0 引言
   現(xiàn)場(chǎng)總線是一種串行、雙向、多點(diǎn)數(shù)字通信技術(shù)，應(yīng)用于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備（儀器）和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備控制室的自動(dòng)控制裝置（系統(tǒng)）之間。它是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，以單個(gè)分散的數(shù)字、智能測(cè)量和控制設(shè)備為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，與總線連接，實(shí)現(xiàn)信息交換，共同完成自動(dòng)控制功能。
   現(xiàn)場(chǎng)總線種類繁多，主要用于電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)行業(yè)Modbus-RTU、Profibus-DP、FF、Devicenet等。其中Profibus1999年，總線成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC2001年，61158批準(zhǔn)成為中國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T10308.3—2001。Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)是一個(gè)開(kāi)放、數(shù)字、多點(diǎn)通信的底層控制網(wǎng)絡(luò)。以現(xiàn)場(chǎng)總線為紐帶，將單個(gè)分散的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備轉(zhuǎn)換為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，用數(shù)字通信取代原設(shè)備級(jí)4~20mA模擬量和24VDC開(kāi)關(guān)量信號(hào)，形成底層現(xiàn)場(chǎng)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(jì)
   1.1 硬件設(shè)計(jì)
   電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，又稱電動(dòng)裝置和電動(dòng)頭，通常與閥門和閥門一起使用，通過(guò)接收控制中心給出的控制信號(hào)（開(kāi)關(guān)量、模擬量或總線信號(hào)）來(lái)控制閥門和閥門的開(kāi)度，并將執(zhí)行機(jī)構(gòu)的狀態(tài)信號(hào)反饋給控制中心。編制執(zhí)行機(jī)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(guò)單片機(jī)和協(xié)議芯片DP通信主站?？刂浦行暮蛨?zhí)行機(jī)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(kāi)發(fā)智能電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)Profi-bus-DP接口卡，可方便地將執(zhí)行機(jī)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(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，安裝了總線電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)DP通信卡。DP卡的核心部分由單片機(jī)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(jī)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(jī)，包裝單片機(jī)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(diǎn)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(shí)現(xiàn)，只需安裝異步串行收發(fā)器（UART）。但現(xiàn)在開(kāi)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(jiǎn)單、方便、省時(shí)、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(jì)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(cè)、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(gè)SPC3工作過(guò)程。內(nèi)部還集成了1.5KB的雙口RAM，整個(gè)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(kāi)頭。.5KBRAM中，SPC3自己用到了64Byte，這64Byte大部分需要單片機(jī)設(shè)置，如中斷屏蔽字、硬件模式寄存器0和1、各種BUF長(zhǎng)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(shí)作為工作模式設(shè)置寄存器，在讀取時(shí)作為狀態(tài)指示，如中斷請(qǐng)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(gè)輸入BUF、3個(gè)輸出BUF、2個(gè)診斷BUF、2個(gè)輔助BUF、1個(gè)配置BUF、1個(gè)參數(shù)BUF設(shè)置一個(gè)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(hào)、各種控制位等）SPC3才能正常。DP通信服務(wù)訪問(wèn)點(diǎn)由SPC3自動(dòng)建立，用戶面前呈現(xiàn)的各種報(bào)紙信息不同BUF內(nèi)部數(shù)據(jù)。SPC相當(dāng)于單片機(jī)W78E052B40PL擴(kuò)展的外部RAM，可通過(guò)總線接口訪問(wèn)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(gè)管腳是實(shí)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(hào)表示允許SPC3發(fā)送數(shù)據(jù)，RTS為SPC請(qǐng)求發(fā)送信號(hào)，RxD和TxD分別為串行接收和發(fā)送端口。SPC波特率可自動(dòng)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(guò)協(xié)議芯片SPC3來(lái)設(shè)計(jì)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(jì)數(shù)據(jù)，硬件設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單。
   1.2 軟件設(shè)計(jì)
   軟件設(shè)計(jì)主要是單片機(jī)和SPC3初始化，對(duì)SPC3.配置寄存器并啟動(dòng)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(jī)和SPC3之間的數(shù)據(jù)傳輸；二是單片機(jī)與主板之間的數(shù)據(jù)傳輸。整個(gè)數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程是單片機(jī)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(duì)于主站），以及用戶診斷數(shù)據(jù)輸入，作為從站執(zhí)行機(jī)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(shí)，會(huì)產(chǎn)生輸出標(biāo)志位，CPU主站數(shù)據(jù)通過(guò)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(shí)時(shí)傳輸?shù)街髡荆恢鲬?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(shí)BUF當(dāng)應(yīng)用程序輸入診斷信息并要求更新時(shí)。對(duì)于實(shí)時(shí)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(dòng)執(zhí)行機(jī)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(qǐng)求報(bào)文結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4

