0 前言
計(jì)算機(jī)接口是一種使用于生產(chǎn)制造當(dāng)場(chǎng)，在現(xiàn)場(chǎng)機(jī)器設(shè)備（儀表盤）中間、當(dāng)場(chǎng)機(jī)器設(shè)備操縱房間內(nèi)的電氣控制設(shè)備（系統(tǒng)軟件）中間完成串行通信、雙重、多一點(diǎn)數(shù)顯式的通訊技術(shù)。它是以單獨(dú)分離的智能化、智能化系統(tǒng)的精確測(cè)量和控制系統(tǒng)做為節(jié)點(diǎn)，用系統(tǒng)總線聯(lián)接，完成相互交換信息內(nèi)容，互相配合自動(dòng)控制系統(tǒng)作用的系統(tǒng)與自動(dòng)控制系統(tǒng)。
計(jì)算機(jī)接口類型許多，運(yùn)用于電動(dòng)執(zhí)行器領(lǐng)域具體有Modbus-RTU、Profibus-DP、FF、Devicenet等。在其中Profibus系統(tǒng)總線在1999年變成國家標(biāo)準(zhǔn)IEC61158的構(gòu)成部分，2001年準(zhǔn)許變成我國的國家標(biāo)準(zhǔn)JB/T10308.3—2001。Profibus計(jì)算機(jī)接口技術(shù)性是敞開式、智能化、多點(diǎn)通信的最底層操縱網(wǎng)，以計(jì)算機(jī)接口為橋梁，把單獨(dú)分離的施工現(xiàn)場(chǎng)機(jī)器設(shè)備變?yōu)楣?jié)點(diǎn)，選用數(shù)顯式通信方式替代原先機(jī)器設(shè)備級(jí)的4～20mAplc和24VDC開關(guān)量數(shù)據(jù)信號(hào)，產(chǎn)生最底層當(dāng)場(chǎng)智能產(chǎn)品與高層住宅的系統(tǒng)軟件資源共享，達(dá)到工業(yè)控制系統(tǒng)管理體系遍布化、扁平化設(shè)計(jì)和自動(dòng)化的發(fā)展趨勢(shì)規(guī)定。
1 系統(tǒng)總線自動(dòng)控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)
1.1 硬件開發(fā)
電動(dòng)執(zhí)行器又被稱為電動(dòng)式設(shè)備、電動(dòng)式頭，一般和閘閥、進(jìn)氣閥等搭配應(yīng)用，根據(jù)接受監(jiān)測(cè)中心得出的調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)信號(hào)（開關(guān)量、plc或系統(tǒng)總線數(shù)據(jù)信號(hào)）來操縱閘閥、進(jìn)氣閥等的開啟度，并將執(zhí)行器的模式數(shù)據(jù)信號(hào)報(bào)告給監(jiān)測(cè)中心。依據(jù)執(zhí)行器和監(jiān)測(cè)中心必須進(jìn)行的數(shù)據(jù)傳輸，撰寫GSD文檔，界定客戶數(shù)據(jù)信息域和數(shù)據(jù)傳輸文件格式，再依據(jù)DP協(xié)議書根據(jù)單片機(jī)設(shè)計(jì)和協(xié)議書處理芯片與DP分站開展通訊。監(jiān)測(cè)中心和執(zhí)行器一般構(gòu)成單主系統(tǒng)軟件，分站、從站間選用循環(huán)系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)方法工作中。在SND全智能電動(dòng)執(zhí)行器原來硬件軟件構(gòu)造的基本上，開發(fā)設(shè)計(jì)Profi-bus-DP接口卡，可便捷地將執(zhí)行器連接系統(tǒng)總線網(wǎng)絡(luò)通信。DP卡與分站中間以RS-485系統(tǒng)總線的方式開展數(shù)據(jù)傳輸。通信原理框架圖如下圖1所顯示。

