基于80C32單片機和SPC3芯片的通訊適配器實現(xiàn)紙機控制系統(tǒng)的設(shè)計

現(xiàn)代紙機傳動控制系統(tǒng)廣泛地采用了總線通訊同步控制方式，紙機的控制精度、可靠性和實時性有了很大的提高。在工業(yè)現(xiàn)場控制系統(tǒng)中有時會出現(xiàn)不同生產(chǎn)廠家的裝置設(shè)備連接在同一個網(wǎng)絡(luò)中，而這些設(shè)備各自支持不同的通訊協(xié)議。為了解決這一問題，我們開發(fā)出了一種通信適配器，它能夠?qū)崿F(xiàn)從普通RS485到高速PRoFIBUS—DP的轉(zhuǎn)換，可同時支持幾種不同的通信協(xié)議，不僅能作為從站接口模塊將帶有普通RS485接口的工控產(chǎn)品接入～I］PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)中，且能作為網(wǎng)橋?qū)崿F(xiàn)支持不同協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)之間的互聯(lián)，便于信息交換及系統(tǒng)集成。

1、 PROFIBUS—DP通訊適配器的設(shè)計

1．1 通訊適配器的硬件設(shè)計

為了使硬件更有通用性，使用更加靈活，在設(shè)計硬件時給予充分考慮，可以在不改動硬件而只改動軟件的情況下實現(xiàn)更多的功能。通信適配器的硬件主要有以下幾個部分：

系統(tǒng)的主控核心，我們選擇了Intel公司的51系列單片機80C32；

PROFIBUS-DP接口模塊，主要使用了西門子公司為優(yōu)化的智能PROFIBUS-DP從站提供的專用SPC3芯片，SPC3芯片集成了PROFIBUS—DP協(xié)議，遵照EN50170標(biāo)準(zhǔn)，可以完成DP協(xié)議的處理；

普通RS485接口模塊，主要由光電隔離、電平轉(zhuǎn)換等組成，由于實際應(yīng)用中使用的通信速率較低，在光耦器件的選擇上沒有特別嚴(yán)格的要求，在此使用TP521光隔；

存儲單元擴展方面，擴展了一片27C512程序存儲器和一片型號為6264的外部RAM，作為數(shù)據(jù)存儲器的擴展；

為保證接口電路可靠工作，還使用了看門狗電路。

1．2 通訊適配器的軟件設(shè)計

在軟件上，主要是完成兩種協(xié)議的互轉(zhuǎn)，為此，我們可以利用協(xié)議互轉(zhuǎn)模型來實現(xiàn)。主要思路如下：當(dāng)主站向從站發(fā)送信息時，通信適配器對接收到的數(shù)據(jù)進行分析，剝離出有用的數(shù)據(jù)信息，然后以符合所連接的設(shè)備支持的協(xié)議格式重新封裝發(fā)送給設(shè)備，完成對設(shè)備的操作；當(dāng)從站向主站回送信息時，通信適配器對設(shè)備所發(fā)送過來的數(shù)據(jù)進行分析，再交由SPC3以PROFIBUS—DP協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)發(fā)送給主站。另外，單片機還負(fù)責(zé)對SPC3的初始化、合理配置以及各種報文的處理。單片機主程序流程如圖2所示。

2、 PR0FIBUS—DP通訊適配器在紙機控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

2．1 工程應(yīng)用背景

造紙機傳動控制系統(tǒng)是一種多電機分部式傳動系統(tǒng)，傳動點多，各傳動點之間需要滿足一定的速比關(guān)系，并且有時需要在壓榨部、施膠部或壓光部進行負(fù)荷分配控制，這就對控制設(shè)備進行實時數(shù)據(jù)處理的能力提出了更高的要求，傳統(tǒng)的RS485總線通信方式只適用于不多于20個傳動點、控制相對簡單的低速造紙機，一旦車速達(dá)到500m／min，傳動點多于20個，系統(tǒng)便出現(xiàn)明顯的數(shù)據(jù)傳輸滯后、反應(yīng)慢 車速波動、工作不穩(wěn)定等現(xiàn)象。為了適應(yīng)大型、高速、高性能造紙機的發(fā)展趨勢，新的總線控制方式。以及通訊接口就需要及時地被研發(fā)出來。

