如何基于RS485總線(xiàn)設計小型集散系統？

1.前言

集散控制系統是一種價(jià)格昂貴的自動(dòng)化控制裝置，國內外集散系統制造公司，在生產(chǎn)大型集散系統的同時(shí)，都推出了同系列的小型集散系統，即使這樣，其價(jià)格對國內小企業(yè)而言仍然偏高。我們從我國中小企業(yè)的實(shí)際情況出發(fā)，以個(gè)人計算機做操縱站，通過(guò)RS-485總線(xiàn)與多臺DCS基本控制器組成了一種簡(jiǎn)易集散系統，經(jīng)濟實(shí)用。

2.系統的組成及其框圖

整個(gè)系統包括一臺PC或者IPC作為操縱站用于組態(tài)、實(shí)時(shí)監控，多個(gè)DCS基本控制器(最多32個(gè))負責現場(chǎng)控制，操縱站和基本控制器之間通訊采用RS-485總線(xiàn)標準。系統結構如圖1 所示。操縱站可選用帶有RS-485串行通訊接口工控機，或者選用一般PC機，但要在RS-232接口上增加一個(gè)RS-232/RS-485接口轉換器。我們采用Atronix的ADC-106接口轉換器可將RS-232C串行口的數據發(fā)送(TD)和數據接收(RD)信號轉換成兩線(xiàn)平衡的半雙工RS-485信號。每個(gè)控制器也配有相應的RS-485接口，我們采用MAXIM的MAX485收發(fā)器。

圖1. 系統結構圖

3.系統通訊

3.1 通訊網(wǎng)絡(luò )的硬件構成

3.1.1 RS-485簡(jiǎn)介及系統連接圖

整個(gè)系統采用的RS-485總線(xiàn)標準進(jìn)行數據傳輸。RS—485總線(xiàn)速度快(最大10MB/S),傳送間隔遠(90KB/S下可傳1200米), 以差分平衡方式傳輸信號，具有很強的抗共模干擾的能力，答應一對雙絞線(xiàn)上一個(gè)發(fā)送器驅動(dòng)多個(gè)負載設備。因此產(chǎn)業(yè)現場(chǎng)控制系統中一般采用該總線(xiàn)標準進(jìn)行數據傳輸。通訊網(wǎng)絡(luò )各節點(diǎn)均帶有RS-485串行通訊接口。在總線(xiàn)末端接一個(gè)匹配電阻，吸收總線(xiàn)上的反射信號，保證正常傳輸信號干凈、無(wú)毛刺。匹配電阻的取值應該與總線(xiàn)的特性阻抗相當(120歐)。整個(gè)通訊系統具體連接如圖2。

圖2 通訊網(wǎng)絡(luò )連接圖

3.1.2 ADC-106接口轉換器先容

該轉換器可直接插進(jìn)標準的DB9針RS-232C串口，并從其中的TXD、DTR、RTS信號供電、并且供電信號電平應大于+5V、RS-485接口端通過(guò)自制DB9孔連接器連接。

3.1.3 MAX485收發(fā)器先容

基本控制器的網(wǎng)絡(luò )接口均采用了MAXIM公司的半雙工485總線(xiàn)收發(fā)器MAX485。其控制十分簡(jiǎn)單，RE為接受控制端，DE為發(fā)送控制端。用 80C196KC的一個(gè)輸出口P1.0與兩個(gè)控制端相連，平時(shí)置P1.0為低，使控制器串口處于偵聽(tīng)狀態(tài)，當要發(fā)送數據時(shí)使P1.0為高。收發(fā)器的網(wǎng)絡(luò )連接，如圖3。

圖3 MAX485連接示意圖

3.2 網(wǎng)絡(luò )通訊協(xié)議

PC 與各下位機實(shí)行嚴格的廣播式的主從通訊方式。從機不主動(dòng)發(fā)送命令或數據，一切都由主機控制。從機之間通訊不能直接進(jìn)行，而必須由主機中轉。數據通訊波特率為9600b/s。每個(gè)控制器都有唯一的地址號，此地址號唯一區別各控制器。幀格式為8位數據位，無(wú)奇偶校驗位，1位停止位。 數據格式采用數據包的形式，數據包格式如下：

PC(或 IPC)通過(guò)RS-485網(wǎng)絡(luò )廣播自己所要求的下位機地址，所有下位機都收聽(tīng)廣播，記下廣播地址。各下位機把收到的地址與自己的地址進(jìn)行比較，地址相同的下位機為被選中的下位機，其余下位機皆為未選中的下位機，暫時(shí)從網(wǎng)絡(luò )上隔離。網(wǎng)絡(luò )上只剩下主機與選中的下位機，按主從式雙機的通訊過(guò)程進(jìn)行通訊。下位機通訊流程如下：

圖4 下位機通訊流程圖

4 基本控制器的設計及功能

基本控制器是控制的軟硬件核心，它設計的好壞將直接影響系統的可用性、實(shí)時(shí)性和可靠性。為滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性高，數據處理量大的要求。選用intel公司的16位單片機80C196KC作為控制器的CPU。整個(gè)控制器采用雙CPU結構，一個(gè)CPU主管數據采集、實(shí)時(shí)控制，一個(gè)CPU主管數據通訊，它們之間數據交換通過(guò)雙端口RAM(IDT7132)。整個(gè)控制用具有8路模擬量輸進(jìn)通道，6路模擬量輸出通道(其中兩路為PWM輸出)，16路開(kāi)關(guān)量輸進(jìn)，16路開(kāi)關(guān)量輸出，2個(gè)脈沖量輸進(jìn)。其結構如圖5所示：

主控CPU主管數據采集以及信號的處理，接受上位機發(fā)來(lái)的組態(tài)程序進(jìn)行現場(chǎng)的控制。

由于采用了整個(gè)組態(tài)程序完全由上位機下傳至控制器的RAM中執行的方式，使得控制非常靈活，主控CPU除了能進(jìn)行基本的控制之外，還能進(jìn)行先進(jìn)的控制算法。另外還具有在線(xiàn)調整控制參數功能、多種報警功能。

通訊CPU的功能主要有：

完成串并行數碼的互換。

2.用串行通訊方式發(fā)送本地信息，識別本地地址并接受通訊數據。

3.對發(fā)送數據加上檢驗段，并檢查接收數據的檢驗段。

4.利用地址譯碼ROM把高速數據通道的目的地址和存儲器目的地址翻譯成對應的內部存儲器地址。

5.通過(guò)向主CPU發(fā)出中斷，完成數據的內部傳送，并產(chǎn)生讀寫(xiě)脈沖，地址和各數據位。

6.數據通道電平和內部TTL電平的匹配。

圖5 控制器結構框圖

5 結論

通過(guò)以上的討論，可以看出整個(gè)系統有如下特點(diǎn)：

1)構建系統本錢(qián)低廉，連接方便。

2)采用雙INTEL 80C196KC微控器協(xié)同處理控制任務(wù)，功能更強，速度更快。

3)利用80C196KC同一編址方式方便實(shí)現組態(tài)程序下載，使控制更靈活，更可靠。

4)具有獨立于CPU的WDT電路—MAX705，監視CPU的程序運行情況，同時(shí)還能處理控制器的電源波動(dòng)。