圖1 通信原理框架圖

Profibus-DP系統(tǒng)總線型電動(dòng)執(zhí)行器在原先全智能電動(dòng)執(zhí)行器自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本上安裝了DP通訊卡。DP卡的關(guān)鍵部位由單片機(jī)設(shè)計(jì)W78E052B40PL、協(xié)議書處理芯片SPC3和IL485插口處理芯片構(gòu)成。SPC3是Profibus-DP專用型協(xié)議書處理芯片（需和單片機(jī)設(shè)計(jì)配套設(shè)施應(yīng)用），承擔(dān)把分站送過來的數(shù)據(jù)信息解包，送到單片機(jī)設(shè)計(jì)，與此同時(shí)把單片機(jī)設(shè)計(jì)送過來的數(shù)據(jù)信息裝包，送到分站；W78E052B40PL是電腦主板與SPC3的公路橋梁，承擔(dān)復(fù)位和協(xié)議書變換。該方法的特點(diǎn)為系統(tǒng)總線卡和自動(dòng)控制系統(tǒng)是組件式構(gòu)造，要連接Profibus互聯(lián)網(wǎng)時(shí)只需改裝系統(tǒng)總線卡就可以。
Profibus的通訊協(xié)議較繁雜。從正常情況下講，它可以在一切微控制器上由系統(tǒng)完成，只需組裝多線程串行通信光纖收發(fā)器（UART）。但如今開發(fā)者只需應(yīng)用專門的通訊解決處理芯片，徹底可革除繁雜的協(xié)議書。Profibus通訊協(xié)議處理芯片已產(chǎn)生普遍系列產(chǎn)品，應(yīng)用這種協(xié)議書處理芯片可讓Profibus協(xié)議書的主要完成簡(jiǎn)易、便捷、省時(shí)、省勁，還可實(shí)現(xiàn)迅速給予商品的目地。合適于智能化從站的ASIC類型較多，如IAM企業(yè)的PBS，Motorola公司的68302、68360，SiemensS企業(yè)的SPC4、SPC3，VIPA公司的VPC3 、VPM2L等，在其中的SPC3通訊協(xié)議處理芯片較有象征性。因此，系統(tǒng)總線卡的設(shè)計(jì)方案關(guān)鍵是SPC3協(xié)議書處理芯片的運(yùn)用。

