0 引言
   現(xiàn)場總線是一種串行、雙向、多點數(shù)字通信技術(shù)，應(yīng)用于生產(chǎn)現(xiàn)場，在現(xiàn)場設(shè)備（儀器）和現(xiàn)場設(shè)備控制室的自動控制裝置（系統(tǒng)）之間。它是一個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，以單個分散的數(shù)字、智能測量和控制設(shè)備為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，與總線連接，實現(xiàn)信息交換，共同完成自動控制功能。
   現(xiàn)場總線種類繁多，主要用于電動執(zhí)行機構(gòu)行業(yè)Modbus-RTU、Profibus-DP、FF、Devicenet等。其中Profibus1999年，總線成為國際標(biāo)準(zhǔn)IEC2001年，61158批準(zhǔn)成為中國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T10308.3—2001。Profibus現(xiàn)場總線技術(shù)是一個開放、數(shù)字、多點通信的底層控制網(wǎng)絡(luò)。以現(xiàn)場總線為紐帶，將單個分散的現(xiàn)場設(shè)備轉(zhuǎn)換為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，用數(shù)字通信取代原設(shè)備級4~20mA模擬量和24VDC開關(guān)量信號，形成底層現(xiàn)場智能設(shè)備與高層系統(tǒng)信息共享，滿足工業(yè)控制系統(tǒng)分布化、扁平化、智能化的發(fā)展要求。
   1 總線控制系統(tǒng)總體設(shè)計
   1.1 硬件設(shè)計
   電動執(zhí)行機構(gòu)，又稱電動裝置和電動頭，通常與閥門和閥門一起使用，通過接收控制中心給出的控制信號（開關(guān)量、模擬量或總線信號）來控制閥門和閥門的開度，并將執(zhí)行機構(gòu)的狀態(tài)信號反饋給控制中心。編制執(zhí)行機構(gòu)和控制中心需要完成的數(shù)據(jù)交換GSD根據(jù)DP通過單片機和協(xié)議芯片DP通信主站?？刂浦行暮蛨?zhí)行機構(gòu)一般形成單主系統(tǒng)，主站和站間采用循環(huán)數(shù)據(jù)傳輸。SND在原有軟硬件結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，開發(fā)智能電動執(zhí)行機構(gòu)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(luò)。DP卡與主站之間RS-數(shù)據(jù)交換以485總線的形式進(jìn)行。通信原理框圖如圖1所示。