2．2 造紙機傳動控制系統(tǒng)中

PROFIBUS-DP通訊網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在工程應(yīng)用中，我們以可編程控制器PLC作為控制核心、變頻器作為功率執(zhí)行單元來實現(xiàn)多電機的同步運行。下面我們以紙機傳動控制系統(tǒng)中使用得比較廣泛的ABB公司的ACS400系列變頻器、西門子MIDIMASTER系列變頻器以及西門子PLC為例，分析PRoFIBUS—DP通信適配器完成協(xié)議之間互相轉(zhuǎn)換的過程。

PLC通訊一般使用RS485總線協(xié)議方式，為了接入高速DP數(shù)據(jù)處理通道，我們需要通訊適配器將其從RS485總線方式轉(zhuǎn)換為PROFIBUS-DP總線方式；ACS系列變頻器支持MoDBUS協(xié)議，而MIDIMASTER系列變頻器支持USS協(xié)議，這兩種協(xié)議互不兼容，互相之間無法交換數(shù)據(jù)，由于本通信適配器同時集成了對MODBUS協(xié)議和USS協(xié)議的支持，因此可以通過本通信適配器，將ACS400系列變頻器和西門子MIDIMASTER系列變頻器接入到同一個PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)中，其連接示意圖如圖3所示。實際中通過對通信接口程序的補充，還可以完成對其它在物理上使用普通RS485接口協(xié)議的支持，即可實現(xiàn)更多支持不同協(xié)議設(shè)備的連接到同一個PROFIBUS—DP網(wǎng)絡(luò)中。

2．3 通訊適配器對各變頻器在軟件上的實現(xiàn)過程

通訊適配器對各變頻器的操作在軟件上實現(xiàn)過程如下：DP主站向通信適配器發(fā)送數(shù)據(jù)，通信適配器在接收到數(shù)據(jù)后，對其進行解析，然后根據(jù)所連接的變頻器類型，把數(shù)據(jù)重新封裝成標(biāo)準(zhǔn)MODBUS格式或者USS格式發(fā)送給變頻器，變頻器在接收到數(shù)據(jù)后，回送響應(yīng)信息，完成相應(yīng)的操作，通信適配器再將接收到的響應(yīng)信息重新解析封裝成PROFIBUS-DP格式，然后回送給主站。這樣，一次操作完成。

2．4 通訊適配器與變頻器的數(shù)據(jù)交換

假設(shè)對于站地址為05的ACS400系列變頻器，要求其EXT1運行頻率為5Hz，則主站向通信適配器發(fā)送數(shù)據(jù)交換報文，通訊適配器解析出報文中的數(shù)據(jù)單元DU如下：控制字，04H、7FH；給定1，07H、D0H；給定2，00H、00H；未用，00H、00H。假設(shè)此時使用的數(shù)據(jù)長度為8字節(jié)（實際中還可使用12字節(jié)），變頻器的通信參數(shù)已進行正確設(shè)定。

通信適配器在對此數(shù)據(jù)單元進行分析后，向變頻器發(fā)送如下格式所示的數(shù)據(jù)：地址，05H；命令，06H；寄存器代碼，000 1 H ；數(shù)據(jù)，07D0H；CRC，DA22H。變頻器接收到數(shù)據(jù)后回送的響應(yīng)數(shù)據(jù)為：地址，05H；命令，06 H ；寄存器代碼，000 1 H ；數(shù)據(jù)，07DOH；CRC，DA22H。且完成相應(yīng)的操作。

由于USS協(xié)議與MODBUS協(xié)議不兼容， 主站在對西門子MIDIMASTER變頻器進行操作時，本通信適配器所收發(fā)送數(shù)據(jù)格式是不同的。例如，對于站地址為03的西門子MIDIMASTER變頻器，要求改變其運行頻率為25Hz。則本通信適配器在對主站發(fā)出的數(shù)據(jù)交換報文進行解析后，向變頻器發(fā)送如下的數(shù)據(jù)：STx，02H；LGE，0CH ；ADR，03H ；PKE ，0000H ；IDN ，0000H ；VAL，0000H lSTW ，0C7FH ；HSW ，2000H；BCC，5EH。變頻器在接收到數(shù)據(jù)后，回送如下響應(yīng)數(shù)據(jù)為：STx，02H ；LGE，0CH ；ADR ，03H ；PKE，0000H lIDN ，0000H lV AL，0000H lSTW ，0C7FH ；HSW ，2000H IBCC，5EH。且完成相應(yīng)操作。

3 、結(jié)語

結(jié)合紙機傳動控制系統(tǒng)，對PROFIB U S-DP通信適配器的應(yīng)用進行了說明，它能夠提高設(shè)備選擇的靈活性；提高紙機控制系統(tǒng)的可靠性、準(zhǔn)確性及抗干擾能力。