圖2 SPC3內(nèi)部結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

SPC3的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖如下圖2所顯示。SPC3內(nèi)部結(jié)構(gòu)融合了1個(gè)看門狗定時(shí)器，有3種不一樣的實(shí)際操作情況：串口波特率檢測(cè)、串口波特率操縱和DP控制。SPC3集成化了DP協(xié)議書中的FDL層，由微編碼序列器（MicroSequencer，MS）操縱全部SPC3的運(yùn)行全過程。內(nèi)部結(jié)構(gòu)還集合了1.5KB的多口RAM，全部RAM選用8Byte的段構(gòu)造方法，分為192段，全部必須分派詳細(xì)地址的BUF表針，務(wù)必偏向段的開始。在1.5KBRAM中，SPC3自身使用了64Byte，這64Byte大多必須根據(jù)單片機(jī)設(shè)計(jì)設(shè)置，如終斷屏蔽掉字、硬件配置方式存儲(chǔ)器0和1、各種各樣BUF長(zhǎng)短和表針、標(biāo)示字等；也有一部分是SPC3的多種情況標(biāo)示用存儲(chǔ)器，如終斷字、鍵入BUF情況、導(dǎo)出BUF情況、確診BUF情況等；還有一些存儲(chǔ)器在載入時(shí)做為工作模式設(shè)置存儲(chǔ)器，而讀取時(shí)做為情況標(biāo)示用存儲(chǔ)器，如中斷請(qǐng)求寄存器。RAM的別的1472Byte是供應(yīng)給各種各樣BUF的室內(nèi)空間。SPC3具備3個(gè)鍵入BUF、3個(gè)導(dǎo)出BUF、2個(gè)確診BUF、2個(gè)協(xié)助BUF、1個(gè)配備BUF、1個(gè)主要參數(shù)BUF和1個(gè)詳細(xì)地址設(shè)定BUF。當(dāng)SPC3工作中前，全過程特殊的主要參數(shù)（如站詳細(xì)地址、標(biāo)示號(hào)、各種各樣操縱位等）要鍵入到指定的存儲(chǔ)器模塊以后SPC3才可以正常的。DP通訊的服務(wù)項(xiàng)目存儲(chǔ)點(diǎn)由SPC3全自動(dòng)創(chuàng)建，各種各樣報(bào)文格式信息內(nèi)容出現(xiàn)在客戶眼前的是不一樣BUF的里面數(shù)據(jù)信息。SPC3等同于單片機(jī)設(shè)計(jì)W78E052B40PL拓展的一個(gè)外界RAM，可根據(jù)系統(tǒng)總線插口瀏覽SPC3內(nèi)部結(jié)構(gòu)RAM。SPC3的多口RAM應(yīng)在CPU詳細(xì)地址區(qū)域中統(tǒng)一分配詳細(xì)地址。CPU把這片RAM作為自身的外界RAM。
SPC3內(nèi)部結(jié)構(gòu)的UART完成串并數(shù)據(jù)流分析的互相變化，用以串口通訊的4個(gè)引腳各自為XCTS、RTS、TxD和RxD。XCTS的意義為消除推送，是SPC3的鍵入數(shù)據(jù)信號(hào)，表明容許SPC3傳送數(shù)據(jù)，RTS為SPC3的要求推送數(shù)據(jù)信號(hào)，RxD和TxD各自為串行通信接受和推送端口號(hào)。SPC3可全自動(dòng)標(biāo)示系統(tǒng)總線的串口波特率（9.6kb/s～12Mb/s），為增強(qiáng)操作系統(tǒng)的抗干擾能力，SPC3內(nèi)部結(jié)構(gòu)路線務(wù)必與物理學(xué)插口在電氣設(shè)備上防護(hù)。鍵入/導(dǎo)出安全通道上的電氣隔離，選用了6N137高速光耦。開關(guān)電源的電氣隔離，選用了DCP0505這類5V/5V的防護(hù)變換開關(guān)電源。選用的高速光耦為6N137，光纖收發(fā)器為SN75ALS176，通訊速度可達(dá)6Mbaud/s，可用以絕大多數(shù)的軟件系統(tǒng)。假如客戶必須更好的通訊速度，可將光電耦合器換作可達(dá)25Mbaud/s的HCPL－7720/7721。
不難看出，根據(jù)協(xié)議書處理芯片SPC3設(shè)計(jì)制作DP接口卡，不用過多掌握DP協(xié)議書自身，并且有規(guī)范的線路和詳盡的制定材料，硬件開發(fā)非常簡(jiǎn)單。
1.2 軟件開發(fā)
軟件設(shè)計(jì)層面主要是單片機(jī)設(shè)計(jì)和SPC3的復(fù)位，對(duì)SPC3的存儲(chǔ)器開展配備，運(yùn)行SPC3，開展統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的讀取和推送。接受和推送有兩一部分：一是單片機(jī)設(shè)計(jì)和SPC3中間的數(shù)據(jù)信息傳送；二是單片機(jī)設(shè)計(jì)與電腦主板中間的數(shù)據(jù)信息傳送。全部數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)沫h(huán)節(jié)為單片機(jī)設(shè)計(jì)從電腦主板寫入數(shù)據(jù)信息，隨后傳達(dá)給SPC3，SPC3對(duì)數(shù)據(jù)資料完成解決，發(fā)送至Profibus系統(tǒng)總線上由分站接受。分站和做為從站的執(zhí)行器的信息導(dǎo)入和導(dǎo)出解決（輸出相對(duì)性于分站來講），及其客戶確診數(shù)據(jù)信息鍵入，放到應(yīng)用軟件的反復(fù)中。在一個(gè)運(yùn)用循環(huán)系統(tǒng)中，由運(yùn)用來更新鍵入BUF中的數(shù)據(jù)信息，確保全部鍵入數(shù)據(jù)信息是最新上線的的數(shù)據(jù)信息。SPC3在接受由Profibus分站傳輸?shù)牟灰粯訉?dǎo)出數(shù)據(jù)信息時(shí)，會(huì)造成導(dǎo)出標(biāo)志位，CPU根據(jù)在運(yùn)用循環(huán)系統(tǒng)中輪詢標(biāo)志位來接受分站數(shù)據(jù)信息。相對(duì)性于特殊運(yùn)用確診信息內(nèi)容，必須即時(shí)傳送到分站；主應(yīng)用軟件在運(yùn)用循環(huán)系統(tǒng)中辨別能否有能用的確診BUF存有，當(dāng)有空余BUF時(shí)，應(yīng)用軟件鍵入確診信息內(nèi)容并要求升級(jí)。對(duì)可靠性規(guī)定嚴(yán)苛的系統(tǒng)軟件，選用終斷方法開展導(dǎo)出數(shù)據(jù)信息和確診數(shù)據(jù)處理方法。復(fù)位程序流程圖如下圖3所顯示。

圖3 復(fù)位程序流程圖

2 電動(dòng)執(zhí)行器DP協(xié)議書中客戶數(shù)據(jù)信息域和數(shù)據(jù)傳輸文件格式的界定
從站載入分站導(dǎo)出的數(shù)據(jù)類型詳細(xì)介紹如下所示：
（1）分站要求報(bào)文格式的構(gòu)造如下圖4所顯示。

