Profibus現場總線以其卓越的技術性能，在全世界范圍內得到廣泛的應用。在電動執行機構行業內也需要開發帶有Profibus現場總線接口的產品。著重介紹了帶有Profibus現場總線接口的智能型電動執行機構的開發、試驗和應用，實踐證明，使用效果較好，對其推廣具有重要意義。

　　現場總線是一種應用于生產現場，在現場設備(儀表)之間、現場設備控制室內的自動控制裝置(系統)之間實現串行、雙向、多點數字式的通信技術。它是以單個分散的數字化、智能化的測量和控制設備作為網絡節點，用總線連接，實現互相交換信息，共同完成自動控制功能的網絡系統與控制系統。

　　現場總線種類很多，應用于電動執行機構行業主要有Modbus-RTU、Profibus-DP、FF、Devicenet等。其中Profibus總線在1999年成為國際標準IEC61158的組成部分，2001年批準成為中國的行業標準JB/T10308.3—2001。Profibus現場總線技術是開放式、數字化、多點通信的底層控制網，以現場總線為紐帶，把單個分散的現場設備變成網絡節點，采用數字式通信方式取代原來設備級的4～20mA模擬量和24VDC開關量信號，形成底層現場智能設備與高層的系統信息共享，滿足工業控制體系分布化、扁平化和智能化的發展要求。

1、總線控制系統總體設計

　　1.1、硬件設計

　　電動執行機構又稱電動裝置、電動頭，一般和閥門、風門等配套使用，通過接收控制中心給出的控制信號(開關量、模擬量或總線信號)來控制閥門、風門等的開度，并將執行機構的狀態信號反饋給控制中心。根據執行機構和控制中心需要完成的數據交換，編寫GSD文件，定義用戶數據域和數據交換格式，再根據DP協議通過單片機和協議芯片與DP主站進行通信。控制中心和執行機構一般組成單主系統，主站、從站間采用循環數據傳輸方式工作。在SND智能型電動執行機構原有軟硬件結構的基礎上，開發Profi-bus-DP接口卡，可方便地將執行機構接入總線通信網絡。DP卡與主站之間以RS-485總線的形式進行數據交換。通信原理框圖如圖1所示。

圖1 通信原理框圖

　　Profibus-DP總線型電動執行機構在原來智能型電動執行機構控制系統的基礎上加裝了DP通信卡。DP卡的核心部分由單片機W78E052B40PL、協議芯片SPC3和IL485接口芯片組成。SPC3是Profibus-DP專用協議芯片(需和單片機配套使用)，負責把主站送來的數據拆包，送往單片機，同時把單片機送來的數據打包，送往主站;W78E052B40PL是主板與SPC3的橋梁，負責初始化和協議轉換。該方案的優點為總線卡和控制系統是模塊式結構，要接入Profibus網絡時只要加裝總線卡即可。

　　Profibus的通信協議較復雜。從原則上講，它可以在任何微處理器上由軟件實現，只需安裝異步串行收發器(UART)。但現在開發人員只要使用專用的通信處理芯片，完全可摒棄復雜的協議。Profibus通信協議芯片已形成廣泛系列，使用這些協議芯片可使Profibus協議的具體實現簡單、方便、省時、省力，還可達到快速提供產品的目的。適合于智能從站的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通信協議芯片較有代表性。所以，總線卡的設計關鍵是SPC3協議芯片的應用。

