0 引言
   現(xiàn)場總線是一種串行、雙向、多點數(shù)字通信技術，應用于生產(chǎn)現(xiàn)場，在現(xiàn)場設備（儀器）和現(xiàn)場設備控制室的自動控制裝置（系統(tǒng)）之間。它是一個網(wǎng)絡系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，以單個分散的數(shù)字、智能測量和控制設備為網(wǎng)絡節(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)行機構行業(yè)Modbus-RTU、Profibus-DP、FF、Devicenet等。其中Profibus1999年，總線成為國際標準IEC2001年，61158批準成為中國行業(yè)標準JB/T10308.3—2001。Profibus現(xiàn)場總線技術是一個開放、數(shù)字、多點通信的底層控制網(wǎng)絡。以現(xiàn)場總線為紐帶，將單個分散的現(xiàn)場設備轉換為網(wǎng)絡節(jié)點，用數(shù)字通信取代原設備級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)總體設計
   1.1 硬件設計
   電動執(zhí)行機構，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)行機構的狀態(tài)信號反饋給控制中心。編制執(zhí)行機構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在原有軟硬件結構的基礎上，開發(fā)智能電動執(zhí)行機構Profi-bus-DP接口卡，可方便地將執(zhí)行機構接入總線通信網(wǎng)絡。DP卡與主站之間RS-數(shù)據(jù)交換以485總線的形式進行。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)行機構控制系統(tǒng)的基礎上，安裝了總線電動執(zhí)行機構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)負責拆包主站發(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橋梁負責初始化和協(xié)議轉換。該方案的優(yōu)點是總線卡和控制系統(tǒng)是模塊結構，需要連接Profibus只需在網(wǎng)絡上安裝總線卡即可。
   Profibus通信協(xié)議比較復雜。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，設計總線卡的關鍵是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.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。內部還集成了1.5KB的雙口RAM，整個RAM采用8Byte段結構分為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設置一個地址BUF。當SPC3工作前，輸入特定寄存器單元后，應輸入特定參數(shù)（如站址、標志號、各種控制位等）SPC3才能正常。DP通信服務訪問點由SPC3自動建立，用戶面前呈現(xiàn)的各種報紙信息不同BUF內部數(shù)據(jù)。SPC相當于單片機W78E052B40PL擴展的外部RAM，可通過總線接口訪問SPC3內部RAM。SPC3的雙口RAM應在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波特率可自動標記總線(9.6kb/s～12Mb/s），為提高系統(tǒng)的抗干擾性，SPC3內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隔離轉換電源。高速光耦合為6N137，收發(fā)器為SN75ALS176，通信速率可達6Mbaud/s，可用于大多數(shù)應用系統(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來設計DP接口卡接口卡了解太多DP協(xié)議本身，有標準的電路和詳細的設計數(shù)據(jù)，硬件設計相對簡單。
   1.2 軟件設計
   軟件設計主要是單片機和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)行機構放置在應用程序的循環(huán)中。在應用程序循環(huán)中，應用程序刷新輸入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當主站傳輸不同的輸出數(shù)據(jù)時，會產(chǎn)生輸出標志位，CPU主站數(shù)據(jù)通過在應用循環(huán)中輪詢標志位接收。與特定的應用診斷信息相比，需要實時傳輸?shù)街髡?；主應用程序判斷應用循環(huán)中是否有可用的診斷BUF存在，當有空閑時BUF當應用程序輸入診斷信息并要求更新時。對于實時要求嚴格的系統(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)主站請求報文結構如圖4所示。

圖4

   (2)從站響應報文的結構如圖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，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)行機構已經(jīng)進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主站同時設置為OPC三臺服務器SND系列電動執(zhí)行機構的組態(tài)設置為從站并下載到PC（CP5512)主站構成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服務器對DP讀寫站內的數(shù)據(jù)，從而監(jiān)控和控制電動執(zhí)行機構的運行狀態(tài)，如圖8所示。

圖8

   總線波特率為1.5Mbaud/s，主站執(zhí)行機構地址為2，從站執(zhí)行機構地址為3、4、5。主站發(fā)送開關、關閉、停止、操作控制文字和設定開度操作控制文字，執(zhí)行機構完全開放、完全關閉、立即停止和操作到指定位置，達到預期效果。主站閱讀站內容，在狀態(tài)反饋中，可以準確反映執(zhí)行機構狀態(tài)文字、遠程控制模式狀態(tài)文字、執(zhí)行機構開度、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。控制系統(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)段內有常州SND-Z型電動執(zhí)行機構，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OVATION系統(tǒng)的INPUT1-INPUT13；4個輸出（8Byte）分別對應OVATION系統(tǒng)的OUTPUT1～OUTPUT4.總線的拓撲形式如圖9所示。

圖9 現(xiàn)場應用拓撲形式

   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計。在通信接口設計中，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載電阻必須與接收器的光耦合相匹配。當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。增加的電阻值應盡可能接近傳輸線的特性阻抗。特性阻抗值與導線長度無關，一般為100~165Ω。在實際使用中，應注意信號的隔離，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 結語
   本文介紹了帶Profibus-DP總線接口的智能型電動執(zhí)行機構總線方面的設計、檢測和應用。執(zhí)行機構通過Profibus-DP成功訪問總線卡Profibus總線網(wǎng)實現(xiàn)控制和反饋的預期目標。開發(fā)過程也證明了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)行機構行業(yè)在國內具有Profibus-DP總線應用經(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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