Profibus-DP總線在智能型電動執(zhí)行機構(gòu)中的應用

　　Profibus現(xiàn)場總線以其卓越的技術(shù)性能，在全世界范圍內(nèi)得到廣泛的應用。在電動執(zhí)行機構(gòu)行業(yè)內(nèi)也需要開發(fā)帶有Profibus現(xiàn)場總線接口的產(chǎn)品。著重介紹了帶有Profibus現(xiàn)場總線接口的智能型電動執(zhí)行機構(gòu)的開發(fā)、試驗和應用，實踐證明，使用效果較好，對其推廣具有重要意義。

　　現(xiàn)場總線是一種應用于生產(chǎn)現(xiàn)場，在現(xiàn)場設備(儀表)之間、現(xiàn)場設備控制室內(nèi)的自動控制裝置(系統(tǒng))之間實現(xiàn)串行、雙向、多點數(shù)字式的通信技術(shù)。它是以單個分散的數(shù)字化、智能化的測量和控制設備作為網(wǎng)絡節(jié)點，用總線連接，實現(xiàn)互相交換信息，共同完成自動控制功能的網(wǎng)絡系統(tǒng)與控制系統(tǒng)。

　　現(xiàn)場總線種類很多，應用于電動執(zhí)行機構(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(xiàn)場總線技術(shù)是開放式、數(shù)字化、多點通信的底層控制網(wǎng)，以現(xiàn)場總線為紐帶，把單個分散的現(xiàn)場設備變成網(wǎng)絡節(jié)點，采用數(shù)字式通信方式取代原來設備級的4～20mA模擬量和24VDC開關量信號，形成底層現(xiàn)場智能設備與高層的系統(tǒng)信息共享，滿足工業(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)總體設計

　　1.1、硬件設計

　　電動執(zhí)行機構(gòu)又稱電動裝置、電動頭，一般和閥門、風門等配套使用，通過接收控制中心給出的控制信號(開關量、模擬量或總線信號)來控制閥門、風門等的開度，并將執(zhí)行機構(gòu)的狀態(tài)信號反饋給控制中心。根據(jù)執(zhí)行機構(gòu)和控制中心需要完成的數(shù)據(jù)交換，編寫GSD文件，定義用戶數(shù)據(jù)域和數(shù)據(jù)交換格式，再根據(jù)DP協(xié)議通過單片機和協(xié)議芯片與DP主站進行通信�？刂浦行暮蛨�(zhí)行機構(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智能型電動執(zhí)行機構(gòu)原有軟硬件結(jié)構(gòu)的基礎上，開發(fā)Profi-bus-DP接口卡，可方便地將執(zhí)行機構(gòu)接入總線通信網(wǎng)絡。DP卡與主站之間以RS-485總線的形式進行數(shù)據(jù)交換。通信原理框圖如圖1所示。

圖1 通信原理框圖

　　Profibus-DP總線型電動執(zhí)行機構(gòu)在原來智能型電動執(zhí)行機構(gòu)控制系統(tǒng)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專用協(xié)議芯片(需和單片機配套使用)，負責把主站送來的數(shù)據(jù)拆包，送往單片機，同時把單片機送來的數(shù)據(jù)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(zhuǎn)換。該方案的優(yōu)點為總線卡和控制系統(tǒng)是模塊式結(jié)構(gòu)，要接入Profibus網(wǎng)絡時只要加裝總線卡即可。

　　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現(xiàn)，只需安裝異步串行收發(fā)器(UART)。但現(xiàn)在開發(fā)人員只要使用專用的通信處理芯片，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)議的具體實現(xiàn)簡單、方便、省時、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，總線卡的設計關鍵是SPC3協(xié)議芯片的應用。

