基于PROFIBUS-DP總線(xiàn)技術(shù)在電機啟動(dòng)器中的應用

1 前言

現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)是當今世界各國關(guān)注的熱點(diǎn)課題，以現場(chǎng)總線(xiàn)為基礎的全數字控制系統是 21 世紀自動(dòng)化控制系統的主流。PROFIBUS-DP是一種經(jīng)過(guò)優(yōu)化的高速、廉價(jià)的通信連接，專(zhuān)為自動(dòng)控制系統和設備級分散I/O之間通信設計，使用PROFIBUS-DP模塊可取代價(jià)格昂貴的24V或 0～20mA并行信號線(xiàn)，用于分布式控制系統的高速數據傳輸。PROFIBUS-DP主要應用于現場(chǎng)設備級，它的響應時(shí)間從幾百 到幾百ms，數據傳輸速率為9.6kbit/s～12Mbit/s，傳輸的數據容量為每個(gè)報文多達244個(gè)字節，傳輸介質(zhì)為屏蔽雙絞線(xiàn)或光纜，被廣泛應用于樓宇自動(dòng)化、水電廠(chǎng)管理和工業(yè)過(guò)程自動(dòng)化控制系統中。

2 軟起動(dòng)控制器中PROFIBUS-DP通訊接口的硬件設計

在軟起動(dòng)控制器的PROFIBUS-DP硬件接口電路設計方案上，采用單片機 + 專(zhuān)用集成芯片SPC3 + RS485驅動(dòng)的方案。

2.1 SPC3簡(jiǎn)述

SPC3(SIEMENS PROFIBUS CONTROLLER)為優(yōu)化的智能PROFIBUS-DP從站，集成有PROFIBUS-DP物理層的數據收發(fā)功能，可獨立處理PROFIBUS-DP 協(xié)議。SPC3的內部有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等。SPC3有8根數據線(xiàn)和11根地址線(xiàn)，其中8根數據線(xiàn)與地址線(xiàn)復用，可以接80C32、80C166、80C196、HC196等單片機。SPC3內部集成了1.5KB的雙口RAM作為SPC3與軟件/程序的接口，能自動(dòng)調整9.6K到12M波特率。

2.2 PROFIBUS-DP通信接口硬件設計

PIC16F877與PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò )的連接通過(guò)一個(gè)PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò )的協(xié)議芯片SPC3和RS-485驅動(dòng)電路組成。PROFIBUS-DP接口主要由處理器接口和串行總線(xiàn)接口組成。

處理器接口電路如圖1示：80C32通過(guò)P0口和P2口擴展外部存儲器，將SPC3內部的雙口RAM作為自己的外部RAM，通過(guò)對雙口RAM的讀寫(xiě)來(lái)完成對SPC3的初始化和有關(guān)數據的交換。圖中P1是指用雙PIC16F877設計的軟起動(dòng)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結合，以及MAX485ESA完成到PROFIBUS-DP總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )上的連接。

圖1 處理器接口電路

圖2串行總線(xiàn)接口電路

SPC3芯片通過(guò)請求發(fā)送信號(RTS)，發(fā)送數據信號(TXD)，接收數據信號(RXD),通過(guò)高速光耦HCPL7720 和總線(xiàn)收發(fā)器ADM1485相連，構成串行總線(xiàn)接口。如圖2所示，盡管SPC3已經(jīng)集成了物理層的數據傳輸功能，但它不具備RS-485的驅動(dòng)接口，因此添置了RS-485的驅動(dòng)電路。目前能滿(mǎn)足12M波特率的驅動(dòng)器芯片為數不多，有SN65ALS176，SN75ALS176，ADM1485等，本系統中選用的是ADM1485。另外為了避免總線(xiàn)上的信號對電路的影響，在SPC3與RS-485總線(xiàn)驅動(dòng)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 通訊接口的軟件設計

PROFIBUS-DP的ASIC芯片SPC3集成了PROFIBUS-DP協(xié)議，能夠處理PROFIBUS-DP狀態(tài)機構，因此80C32不用參與處理PROFIBUS-DP狀態(tài)機。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(gè)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。 SPC3上電復位之后.在正常工作之前必須進(jìn)行初始化，以配置各個(gè)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報文事件：全局控制命令報文事件，進(jìn)入或退出數據交換狀態(tài)事件，新的配置報文事件，新的地址設置報文事件，監測到波特率事件和看門(mén)狗溢出事件。SPC3在接收到由 PROFIBUS主站傳送的不同輸出數據時(shí)會(huì )產(chǎn)生輸出標志位，CPU通過(guò)在應用循環(huán)中輪詢(xún)標志位來(lái)進(jìn)行接收主站數據。對于特定應用的診斷信息需要實(shí)時(shí)傳遞到主站。主應用程序在應用循環(huán)中判斷是否有可用的診斷BUF存在一當有空閑BUF時(shí)應用程序輸入診斷信息，并請求更新。對于實(shí)時(shí)性要求嚴格的系統，應采用中斷方式進(jìn)行輸出數據和診斷數據處理。

由于用于現場(chǎng)的設備要特別考慮抗干擾能力，因此在設備硬件抗干擾技術(shù)的基礎上，軟件方面采用指令冗余，設置軟件陷阱，系統的自檢及軟硬件相結合的看門(mén)狗技術(shù)，保證軟件出軌的自動(dòng)恢復，從而進(jìn)一步提高系統的抗干擾能力。

4 結論

軟起動(dòng)器有很多優(yōu)點(diǎn)，然而，目前國內生產(chǎn)的異步電機的軟起動(dòng)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(xiàn)，這些串行總線(xiàn),由于自身的特點(diǎn),不適合工業(yè)現場(chǎng)控制,有礙于電動(dòng)機機群的進(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(dòng)化的實(shí)現。本文介紹的帶 PROFIBUS-DP總線(xiàn)接口的軟起動(dòng)控制器，可以解決傳統軟起動(dòng)器現場(chǎng)通信的不足，實(shí)現電動(dòng)機的群控，促進(jìn)企業(yè)綜合自動(dòng)化的底層網(wǎng)絡(luò )建設，并能帶來(lái)顯著(zhù)經(jīng)濟效益。