   (2)從站響應(yīng)報(bào)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(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制命令輸出數(shù)據(jù)共2個(gè)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(yùn)行，0=停止
   bit1：開(kāi)指令，1=運(yùn)行，0=停止
   bit2：停指令，1=停止，0=無(wú)效
   bit3.緊急關(guān)閉指令，1=運(yùn)行，0=停止
   3 Profibus-DP通信試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)使用
   3.1 通信試驗(yàn)
   帶Profibus-DP自開(kāi)發(fā)完成以來(lái)，總線接口的智能電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)已經(jīng)進(jìn)行了一系列的測(cè)試和現(xiàn)場(chǎng)使用。測(cè)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(guò)STEP7.筆記本電腦的組態(tài)ProfiBus主站同時(shí)設(shè)置為OPC三臺(tái)服務(wù)器SND系列電動(dòng)執(zhí)行機(jī)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(jī)中使用OPC客戶端軟件（OPCScout），通過(guò)OPC服務(wù)器對(duì)DP讀寫站內(nèi)的數(shù)據(jù)，從而監(jiān)控和控制電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)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(jī)構(gòu)地址為2，從站執(zhí)行機(jī)構(gòu)地址為3、4、5。主站發(fā)送開(kāi)關(guān)、關(guān)閉、停止、操作控制文字和設(shè)定開(kāi)度操作控制文字，執(zhí)行機(jī)構(gòu)完全開(kāi)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(jī)構(gòu)狀態(tài)文字、遠(yuǎn)程控制模式狀態(tài)文字、執(zhí)行機(jī)構(gòu)開(kāi)度、扭矩百分比等。
   3.2 現(xiàn)場(chǎng)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(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。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(nèi)有常州SND-Z型電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，英國(guó)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(gè)輸入(8)Byte），分別對(duì)應(yīng)OVATION系統(tǒng)的INPUT1-INPUT13；4個(gè)輸出（8Byte）分別對(duì)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(chǎng)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(jì)。在通信接口設(shè)計(jì)中，必須遵循一定的規(guī)范，如信號(hào)隔離、總線接口和接收室，避免線路過(guò)長(zhǎng)、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(hào)在總線上傳輸時(shí)，由于不連續(xù)的阻抗會(huì)形成信號(hào)反射，導(dǎo)致傳輸信號(hào)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(zhǎng)度無(wú)關(guān)，一般為100~165Ω。在實(shí)際使用中，應(yīng)注意信號(hào)的隔離，避免總線接口與收發(fā)器之間線路過(guò)長(zhǎng)、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(hù)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(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)也用于中國(guó)恩菲巴新瑞木項(xiàng)目、中國(guó)CMEC的印度工程等項(xiàng)目上，以及一些國(guó)內(nèi)項(xiàng)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(píng)。
   4 結(jié)語(yǔ)
   本文介紹了帶Profibus-DP總線接口的智能型電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)總線方面的設(shè)計(jì)、檢測(cè)和應(yīng)用。執(zhí)行機(jī)構(gòu)通過(guò)Profibus-DP成功訪問(wèn)總線卡Profibus總線網(wǎng)實(shí)現(xiàn)控制和反饋的預(yù)期目標(biāo)。開(kāi)發(fā)過(guò)程也證明了SPC3協(xié)議芯片應(yīng)用于開(kāi)發(fā)從站，能使開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單，節(jié)省人力和時(shí)間。由于工廠工作的連續(xù)性，有必要開(kāi)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(chǎng)總線控制系統(tǒng)相對(duì)成熟（FieldbusControlSystem，F(xiàn)CS）正在逐步發(fā)展起來(lái)。隨著現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的發(fā)展和標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一，帶現(xiàn)場(chǎng)總線的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備必將成為主流。從長(zhǎng)遠(yuǎn)看，總線在經(jīng)濟(jì)性、精確性、開(kāi)放性、靈活性和可維護(hù)性上，都有較大的優(yōu)勢(shì)。由于執(zhí)行機(jī)構(gòu)行業(yè)在國(guó)內(nèi)具有Profibus-DP總線應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)成功的廠家并不多，所以總線產(chǎn)品市場(chǎng)前景廣闊。
   參考文獻(xiàn)
   1現(xiàn)場(chǎng)總線（Profibus）專業(yè)委員會(huì)（CPO）.運(yùn)用Profibus-DP實(shí)現(xiàn)分散自動(dòng)化G］.
   ［2］范鎧.現(xiàn)場(chǎng)總線發(fā)展趨勢(shì)J］.2000(2)自動(dòng)化儀表:1-4.
   米歇爾.伏爾茨.Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)手冊(cè)G］.楊昌琨，譯.現(xiàn)場(chǎng)總線（Profibus）專業(yè)委員會(huì)，1998.
   4郝曉紅.現(xiàn)場(chǎng)總線Profibus-DP討論網(wǎng)絡(luò)通信原理網(wǎng)絡(luò)通信原理討論網(wǎng)絡(luò)通信原理J］.2000(9)甘肅工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)79-83.
   5現(xiàn)場(chǎng)總線（Profibus）專業(yè)委員會(huì)（CPO）.Profibus-DP快速入門［G］.
   ［6］ProfibusDevelopmentKitsManuals［G］.