圖4 分站要求報(bào)文格式構(gòu)造

（2）從站回應(yīng)報(bào)文格式的構(gòu)造如下圖5所顯示。

圖5 從站回應(yīng)報(bào)文格式構(gòu)造

通訊數(shù)據(jù)信息為鍵入13Byte，導(dǎo)出4Byte，如表4所顯示。
例如，電動(dòng)執(zhí)行器操縱指令導(dǎo)出數(shù)據(jù)信息共2個(gè)字，開、關(guān)、停止運(yùn)行操縱指令（寫）如下圖6所顯示。

圖6 電源開關(guān)停止運(yùn)營操縱指令

操縱指令中諸位含意如下所示：
bit0：關(guān)命令，1=運(yùn)作，0=終止
bit1：開命令，1=運(yùn)作，0=終止
bit2：停命令，1=終止，0=失效
bit3：應(yīng)急關(guān)掉命令指令，1=運(yùn)作，0=終止
3 Profibus-DP通訊實(shí)驗(yàn)和當(dāng)場(chǎng)應(yīng)用
3.1 通訊實(shí)驗(yàn)
帶Profibus-DP系統(tǒng)總線插口的全智能電動(dòng)執(zhí)行器自開發(fā)設(shè)計(jì)進(jìn)行至今，通過了一系列的實(shí)驗(yàn)和當(dāng)場(chǎng)應(yīng)用。實(shí)驗(yàn)中選用單分站、3從站。主站硬件配置由筆記本、西門子PLCCP5512卡構(gòu)成，手機(jī)軟件由SOFTNETDPV6.2SP1、STEP7V5.3SP3、OPCScout構(gòu)成。根據(jù)STEP7將筆記本組態(tài)軟件為ProfiBus分站，與此同時(shí)將其設(shè)定為OPC網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，將3臺(tái)SND系列產(chǎn)品電動(dòng)執(zhí)行器組態(tài)軟件設(shè)成從站，并免費(fèi)下載到PC（CP5512）主站在，組成Profibus-DP主從關(guān)系系統(tǒng)軟件，如下圖7所顯示。

圖7 通訊實(shí)驗(yàn)硬件配置聯(lián)接

在PC機(jī)中應(yīng)用OPC客戶端（OPCScout），根據(jù)OPC網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器對(duì)DP從站的信息開展讀寫能力，進(jìn)而完成對(duì)電動(dòng)執(zhí)行器運(yùn)作情況開展監(jiān)控和操縱，如下圖8所顯示。

圖8 通訊實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集

系統(tǒng)總線串口波特率設(shè)成1.5Mbaud/s，分站執(zhí)行器詳細(xì)地址設(shè)成2，從站執(zhí)行器詳細(xì)地址設(shè)成3、4、5。分站推送開、關(guān)、終止、運(yùn)作操縱字和設(shè)置開啟度運(yùn)作操縱字，執(zhí)行器實(shí)行姿勢(shì)開全、關(guān)完、馬上終止和運(yùn)作到指定位置，做到了預(yù)期目標(biāo)。分站載入從站具體內(nèi)容，在情況意見反饋中，執(zhí)行器狀態(tài)字、遠(yuǎn)程控制軟件方法狀態(tài)字、執(zhí)行器開啟度、扭矩百分?jǐn)?shù)等，這種都能在檢驗(yàn)中精確體現(xiàn)出去。
3.2 當(dāng)場(chǎng)應(yīng)用
該商品在汕頭海門2×1000MW發(fā)電廠海面煙氣脫硫系統(tǒng)軟件中運(yùn)用了28臺(tái)帶Profibus-DP系統(tǒng)總線插口的SND系列產(chǎn)品全智能電動(dòng)執(zhí)行器。自動(dòng)控制系統(tǒng)使用了上海市美國西屋自動(dòng)控制系統(tǒng)有限責(zé)任公司的OVATION3.1.2系統(tǒng)軟件，Profibus-DP總線網(wǎng)段內(nèi)有常州市SND-Z型電動(dòng)執(zhí)行器、美國ROTORKIQ10F10A、蘇州市智能化MCC操縱設(shè)備ST500。傳送方式Profibus-DP/V0，數(shù)據(jù)信息傳輸速率為185.7kb/s，GSD文檔為VALVEFPS.GSD，通訊數(shù)據(jù)信息為13個(gè)鍵入（8Byte），各自相匹配OVATION系統(tǒng)軟件的INPUT1-INPUT13；4個(gè)導(dǎo)出（8Byte）各自相匹配OVATION系統(tǒng)軟件的OUTPUT1～OUTPUT4。系統(tǒng)總線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方式如下圖9所顯示。

