Profibus-DP总线在智能型电动执行机构中的应用

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)中国石油化工股份有限公司 作者:张勇

  Profibus现场总线以其卓越的技术性能,在全世界范围内得到广泛的应用。在电动执行机构行业内也需要开发带有Profibus现场总线接口的产品。着重介绍了带有Profibus现场总线接口的智能型电动执行机构的开发、试验和应用,实践证明,使用效果较好,对其推广具有重要意义。

  现场总线是一种应用于生产现场,在现场设备(仪表)之间、现场设备控制室内的自动控制装置(系统)之间实现串行、双向、多点数字式的通信技术。它是以单个分散的数字化、智能化的测量和控制设备作为网络节点,用总线连接,实现互相交换信息,共同完成自动控制功能的网络系统与控制系统。

  现场总线种类很多,应用于电动执行机构行业主要有Modbus-RTU、Profibus-DP、FF、Devicenet等。其中Profibus总线在1999年成为国际标准IEC61158的组成部分,2001年批准成为中国的行业标准JB/T10308.3—2001。Profibus现场总线技术是开放式、数字化、多点通信的底层控制网,以现场总线为纽带,把单个分散的现场设备变成网络节点,采用数字式通信方式取代原来设备级的4~20mA模拟量和24VDC开关量信号,形成底层现场智能设备与高层的系统信息共享,满足工业控制体系分布化、扁平化和智能化的发展要求。

1、总线控制系统总体设计

  1.1、硬件设计

  电动执行机构又称电动装置、电动头,一般和阀门、风门等配套使用,通过接收控制中心给出的控制信号(开关量、模拟量或总线信号)来控制阀门、风门等的开度,并将执行机构的状态信号反馈给控制中心。根据执行机构和控制中心需要完成的数据交换,编写GSD文件,定义用户数据域和数据交换格式,再根据DP协议通过单片机和协议芯片与DP主站进行通信。控制中心和执行机构一般组成单主系统,主站、从站间采用循环数据传输方式工作。在SND智能型电动执行机构原有软硬件结构的基础上,开发Profi-bus-DP接口卡,可方便地将执行机构接入总线通信网络。DP卡与主站之间以RS-485总线的形式进行数据交换。通信原理框图如图1所示。

通信原理框图

图1 通信原理框图

  Profibus-DP总线型电动执行机构在原来智能型电动执行机构控制系统的基础上加装了DP通信卡。DP卡的核心部分由单片机W78E052B40PL、协议芯片SPC3和IL485接口芯片组成。SPC3是Profibus-DP专用协议芯片(需和单片机配套使用),负责把主站送来的数据拆包,送往单片机,同时把单片机送来的数据打包,送往主站;W78E052B40PL是主板与SPC3的桥梁,负责初始化和协议转换。该方案的优点为总线卡和控制系统是模块式结构,要接入Profibus网络时只要加装总线卡即可。

  Profibus的通信协议较复杂。从原则上讲,它可以在任何微处理器上由软件实现,只需安装异步串行收发器(UART)。但现在开发人员只要使用专用的通信处理芯片,完全可摒弃复杂的协议。Profibus通信协议芯片已形成广泛系列,使用这些协议芯片可使Profibus协议的具体实现简单、方便、省时、省力,还可达到快速提供产品的目的。适合于智能从站的ASIC种类较多,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通信协议芯片较有代表性。所以,总线卡的设计关键是SPC3协议芯片的应用。