圖2 SPC3內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

　　SPC3的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。SPC3內(nèi)部集成了1個看門狗定時器，有3種不同的操作狀態(tài)：波特率監(jiān)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SPC3的工作過程。內(nèi)部還集成了1.5KB的雙口RAM，整個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，必須指向段的開頭。在1.5KBRAM中，SPC3自己用到了64Byte，這64Byte大多需要通過單片機設定，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;還有些寄存器在寫入時作為工作模式設定寄存器，而讀出時作為狀態(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個輸入BUF、3個輸出BUF、2個診斷BUF、2個輔助BUF、1個配置BUF、1個參數(shù)BUF和1個地址設置BUF。當SPC3工作前，過程特定的參數(shù)(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通信的服務存取點由SPC3自動建立，各種報文信息呈現(xiàn)在用戶面前的是不同BUF的內(nèi)部數(shù)據(jù)。SPC3相當于單片機W78E052B40PL擴展的一個外部RAM，可通過總線接口訪問SPC3內(nèi)部RAM。SPC3的雙口RAM應在CPU地址空間中統(tǒng)一分配地址。CPU把這片RAM當作自己的外部RAM。

　　SPC3內(nèi)部的UART實現(xiàn)串并數(shù)據(jù)流的相互轉(zhuǎn)變，用于串行通信的4個管腳分別為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(shù)據(jù)，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可自動標志總線的波特率(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SN75ALS176，通信速率可達6Mbaud/s，可用于大部分的應用系統(tǒng)。如果用戶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，通過協(xié)議芯片SPC3來設計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的寄存器進行配置，啟動SPC3，進行數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送。接收和發(fā)送有兩部分：一是單片機和SPC3之間的數(shù)據(jù)傳遞;二是單片機與主板之間的數(shù)據(jù)傳遞。整個數(shù)據(jù)傳遞的過程為單片機從主板讀入數(shù)據(jù)，然后傳遞給SPC3，SPC3對數(shù)據(jù)進行處理，發(fā)送到Profibus總線上由主站接收。主站和作為從站的執(zhí)行機構(gòu)的數(shù)據(jù)輸入和輸出處理(輸入輸出相對于主站而言)，以及用戶診斷數(shù)據(jù)輸入，放在應用程序的循環(huán)中。在一個應用循環(huán)中，由應用來刷新輸入BUF中的數(shù)據(jù)，保障所有輸入數(shù)據(jù)是最新更新的數(shù)據(jù)。SPC3在接收由Profibus主站傳送的不同輸出數(shù)據(jù)時，會產(chǎn)生輸出標志位，CPU通過在應用循環(huán)中輪詢標志位來接收主站數(shù)據(jù)。相對于特定應用診斷信息，需要實時傳遞到主站;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，應用程序輸入診斷信息并請求更新。對實時性要求嚴格的系統(tǒng)，采用中斷方式進行輸出數(shù)據(jù)和診斷數(shù)據(jù)處理。初始化程序框圖如圖3所示。

圖3 初始化程序框圖

2、電動執(zhí)行機構(gòu)DP協(xié)議中用戶數(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：

　　(1)主站請求報文的結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 主站請求報文結(jié)構(gòu)

　　(2)從站響應報文的結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 從站響應報文結(jié)構(gòu)

　　通信數(shù)據(jù)為輸入13Byte，輸出4Byte，如表4所示。

　　例如，電動執(zhí)行機構(gòu)控制命令輸出數(shù)據(jù)共2個字，開、關、停止運行控制命令(寫)如圖6所示。

圖6 開關停運控制命令

　　控制命令中各位含義如下：

　　bit0：關指令，1=運行，0=停止

　　bit1：開指令，1=運行，0=停止

　　bit2：停指令，1=停止，0=無效

　　bit3：緊急關閉指令指令，1=運行，0=停止

3、Profibus-DP通信試驗和現(xiàn)場使用

　　3.1、通信試驗

　　帶Profibus-DP總線接口的智能型電動執(zhí)行機構(gòu)自開發(fā)完成以來，經(jīng)過了一系列的試驗和現(xiàn)場使用。試驗中采用單主站、3從站。主站硬件由筆記本電腦、西門子CP5512卡組成，軟件由SOFTNETDPV6.2SP1、STEP7V5.3SP3、OPCScout組成。通過STEP7將筆記本電腦組態(tài)為ProfiBus主站，同時將其設置為OPC服務器，將3臺SND系列電動執(zhí)行機構(gòu)組態(tài)設為從站，并下載到PC(CP5512)主站上，構(gòu)成Profibus-DP主從系統(tǒng)，如圖7所示。