圖1 通信原理框圖

   Profibus-DP在原智能電動執(zhí)行機構(gòu)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，安裝了總線電動執(zhí)行機構(gòu)DP通信卡。DP卡的核心部分由單片機組成W78E052B40PL、協(xié)議芯片SPC3和IL由485接口芯片組成。SPC3是Profibus-DP專用協(xié)議芯片(需與單片機配套使用)負(fù)責(zé)拆包主站發(fā)送的數(shù)據(jù)，發(fā)送到單片機，包裝單片機發(fā)送的數(shù)據(jù)，發(fā)送到主站；W78E052B40PL是主板與SPC3橋梁負(fù)責(zé)初始化和協(xié)議轉(zhuǎn)換。該方案的優(yōu)點是總線卡和控制系統(tǒng)是模塊結(jié)構(gòu)，需要連接Profibus只需在網(wǎng)絡(luò)上安裝總線卡即可。
   Profibus通信協(xié)議比較復(fù)雜。軟件原則上可以在任何微處理器上實現(xiàn)，只需安裝異步串行收發(fā)器（UART）。但現(xiàn)在開發(fā)人員可以放棄復(fù)雜的協(xié)議，只要他們使用特殊的通信處理芯片。Profibus使用這些協(xié)議芯片可以形成廣泛的通信協(xié)議芯片系列Profibus協(xié)議簡單、方便、省時、省力，也能快速提供產(chǎn)品。適用于智能站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)議芯片更具代表性。因此，設(shè)計總線卡的關(guān)鍵是SPC3協(xié)議芯片的應(yīng)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.有三種不同的操作狀態(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由微序列器組成的層（MicroSequencer，MS）控制整個SPC3工作過程。內(nèi)部還集成了1.5KB的雙口RAM，整個RAM采用8Byte段結(jié)構(gòu)分為192段，所有地址都需要分配BUF指針，必須指向段的開頭。.5KBRAM中，SPC3自己用到了64Byte，這64Byte大部分需要單片機設(shè)置，如中斷屏蔽字、硬件模式寄存器0和1、各種BUF長度、指針、標(biāo)志等。SPC寄存器用于各種狀態(tài)指示，如中斷字和輸入BUF狀態(tài)、輸出BUF狀態(tài)、診斷BUF狀態(tài)等。；有些寄存器在寫入時作為工作模式設(shè)置寄存器，在讀取時作為狀態(tài)指示，如中斷請求寄存器。RAM的其他1472Byte各種各樣的提供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設(shè)置一個地址BUF。當(dāng)SPC3工作前，輸入特定寄存器單元后，應(yīng)輸入特定參數(shù)（如站址、標(biāo)志號、各種控制位等）SPC3才能正常。DP通信服務(wù)訪問點由SPC3自動建立，用戶面前呈現(xiàn)的各種報紙信息不同BUF內(nèi)部數(shù)據(jù)。SPC相當(dāng)于單片機W78E052B40PL擴展的外部RAM，可通過總線接口訪問SPC3內(nèi)部RAM。SPC3的雙口RAM應(yīng)在CPU地址統(tǒng)一分配在地址空間中。CPU把這片RAM作為自己的外表RAM。
   SPC3內(nèi)部的UART串行通信的四個管腳是實現(xiàn)串行數(shù)據(jù)流的相互轉(zhuǎn)換XCTS、RTS、TxD和RxD。XCTS意思是清除發(fā)送，是SPC3的輸入信號表示允許SPC3發(fā)送數(shù)據(jù)，RTS為SPC請求發(fā)送信號，RxD和TxD分別為串行接收和發(fā)送端口。SPC波特率可自動標(biāo)記總線(9.6kb/s～12Mb/s），為提高系統(tǒng)的抗干擾性，SPC3內(nèi)部線路必須與電氣上的物理接口隔離。輸入/輸出通道上的電氣隔離采用6N137高速光耦合。電源的電氣隔離采用DCP0505這種5V/5V隔離轉(zhuǎn)換電源。高速光耦合為6N137，收發(fā)器為SN75ALS176，通信速率可達(dá)6Mbaud/s，可用于大多數(shù)應(yīng)用系統(tǒng)。如果用戶需要更高的通信速率，可以將光耦合器替換為25Mbaud/s的HCPL－7720/7721。
   可以看出，通過協(xié)議芯片SPC3來設(shè)計DP接口卡接口卡了解太多DP協(xié)議本身，有標(biāo)準(zhǔn)的電路和詳細(xì)的設(shè)計數(shù)據(jù)，硬件設(shè)計相對簡單。
   1.2 軟件設(shè)計
   軟件設(shè)計主要是單片機和SPC3初始化，對SPC3.配置寄存器并啟動SPC3.接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。接收和發(fā)送有兩部分:一是單片機和SPC3之間的數(shù)據(jù)傳輸；二是單片機與主板之間的數(shù)據(jù)傳輸。整個數(shù)據(jù)傳輸過程是單片機從主板讀取數(shù)據(jù)，然后傳輸?shù)絊PC3，SPC3處理數(shù)據(jù)，發(fā)送到Profibus總線由主站接收。主站和數(shù)據(jù)輸入輸出處理（輸入輸出相對于主站），以及用戶診斷數(shù)據(jù)輸入，作為從站執(zhí)行機構(gòu)放置在應(yīng)用程序的循環(huán)中。在應(yīng)用程序循環(huán)中，應(yīng)用程序刷新輸入BUF保證所有輸入數(shù)據(jù)都是最新更新的數(shù)據(jù)。SPC3在接收由Profibus當(dāng)主站傳輸不同的輸出數(shù)據(jù)時，會產(chǎn)生輸出標(biāo)志位，CPU主站數(shù)據(jù)通過在應(yīng)用循環(huán)中輪詢標(biāo)志位接收。與特定的應(yīng)用診斷信息相比，需要實時傳輸?shù)街髡?；主?yīng)用程序判斷應(yīng)用循環(huán)中是否有可用的診斷BUF存在，當(dāng)有空閑時BUF當(dāng)應(yīng)用程序輸入診斷信息并要求更新時。對于實時要求嚴(yán)格的系統(tǒng)，采用中斷方法輸出數(shù)據(jù)和診斷數(shù)據(jù)。初始化程序框圖如圖3所示。

圖3 初始程序框圖

   2 電動執(zhí)行機構(gòu)DP定義用戶數(shù)據(jù)域和協(xié)議中的數(shù)據(jù)交換格式
   從站讀取主站輸出的數(shù)據(jù)格式：
   (1)主站請求報文結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4