圖9 當(dāng)場(chǎng)運(yùn)用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方式

Profibus通訊協(xié)議確保了通訊的可靠性高，但以硬件配置和軟件開發(fā)為基本。在串行通訊接口設(shè)計(jì)方案時(shí)，務(wù)必遵循一定的標(biāo)準(zhǔn)，如數(shù)據(jù)信號(hào)的防護(hù)，系統(tǒng)總線插口與收取和發(fā)送間防止路線太長(zhǎng)，開關(guān)電源的過濾解決，光纖收發(fā)器和光電耦合器的分壓電阻和負(fù)載電阻務(wù)必與光纖收發(fā)器光電耦合器相互配合適度等。當(dāng)信息在系統(tǒng)總線上傳送時(shí)，因?yàn)樘匦宰杩共怀掷m(xù)會(huì)產(chǎn)生數(shù)據(jù)信號(hào)反射面，造成傳送數(shù)據(jù)信號(hào)失真。因而，務(wù)必在同軸電纜尾端加電阻器來清除特性阻抗不持續(xù)。所加阻值應(yīng)盡可能貼近同軸電纜的特性阻抗。特性阻抗值與電線的長(zhǎng)短不相干，一般為100～165Ω。在具體應(yīng)用時(shí)，留意到了數(shù)據(jù)信號(hào)的防護(hù)，系統(tǒng)總線插口與收取和發(fā)送間防止路線太長(zhǎng)，開關(guān)電源的過濾解決，光纖收發(fā)器和光電耦合器的分壓電阻和負(fù)載電阻務(wù)必與光纖收發(fā)器光電耦合器相互配合適度，路線雷達(dá)回波反射面和終端電阻等問題。
通過1年多的應(yīng)用，系統(tǒng)總線系統(tǒng)軟件正常的平穩(wěn)，維護(hù)保養(yǎng)量不大，做到了住戶的規(guī)定。
帶Profibus-DP系統(tǒng)總線插口的SND系列產(chǎn)品全智能電動(dòng)執(zhí)行器還用在一些出入口新項(xiàng)目上，如中國恩菲企業(yè)的巴新瑞木新項(xiàng)目、我國CMEC的印度的工程項(xiàng)目等工程上，及其一些中國新項(xiàng)目上，如中國石化管道公司、大連市清青山綠水廠等，應(yīng)用的功效都很好，獲得了使用者的一致五星好評(píng)。
4 結(jié)束語
文中詳細(xì)介紹了帶Profibus-DP系統(tǒng)總線插口的全智能電動(dòng)執(zhí)行器系統(tǒng)總線層面的設(shè)計(jì)方案、檢驗(yàn)和運(yùn)用。執(zhí)行器根據(jù)Profibus-DP系統(tǒng)總線卡取得成功地連接Profibus系統(tǒng)總線互聯(lián)網(wǎng)，做到了操控和報(bào)告的期望目地。開發(fā)設(shè)計(jì)歷程也證實(shí)SPC3協(xié)議書處理芯片運(yùn)用于開發(fā)設(shè)計(jì)從站，能使開發(fā)簡(jiǎn)易，節(jié)約人工和時(shí)長(zhǎng)。因?yàn)榧庸S工作的持續(xù)性，必須開發(fā)設(shè)計(jì)多余的DP卡，以確保通訊的穩(wěn)定性，與此同時(shí)也方便維修。
就現(xiàn)在來講，分散型自動(dòng)控制系統(tǒng)（DistributedControlSystem，DCS）已經(jīng)較為完善，而計(jì)算機(jī)接口自動(dòng)控制系統(tǒng)（FieldbusControlSystem，F(xiàn)CS）已經(jīng)逐漸發(fā)展壯大下去。伴隨著計(jì)算機(jī)接口技術(shù)性的快速發(fā)展和規(guī)范的統(tǒng)一，帶計(jì)算機(jī)接口的施工現(xiàn)場(chǎng)機(jī)器設(shè)備終將變成流行。與時(shí)共進(jìn)，系統(tǒng)總線在合理性、準(zhǔn)確性、開放式、操作靈活性和可擴(kuò)展性上，都是有很大的優(yōu)點(diǎn)。因?yàn)閳?zhí)行器領(lǐng)域在我國具備Profibus-DP系統(tǒng)總線取得成功使用工作經(jīng)驗(yàn)的廠商并不是很多，因而，系統(tǒng)總線型商品具備廣泛的行業(yè)前景。
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