基于PROFIBUS-DP的軟起動控制器設(shè)計(jì)

1 前言

現(xiàn)場總線技術(shù)是當(dāng)今世界各國關(guān)注的熱點(diǎn)課題，以現(xiàn)場總線為基礎(chǔ)的全數(shù)字控制系統(tǒng)是 21 世紀(jì)自動化控制系統(tǒng)的主流。PROFIBUS-DP是一種經(jīng)過優(yōu)化的高速、廉價的通信連接，專為自動控制系統(tǒng)和設(shè)備級分散I/O之間通信設(shè)計(jì)，使用PROFIBUS-DP模塊可取代價格昂貴的24V或0～20mA并行信號線，用于分布式控制系統(tǒng)的高速數(shù)據(jù)傳輸。PROFIBUS-DP主要應(yīng)用于現(xiàn)場設(shè)備級，它的響應(yīng)時間從幾百 到幾百ms，數(shù)據(jù)傳輸速率為9.6kbit/s～12Mbit/s，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)容量為每個報文多達(dá)244個字節(jié)，傳輸介質(zhì)為屏蔽雙絞線或光纜，被廣泛應(yīng)用于樓宇自動化、水電廠管理和工業(yè)過程自動化控制系統(tǒng)中。
2 軟起動控制器中PROFIBUS-DP通訊接口的硬件設(shè)計(jì)
在軟起動控制器的PROFIBUS-DP硬件接口電路設(shè)計(jì)方案上，采用單片機(jī) + 專用集成芯片SPC3 + RS485驅(qū)動的方案。
2.1 SPC3簡述
SPC3（SIEMENS PROFIBUS CONTROLLER）為優(yōu)化的智能PROFIBUS-DP從站，集成有PROFIBUS-DP物理層的數(shù)據(jù)收發(fā)功能，可獨(dú)立處理PROFIBUS-DP協(xié)議。SPC3的內(nèi)部有RAM、方式寄存器、狀態(tài)寄存器、中斷寄存器以及各種緩沖器指針和緩沖區(qū)等。SPC3有8根數(shù)據(jù)線和11根地址線，其中8根數(shù)據(jù)線與地址線復(fù)用，可以接80C32、80C166、80C196、HC196等單片機(jī)。SPC3內(nèi)部集成了1.5KB的雙口RAM作為SPC3與軟件/程序的接口，能自動調(diào)整9.6K到12M波特率。
2.2 PROFIBUS-DP通信接口硬件設(shè)計(jì)
PIC16F877與PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)的連接通過一個PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議芯片SPC3和RS-485驅(qū)動電路組成。PROFIBUS-DP接口主要由處理器接口和串行總線接口組成。
處理器接口電路如圖1示：80C32通過P0口和P2口擴(kuò)展外部存儲器，將SPC3內(nèi)部的雙口RAM作為自己的外部RAM，通過對雙口RAM的讀寫來完成對SPC3的初始化和有關(guān)數(shù)據(jù)的交換。圖中P1是指用雙PIC16F877設(shè)計(jì)的軟起動控制器，作為通訊的從站，PIC16F877集成了SPI接口，可以和協(xié)議芯片SPC3結(jié)合，以及MAX485ESA完成到PROFIBUS-DP總線網(wǎng)絡(luò)上的連接。

圖1 處理器接口電路

圖2串行總線接口電路

SPC3芯片通過請求發(fā)送信號（RTS），發(fā)送數(shù)據(jù)信號（TXD），接收數(shù)據(jù)信號（RXD）,通過高速光耦HCPL7720和總線收發(fā)器ADM1485相連，構(gòu)成串行總線接口。如圖2所示，盡管SPC3已經(jīng)集成了物理層的數(shù)據(jù)傳輸功能，但它不具備RS-485的驅(qū)動接口，因此添置了RS-485的驅(qū)動電路。目前能滿足12M波特率的驅(qū)動器芯片為數(shù)不多，有SN65ALS176，SN75ALS176，ADM1485等，本系統(tǒng)中選用的是ADM1485。另外為了避免總線上的信號對電路的影響，在SPC3與RS-485總線驅(qū)動電路之間采用光電隔離。TXD、RXD信號的隔離器件選用Hewlett Packar公司的12M高速光耦HCPL7720，RTS的信號隔離器件選用HCPL0601。
3 通訊接口的軟件設(shè)計(jì)
PROFIBUS-DP的ASIC芯片SPC3集成了PROFIBUS-DP協(xié)議，能夠處理PROFIBUS-DP狀態(tài)機(jī)構(gòu)，因此80C32不用參與處理PROFIBUS-DP狀態(tài)機(jī)。80C32的主要任務(wù)是對SPC3進(jìn)行合理的配置、初始化及對各種報文的處理。
對SPC3的軟件操作主要包括兩個部分：SPC3的初始化和SPC3的中斷處理。主程序和中斷程序流程圖分別如圖3和圖4所示。

圖 3 主程序流程圖 圖4中斷程序流程圖

SPC3的初始化程序應(yīng)放在主程序的前面，而中斷處理程序完成CPU對SPC3中斷輸出的響應(yīng)。 SPC3上電復(fù)位之后.在正常工作之前必須進(jìn)行初始化，以配置各個寄存器。中斷處理程序用于處理SPC3發(fā)生的各種事件，這些事件包括新的參數(shù)報文事件：全局控制命令報文事件，進(jìn)入或退出數(shù)據(jù)交換狀態(tài)事件，新的配置報文事件，新的地址設(shè)置報文事件，監(jiān)測到波特率事件和看門狗溢出事件。SPC3在接收到由PROFIBUS主站傳送的不同輸出數(shù)據(jù)時會產(chǎn)生輸出標(biāo)志位，CPU通過在應(yīng)用循環(huán)中輪詢標(biāo)志位來進(jìn)行接收主站數(shù)據(jù)。對于特定應(yīng)用的診斷信息需要實(shí)時傳遞到主站。主應(yīng)用程序在應(yīng)用循環(huán)中判斷是否有可用的診斷BUF存在一當(dāng)有空閑BUF時應(yīng)用程序輸入診斷信息，并請求更新。對于實(shí)時性要求嚴(yán)格的系統(tǒng)，應(yīng)采用中斷方式進(jìn)行輸出數(shù)據(jù)和診斷數(shù)據(jù)處理。
由于用于現(xiàn)場的設(shè)備要特別考慮抗干擾能力，因此在設(shè)備硬件抗干擾技術(shù)的基礎(chǔ)上，軟件方面采用指令冗余，設(shè)置軟件陷阱，系統(tǒng)的自檢及軟硬件相結(jié)合的看門狗技術(shù)，保證軟件出軌的自動恢復(fù)，從而進(jìn)一步提高系統(tǒng)的抗干擾能力。
4 結(jié)論
軟起動器有很多優(yōu)點(diǎn)，然而，目前國內(nèi)生產(chǎn)的異步電機(jī)的軟起動器大多都不帶通信接口，有一些帶通信接口的，也多為 RS232 或 RS485 串行總線，這些串行總線,由于自身的特點(diǎn),不適合工業(yè)現(xiàn)場控制,有礙于電動機(jī)機(jī)群的進(jìn)一步網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展和企業(yè)管控一體化及綜合自動化的實(shí)現(xiàn)。本文介紹的帶 PROFIBUS-DP總線接口的軟起動控制器，可以解決傳統(tǒng)軟起動器現(xiàn)場通信的不足，實(shí)現(xiàn)電動機(jī)的群控，促進(jìn)企業(yè)綜合自動化的底層網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，并能帶來顯著經(jīng)濟(jì)效益。

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