圖2 SPC3內部結構示意圖

　　SPC3的內部結構示意圖如圖2所示。SPC3內部集成了1個看門狗定時器，有3種不同的操作狀態：波特率監測、波特率控制和DP控制。SPC3集成了DP協議中的FDL層，由微序列器(MicroSequencer，MS)控制整個SPC3的工作過程。內部還集成了1.5KB的雙口RAM，整個RAM采用8Byte的段結構方式，分成192段，所有需要分配地址的BUF指針，必須指向段的開頭。在1.5KBRAM中，SPC3自己用到了64Byte，這64Byte大多需要通過單片機設定，如中斷屏蔽字、硬件模式寄存器0和1、各種BUF長度和指針、標志字等;還有一部分是SPC3的各種狀態指示用寄存器，如中斷字、輸入BUF狀態、輸出BUF狀態、診斷BUF狀態等;還有些寄存器在寫入時作為工作模式設定寄存器，而讀出時作為狀態指示用寄存器，如中斷請求寄存器。RAM的其他1472Byte是提供給各種BUF的空間。SPC3具有3個輸入BUF、3個輸出BUF、2個診斷BUF、2個輔助BUF、1個配置BUF、1個參數BUF和1個地址設置BUF。當SPC3工作前，過程特定的參數(如站地址、標志號、各種控制位等)要輸入到特定的寄存器單元之后SPC3才能正常。DP通信的服務存取點由SPC3自動建立，各種報文信息呈現在用戶面前的是不同BUF的內部數據。SPC3相當于單片機W78E052B40PL擴展的一個外部RAM，可通過總線接口訪問SPC3內部RAM。SPC3的雙口RAM應在CPU地址空間中統一分配地址。CPU把這片RAM當作自己的外部RAM。

　　SPC3內部的UART實現串并數據流的相互轉變，用于串行通信的4個管腳分別為XCTS、RTS、TxD和RxD。XCTS的含義為清除發送，是SPC3的輸入信號，表示允許SPC3發送數據，RTS為SPC3的請求發送信號，RxD和TxD分別為串行接收和發送端口。SPC3可自動標志總線的波特率(9.6kb/s～12Mb/s)，為提高系統的抗干擾性，SPC3內部線路必須與物理接口在電氣上隔離。輸入/輸出通道上的電氣隔離，采用了6N137高速光耦。電源的電氣隔離，采用了DCP0505這種5V/5V的隔離轉換電源。采用的高速光耦為6N137，收發器為SN75ALS176，通信速率可達6Mbaud/s，可用于大部分的應用系統。如果用戶需要更高的通信速率，可將光耦換作可達25Mbaud/s的HCPL-7720/7721。

　　由此可見，通過協議芯片SPC3來設計DP接口卡，不用太多了解DP協議本身，而且有標準的電路和詳細的設計資料，硬件設計比較簡單。

　　1.2、軟件設計

　　軟件設計方面主要是單片機和SPC3的初始化，對SPC3的寄存器進行配置，啟動SPC3，進行數據的接收和發送。接收和發送有兩部分：一是單片機和SPC3之間的數據傳遞;二是單片機與主板之間的數據傳遞。整個數據傳遞的過程為單片機從主板讀入數據，然后傳遞給SPC3，SPC3對數據進行處理，發送到Profibus總線上由主站接收。主站和作為從站的執行機構的數據輸入和輸出處理(輸入輸出相對于主站而言)，以及用戶診斷數據輸入，放在應用程序的循環中。在一個應用循環中，由應用來刷新輸入BUF中的數據，保障所有輸入數據是最新更新的數據。SPC3在接收由Profibus主站傳送的不同輸出數據時，會產生輸出標志位，CPU通過在應用循環中輪詢標志位來接收主站數據。相對于特定應用診斷信息，需要實時傳遞到主站;主應用程序在應用循環中判斷是否有可用的診斷BUF存在，當有空閑BUF時，應用程序輸入診斷信息并請求更新。對實時性要求嚴格的系統，采用中斷方式進行輸出數據和診斷數據處理。初始化程序框圖如圖3所示。

圖3 初始化程序框圖

2、電動執行機構DP協議中用戶數據域和數據交換格式的定義

　　從站讀取主站輸出的數據格式介紹如下：

　　(1)主站請求報文的結構如圖4所示。

圖4 主站請求報文結構

　　(2)從站響應報文的結構如圖5所示。

圖5 從站響應報文結構

　　通信數據為輸入13Byte，輸出4Byte，如表4所示。

　　例如，電動執行機構控制命令輸出數據共2個字，開、關、停止運行控制命令(寫)如圖6所示。

圖6 開關停運控制命令

　　控制命令中各位含義如下：

　　bit0：關指令，1=運行，0=停止

　　bit1：開指令，1=運行，0=停止

　　bit2：停指令，1=停止，0=無效

　　bit3：緊急關閉指令指令，1=運行，0=停止

3、Profibus-DP通信試驗和現場使用

　　3.1、通信試驗

　　帶Profibus-DP總線接口的智能型電動執行機構自開發完成以來，經過了一系列的試驗和現場使用。試驗中采用單主站、3從站。主站硬件由筆記本電腦、西門子CP5512卡組成，軟件由SOFTNETDPV6.2SP1、STEP7V5.3SP3、OPCScout組成。通過STEP7將筆記本電腦組態為ProfiBus主站，同時將其設置為OPC服務器，將3臺SND系列電動執行機構組態設為從站，并下載到PC(CP5512)主站上，構成Profibus-DP主從系統，如圖7所示。