SPC3内部结构示意图

图2 SPC3内部结构示意图

  SPC3的内部结构示意图如图2所示。SPC3内部集成了1个看门狗定时器,有3种不同的操作状态:波特率监测、波特率控制和DP控制。SPC3集成了DP协议中的FDL层,由微序列器(MicroSequencer,MS)控制整个SPC3的工作过程。内部还集成了1.5KB的双口RAM,整个RAM采用8Byte的段结构方式,分成192段,所有需要分配地址的BUF指针,必须指向段的开头。在1.5KBRAM中,SPC3自己用到了64Byte,这64Byte大多需要通过单片机设定,如中断屏蔽字、硬件模式寄存器0和1、各种BUF长度和指针、标志字等;还有一部分是SPC3的各种状态指示用寄存器,如中断字、输入BUF状态、输出BUF状态、诊断BUF状态等;还有些寄存器在写入时作为工作模式设定寄存器,而读出时作为状态指示用寄存器,如中断请求寄存器。RAM的其他1472Byte是提供给各种BUF的空间。SPC3具有3个输入BUF、3个输出BUF、2个诊断BUF、2个辅助BUF、1个配置BUF、1个参数BUF和1个地址设置BUF。当SPC3工作前,过程特定的参数(如站地址、标志号、各种控制位等)要输入到特定的寄存器单元之后SPC3才能正常。DP通信的服务存取点由SPC3自动建立,各种报文信息呈现在用户面前的是不同BUF的内部数据。SPC3相当于单片机W78E052B40PL扩展的一个外部RAM,可通过总线接口访问SPC3内部RAM。SPC3的双口RAM应在CPU地址空间中统一分配地址。CPU把这片RAM当作自己的外部RAM。

  SPC3内部的UART实现串并数据流的相互转变,用于串行通信的4个管脚分别为XCTS、RTS、TxD和RxD。XCTS的含义为清除发送,是SPC3的输入信号,表示允许SPC3发送数据,RTS为SPC3的请求发送信号,RxD和TxD分别为串行接收和发送端口。SPC3可自动标志总线的波特率(9.6kb/s~12Mb/s),为提高系统的抗干扰性,SPC3内部线路必须与物理接口在电气上隔离。输入/输出通道上的电气隔离,采用了6N137高速光耦。电源的电气隔离,采用了DCP0505这种5V/5V的隔离转换电源。采用的高速光耦为6N137,收发器为SN75ALS176,通信速率可达6Mbaud/s,可用于大部分的应用系统。如果用户需要更高的通信速率,可将光耦换作可达25Mbaud/s的HCPL-7720/7721。

  由此可见,通过协议芯片SPC3来设计DP接口卡,不用太多了解DP协议本身,而且有标准的电路和详细的设计资料,硬件设计比较简单。

  1.2、软件设计

  软件设计方面主要是单片机和SPC3的初始化,对SPC3的寄存器进行配置,启动SPC3,进行数据的接收和发送。接收和发送有两部分:一是单片机和SPC3之间的数据传递;二是单片机与主板之间的数据传递。整个数据传递的过程为单片机从主板读入数据,然后传递给SPC3,SPC3对数据进行处理,发送到Profibus总线上由主站接收。主站和作为从站的执行机构的数据输入和输出处理(输入输出相对于主站而言),以及用户诊断数据输入,放在应用程序的循环中。在一个应用循环中,由应用来刷新输入BUF中的数据,保障所有输入数据是最新更新的数据。SPC3在接收由Profibus主站传送的不同输出数据时,会产生输出标志位,CPU通过在应用循环中轮询标志位来接收主站数据。相对于特定应用诊断信息,需要实时传递到主站;主应用程序在应用循环中判断是否有可用的诊断BUF存在,当有空闲BUF时,应用程序输入诊断信息并请求更新。对实时性要求严格的系统,采用中断方式进行输出数据和诊断数据处理。初始化程序框图如图3所示。

初始化程序框图

图3 初始化程序框图

2、电动执行机构DP协议中用户数据域和数据交换格式的定义

  从站读取主站输出的数据格式介绍如下:

  (1)主站请求报文的结构如图4所示。

主站请求报文结构

图4 主站请求报文结构

  (2)从站响应报文的结构如图5所示。

从站响应报文结构

图5 从站响应报文结构

  通信数据为输入13Byte,输出4Byte,如表4所示。

  例如,电动执行机构控制命令输出数据共2个字,开、关、停止运行控制命令(写)如图6所示。

开关停运控制命令

图6 开关停运控制命令

  控制命令中各位含义如下:

  bit0:关指令,1=运行,0=停止

  bit1:开指令,1=运行,0=停止

  bit2:停指令,1=停止,0=无效

  bit3:紧急关闭指令指令,1=运行,0=停止

3、Profibus-DP通信试验和现场使用

  3.1、通信试验

  带Profibus-DP总线接口的智能型电动执行机构自开发完成以来,经过了一系列的试验和现场使用。试验中采用单主站、3从站。主站硬件由笔记本电脑、西门子CP5512卡组成,软件由SOFTNETDPV6.2SP1、STEP7V5.3SP3、OPCScout组成。通过STEP7将笔记本电脑组态为ProfiBus主站,同时将其设置为OPC服务器,将3台SND系列电动执行机构组态设为从站,并下载到PC(CP5512)主站上,构成Profibus-DP主从系统,如图7所示。

