSystem，FCS)正在逐步發(fā)展起來(lái)。隨著(zhù)現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的發(fā)展和標準的統一，帶現場(chǎng)總線(xiàn)的現場(chǎng)設備必將成為主流。從長(cháng)遠看，總線(xiàn)在經(jīng)濟性、精確性、開(kāi)放性、靈活性和可維護性上，都有較大的優(yōu)勢。由于執行機構行業(yè)在國內具有Profibus-DP總線(xiàn)成功應用經(jīng)驗的廠(chǎng)家并不多，因此，總線(xiàn)型產(chǎn)品具有廣闊的市場(chǎng)前景。
參考文獻
[1]現場(chǎng)總線(xiàn)(Profibus)專(zhuān)業(yè)委員會(huì )(CPO).運用Profibus-DP實(shí)現分散自動(dòng)化[G].
[2]范鎧.現場(chǎng)總線(xiàn)的發(fā)展趨勢[J].自動(dòng)化儀表，2000(2)：1-4.
[3]米歇爾.伏爾茨.Profibus現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)手冊[G].楊昌琨，譯.現場(chǎng)總線(xiàn)(Profibus)專(zhuān)業(yè)委員會(huì )，1998.
[4]郝曉弘.現場(chǎng)總線(xiàn)Profibus-DP網(wǎng)絡(luò )通訊原理探討[J].甘肅工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2000(9)：79-83.
[5]現場(chǎng)總線(xiàn)(Profibus)專(zhuān)業(yè)委員會(huì )(CPO).Profibus-DP快速入門(mén)[G].
[6]ProfibusDevelopmentKitsManuals[G].