   (2)從站響應(yīng)報文的結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5

   通信數(shù)據(jù)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，如圖6所示。

圖6

   控制命令中的含義如下：
   bit0：關(guān)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(guān)閉指令，1=運行，0=停止
   3 Profibus-DP通信試驗及現(xiàn)場使用
   3.1 通信試驗
   帶Profibus-DP自開發(fā)完成以來，總線接口的智能電動執(zhí)行機構(gòu)已經(jīng)進(jìn)行了一系列的測試和現(xiàn)場使用。測試采用單站和3站。主站硬件由筆記本電腦和西門子組成CP由5512卡組成的軟件SOFTNETDPV6.2SP1、STEP7V5.3SP3、OPCScout組成。通過STEP7.筆記本電腦的組態(tài)ProfiBus主站同時設(shè)置為OPC三臺服務(wù)器SND系列電動執(zhí)行機構(gòu)的組態(tài)設(shè)置為從站并下載到PC（CP5512)主站構(gòu)成Profibus-DP如圖7所示，主從系統(tǒng)。

圖7

   在PC機中使用OPC客戶端軟件（OPCScout），通過OPC服務(wù)器對DP讀寫站內(nèi)的數(shù)據(jù)，從而監(jiān)控和控制電動執(zhí)行機構(gòu)的運行狀態(tài)，如圖8所示。

圖8

   總線波特率為1.5Mbaud/s，主站執(zhí)行機構(gòu)地址為2，從站執(zhí)行機構(gòu)地址為3、4、5。主站發(fā)送開關(guān)、關(guān)閉、停止、操作控制文字和設(shè)定開度操作控制文字，執(zhí)行機構(gòu)完全開放、完全關(guān)閉、立即停止和操作到指定位置，達(dá)到預(yù)期效果。主站閱讀站內(nèi)容，在狀態(tài)反饋中，可以準(zhǔn)確反映執(zhí)行機構(gòu)狀態(tài)文字、遠(yuǎn)程控制模式狀態(tài)文字、執(zhí)行機構(gòu)開度、扭矩百分比等。
   3.2 現(xiàn)場使用
   汕頭海門2×1000MW28條帶用于電廠海水脫硫系統(tǒng)Profibus-DP總線接口的SND系列智能電動執(zhí)行機構(gòu)?？刂葡到y(tǒng)采用上海西屋控制系統(tǒng)有限公司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/V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(8)Byte），分別對應(yīng)OVATION系統(tǒng)的INPUT1-INPUT13；4個輸出（8Byte）分別對應(yīng)OVATION系統(tǒng)的OUTPUT1～OUTPUT4.總線的拓?fù)湫问饺鐖D9所示。

圖9 現(xiàn)場應(yīng)用拓?fù)湫问?/p>

   Profibus通信協(xié)議保證了通信的高可靠性，但基于硬件和軟件設(shè)計。在通信接口設(shè)計中，必須遵循一定的規(guī)范，如信號隔離、總線接口和接收室，避免線路過長、電源濾波處理、接收器和光耦合的限流電阻和負(fù)載電阻必須與接收器的光耦合相匹配。當(dāng)信號在總線上傳輸時，由于不連續(xù)的阻抗會形成信號反射，導(dǎo)致傳輸信號畸變。因此，必須在傳輸線的末端添加電阻，以消除不連續(xù)的阻抗。增加的電阻值應(yīng)盡可能接近傳輸線的特性阻抗。特性阻抗值與導(dǎo)線長度無關(guān)，一般為100~165Ω。在實際使用中，應(yīng)注意信號的隔離，避免總線接口與收發(fā)器之間線路過長、電源濾波處理、收發(fā)器和光耦合的限流電阻和負(fù)載電阻必須與收發(fā)器、線路回波反射和終端電阻配合。
   使用一年多后，總線系統(tǒng)正常穩(wěn)定，維護量小，滿足業(yè)主要求。
   帶Profibus-DP總線接口的SND一系列智能電動執(zhí)行機構(gòu)也用于中國恩菲巴新瑞木項目、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(shè)計、檢測和應(yīng)用。執(zhí)行機構(gòu)通過Profibus-DP成功訪問總線卡Profibus總線網(wǎng)實現(xiàn)控制和反饋的預(yù)期目標(biāo)。開發(fā)過程也證明了SPC3協(xié)議芯片應(yīng)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為了保證通信的可靠性，方便維修。
   目前，分散控制系統(tǒng)（DistributedControlSystem，DCS）現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)相對成熟（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(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一，帶現(xiàn)場總線的現(xiàn)場設(shè)備必將成為主流。從長遠(yuǎn)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總線應(yīng)用經(jīng)驗成功的廠家并不多，所以總線產(chǎn)品市場前景廣闊。
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