圖7 通信試驗硬件連接

　　在PC機中使用OPC客戶端軟件(OPCScout)，通過OPC服務器對DP從站的數(shù)據(jù)進行讀寫，從而實現(xiàn)對電動執(zhí)行機構(gòu)運行狀態(tài)進行監(jiān)視和控制，如圖8所示。

圖8 通信試驗數(shù)據(jù)采集

　　總線波特率設為1.5Mbaud/s，主站執(zhí)行機構(gòu)地址設為2，從站執(zhí)行機構(gòu)地址設為3、4、5。主站發(fā)送開、關、停止、運行控制字和設定開度運行控制字，執(zhí)行機構(gòu)執(zhí)行動作全開、全關、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(nèi)容，在狀態(tài)反饋中，執(zhí)行機構(gòu)狀態(tài)字、遠控方式狀態(tài)字、執(zhí)行機構(gòu)開度、力矩百分比等，這些都能在試驗中準確反映出來。

　　3.2、現(xiàn)場使用

　　該產(chǎn)品在汕頭海門2×1000MW電廠海水脫硫系統(tǒng)中應用了28臺帶Profibus-DP總線接口的SND系列智能型電動執(zhí)行機構(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型電動執(zhí)行機構(gòu)、英國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個輸入(8Byte)，分別對應OVATION系統(tǒng)的INPUT1-INPUT13;4個輸出(8Byte)分別對應OVATION系統(tǒng)的OUTPUT1～OUTPUT4�？偩�的拓撲形式如圖9所示。

圖9 現(xiàn)場應用的拓撲形式

　　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，必須遵循一定的規(guī)范，如信號的隔離，總線接口與收發(fā)間避免線路過長，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?shù)取．斝盘栐诳偩�上傳輸時，由于阻抗不連續(xù)會形成信號反射，導致傳輸信號畸變。因此，必須在傳輸線末端加電阻來消除阻抗不連續(xù)。所加電阻值應盡量接近傳輸線的特性阻抗。特性阻抗值與導線的長度無關，一般為100～165Ω。在實際使用時，注意到了信號的隔離，總線接口與收發(fā)間避免線路過長，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，線路回波反射和終端電阻等問題。

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

　　帶Profibus-DP總線接口的SND系列智能型電動執(zhí)行機構(gòu)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(nèi)項目上，如中石化管道公司、大連清山水廠等，使用的效果都非常好，得到了用戶的一致好評。

4、結(jié)語

　　本文介紹了帶Profibus-DP總線接口的智能型電動執(zhí)行機構(gòu)總線方面的設計、檢測和應用。執(zhí)行機構(gòu)通過Profibus-DP總線卡成功地接入Profibus總線網(wǎng)絡，達到了控制和反饋的預期目的。開發(fā)過程也證明SPC3協(xié)議芯片應用于開發(fā)從站，能使開發(fā)簡單，節(jié)省人力和時間。由于工廠工作的連續(xù)性，有必要開發(fā)冗余的DP卡，以保證通信的可靠性，同時也便于檢修。

　　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)場總線控制系統(tǒng)(FieldbusControlSystem，F(xiàn)CS)正在逐步發(fā)展起來。隨著現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展和標準的統(tǒng)一，帶現(xiàn)場總線的現(xiàn)場設備必將成為主流。從長遠看，總線在經(jīng)濟性、精確性、開放性、靈活性和可維護性上，都有較大的優(yōu)勢。由于執(zhí)行機構(gòu)行業(yè)在國內(nèi)具有Profibus-DP總線成功應用經(jīng)驗的廠家并不多，因此，總線型產(chǎn)品具有廣闊的市場前景。

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