通信试验硬件连接

图7 通信试验硬件连接

  在PC机中使用OPC客户端软件(OPCScout),通过OPC服务器对DP从站的数据进行读写,从而实现对电动执行机构运行状态进行监视和控制,如图8所示。

通信试验数据采集

图8 通信试验数据采集

  总线波特率设为1.5Mbaud/s,主站执行机构地址设为2,从站执行机构地址设为3、4、5。主站发送开、关、停止、运行控制字和设定开度运行控制字,执行机构执行动作全开、全关、立即停止和运行到指定位置,达到了预期效果。主站读取从站内容,在状态反馈中,执行机构状态字、远控方式状态字、执行机构开度、力矩百分比等,这些都能在试验中准确反映出来。

  3.2、现场使用

  该产品在汕头海门2×1000MW电厂海水脱硫系统中应用了28台带Profibus-DP总线接口的SND系列智能型电动执行机构。控制系统采用了上海西屋控制系统有限公司的OVATION3.1.2系统,Profibus-DP总线网段内有常州SND-Z型电动执行机构、英国ROTORKIQ10F10A、苏州智能MCC控制装置ST500。传输模式Profibus-DP/V0,数据传输率为185.7kb/s,GSD文件为VALVEFPS.GSD,通信数据为13个输入(8Byte),分别对应OVATION系统的INPUT1-INPUT13;4个输出(8Byte)分别对应OVATION系统的OUTPUT1~OUTPUT4。总线的拓扑形式如图9所示。

Profibus-DP总线在智能型电动执行机构中的应用

图9 现场应用的拓扑形式

  Profibus通信协议保障了通信的高可靠性,但以硬件和软件设计为基础。在通信接口设计时,必须遵循一定的规范,如信号的隔离,总线接口与收发间避免线路过长,电源的滤波处理,收发器和光耦的限流电阻和负载电阻必须与收发器光耦配合适当等。当信号在总线上传输时,由于阻抗不连续会形成信号反射,导致传输信号畸变。因此,必须在传输线末端加电阻来消除阻抗不连续。所加电阻值应尽量接近传输线的特性阻抗。特性阻抗值与导线的长度无关,一般为100~165Ω。在实际使用时,注意到了信号的隔离,总线接口与收发间避免线路过长,电源的滤波处理,收发器和光耦的限流电阻和负载电阻必须与收发器光耦配合适当,线路回波反射和终端电阻等问题。

  经过1年多的使用,总线系统正常稳定,维护量很小,达到了业主的要求。

  带Profibus-DP总线接口的SND系列智能型电动执行机构还用在一些出口项目上,如中国恩菲公司的巴新瑞木项目、中国CMEC的印度工程等项目上,以及一些国内项目上,如中石化管道公司、大连清山水厂等,使用的效果都非常好,得到了用户的一致好评。

4、结语

  本文介绍了带Profibus-DP总线接口的智能型电动执行机构总线方面的设计、检测和应用。执行机构通过Profibus-DP总线卡成功地接入Profibus总线网络,达到了控制和反馈的预期目的。开发过程也证明SPC3协议芯片应用于开发从站,能使开发简单,节省人力和时间。由于工厂工作的连续性,有必要开发冗余的DP卡,以保证通信的可靠性,同时也便于检修。

  就目前而言,分散型控制系统(DistributedControlSystem,DCS)已经比较成熟,而现场总线控制系统(FieldbusControlSystem,FCS)正在逐步发展起来。随着现场总线技术的发展和标准的统一,带现场总线的现场设备必将成为主流。从长远看,总线在经济性、精确性、开放性、灵活性和可维护性上,都有较大的优势。由于执行机构行业在国内具有Profibus-DP总线成功应用经验的厂家并不多,因此,总线型产品具有广阔的市场前景。

参考文献

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  [6]ProfibusDevelopmentKitsManuals[G].

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