圖7 通信試驗硬件連接

　　在PC機中使用OPC客戶端軟件(OPCScout)，通過OPC服務器對DP從站的數據進行讀寫，從而實現對電動執行機構運行狀態進行監視和控制，如圖8所示。

圖8 通信試驗數據采集

　　總線波特率設為1.5Mbaud/s，主站執行機構地址設為2，從站執行機構地址設為3、4、5。主站發送開、關、停止、運行控制字和設定開度運行控制字，執行機構執行動作全開、全關、立即停止和運行到指定位置，達到了預期效果。主站讀取從站內容，在狀態反饋中，執行機構狀態字、遠控方式狀態字、執行機構開度、力矩百分比等，這些都能在試驗中準確反映出來。

　　3.2、現場使用

　　該產品在汕頭海門2×1000MW電廠海水脫硫系統中應用了28臺帶Profibus-DP總線接口的SND系列智能型電動執行機構。控制系統采用了上海西屋控制系統有限公司的OVATION3.1.2系統，Profibus-DP總線網段內有常州SND-Z型電動執行機構、英國ROTORKIQ10F10A、蘇州智能MCC控制裝置ST500。傳輸模式Profibus-DP/V0，數據傳輸率為185.7kb/s，GSD文件為VALVEFPS.GSD，通信數據為13個輸入(8Byte)，分別對應OVATION系統的INPUT1-INPUT13;4個輸出(8Byte)分別對應OVATION系統的OUTPUT1～OUTPUT4。總線的拓撲形式如圖9所示。

圖9 現場應用的拓撲形式

　　Profibus通信協議保障了通信的高可靠性，但以硬件和軟件設計為基礎。在通信接口設計時，必須遵循一定的規范，如信號的隔離，總線接口與收發間避免線路過長，電源的濾波處理，收發器和光耦的限流電阻和負載電阻必須與收發器光耦配合適當等。當信號在總線上傳輸時，由于阻抗不連續會形成信號反射，導致傳輸信號畸變。因此，必須在傳輸線末端加電阻來消除阻抗不連續。所加電阻值應盡量接近傳輸線的特性阻抗。特性阻抗值與導線的長度無關，一般為100～165Ω。在實際使用時，注意到了信號的隔離，總線接口與收發間避免線路過長，電源的濾波處理，收發器和光耦的限流電阻和負載電阻必須與收發器光耦配合適當，線路回波反射和終端電阻等問題。

　　經過1年多的使用，總線系統正常穩定，維護量很小，達到了業主的要求。

　　帶Profibus-DP總線接口的SND系列智能型電動執行機構還用在一些出口項目上，如中國恩菲公司的巴新瑞木項目、中國CMEC的印度工程等項目上，以及一些國內項目上，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。

4、結語

　　本文介紹了帶Profibus-DP總線接口的智能型電動執行機構總線方面的設計、檢測和應用。執行機構通過Profibus-DP總線卡成功地接入Profibus總線網絡，達到了控制和反饋的預期目的。開發過程也證明SPC3協議芯片應用于開發從站，能使開發簡單，節省人力和時間。由于工廠工作的連續性，有必要開發冗余的DP卡，以保證通信的可靠性，同時也便于檢修。

　　就目前而言，分散型控制系統(DistributedControlSystem，DCS)已經比較成熟，而現場總線控制系統(FieldbusControlSystem，FCS)正在逐步發展起來。隨著現場總線技術的發展和標準的統一，帶現場總線的現場設備必將成為主流。從長遠看，總線在經濟性、精確性、開放性、靈活性和可維護性上，都有較大的優勢。由于執行機構行業在國內具有Profibus-DP總線成功應用經驗的廠家并不多，因此，總線型產品具有廣闊的市場前景。

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