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案例頻道 摘 要： 本文介紹ARD3T智能電動(dòng)機(jī)保護(hù)器的PROFIBUS-DP通訊設(shè)計(jì)原理，文中介紹了常用PROFIBUS芯片，本設(shè)計(jì)所選芯片的類型，PROFIBUS模塊的硬件原理框圖、電源電路、軟件流程圖、GSD文件等相關(guān)設(shè)計(jì)原理，本文通過(guò)力控組態(tài)軟件與ARD3T進(jìn)行PROFIBUS連接完成數(shù)據(jù)讀寫，通訊成功說(shuō)明設(shè)計(jì)的可行性。
關(guān)鍵詞：ARD3T；電動(dòng)機(jī)保護(hù)器；PROFIBUS；VPC3
PROFIBUS是一種國(guó)際化、開放性的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)，它是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC61158現(xiàn)場(chǎng)總線之一。PROFIBUS可以將從低級(jí)（傳感器/執(zhí)行器）到中間級(jí)執(zhí)行級(jí)（單元級(jí)）的自動(dòng)化設(shè)備分散開來(lái)，根據(jù)應(yīng)用特點(diǎn)和用戶不同的需要， PROFIBUS提供了3種兼容版本通信協(xié)議：FMS 、PA和DP 。在實(shí)際應(yīng)用中，PROFIBUS-DP占到PROFIBUS用量的90%。
為適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)總線的發(fā)展應(yīng)用，電動(dòng)機(jī)保護(hù)器需要兼容多種總線協(xié)議，在各種系統(tǒng)中正常使用。ARD3T智能電動(dòng)機(jī)保護(hù)器可以帶有MODUBS、PROFIBUS-DP通訊協(xié)議，主體模塊帶有MODBUS協(xié)議，通過(guò)PROFIBUS通訊模塊實(shí)現(xiàn)PROFIBUS DP通訊，在PROFIBUS通訊中ARD3T作為從站使用。
1 ARD3T PROFIBUS通訊模塊設(shè)計(jì)原理
PROFIBUS通訊模塊作為ARD3T接入PROFIBUS總線的橋梁，完成ARD3T內(nèi)部總線協(xié)議和PROFIBUS
總線協(xié)議內(nèi)容轉(zhuǎn)換。目前在開發(fā)DP從站的常用方案有：（1）采用單片機(jī)+PROFIBUS開發(fā)芯片；（2）直接使用帶有52內(nèi)核的PROBIBUS芯片。常用的PROFIBUS開發(fā)芯片及廠家如表1所示。本文采用的開發(fā)方案是：?jiǎn)纹瑱C(jī)+PROFIBUS開發(fā)芯片，協(xié)議芯片負(fù)責(zé)完成數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換和收發(fā)功能，單片機(jī)負(fù)責(zé)和ARD3T主體通訊，控制VPC3等。選用的協(xié)議芯片為VPC3,VPC3可直接替代SIEMENS公司的SPC3芯片，并且支持3.3V、5V電壓的工作電壓，RAM大等優(yōu)點(diǎn)，與SPC3相比較更適合本方案使用。
表1 常用PROFIBUS開發(fā)芯片
PROFIBUS模塊硬件框圖如圖1所示，圖1中ARD3T總線包括與PROFIBUS模塊進(jìn)行通訊的內(nèi)部總線和向ARD3T模塊供電的總線電源。PROFIBUS總線電源是通過(guò)DC-DC電路的方式將總線電源變?yōu)槟K所需的工作源，DC-DC芯片使用MC34063，供電電路設(shè)計(jì)見(jiàn)圖2所示。CPU單元負(fù)責(zé)和ARD3T主體通訊，控制VPC3等。PROFIBUS芯片選用VPC3。
圖1 PROFIBUS模塊硬件框圖
PROFIBUS通訊的物理層為RS485，VPC3芯片本身不帶有RS485接口，本設(shè)計(jì)中通過(guò)IL3685芯片實(shí)現(xiàn)RS485信號(hào)轉(zhuǎn)換。IL3685是單芯片的PROFIBUS隔離收發(fā)器，本身帶有隔離和RS485收發(fā)的功能，隔離電壓可達(dá)2.5kv，隔離特性等同于常用的PROFIBUS通訊用高速光耦，IL3685具有抗15kv人體靜電等功能，此特性能替代常用的RS485芯片。由此可見(jiàn)使用一顆IL3685就可以直接替代原采用光耦+RS485通訊芯片的設(shè)計(jì)方法，可以簡(jiǎn)化線路設(shè)計(jì)，節(jié)約開發(fā)成本。IL3685可同時(shí)支持3.3V和5V供電，而很多高速光耦和RS485芯片只能支持3.3V或5V，并且3.3V的芯片價(jià)格遠(yuǎn)高于5V芯片，IL3685通用性更強(qiáng)，可以簡(jiǎn)化電路電源部分的設(shè)計(jì)，在CPU為3.3V供電時(shí)更符合設(shè)計(jì)需求。
圖2 DC-DC供電電路
CPU單元對(duì)負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)PROFIBUS模塊的工作，CPU單元的軟件流程圖如圖3所示。
圖3 軟件流程圖
2 ARD3T GSD文件說(shuō)明
PROFIBUS設(shè)備具有不同的性能特點(diǎn)，為達(dá)到PROFIBUS簡(jiǎn)單的即插即用配置，PROFIBUS設(shè)備的特性均在電子設(shè)備數(shù)據(jù)庫(kù)文件(GSD)中具體說(shuō)明。使用基于GSD的組態(tài)工具可將不同廠商生產(chǎn)的設(shè)備集成在同一總線系統(tǒng)中。GSD 文件是ASCII 文件， 可以用任何一種ASCII 編輯器編輯，如計(jì)事本、UltraEdit 等，也可使用PROFIBUS用戶組織提供的編輯程序GSDEdit。
在進(jìn)行PROFIBUS主站組態(tài)時(shí)，裝載GSD文件后，GSD文件內(nèi)容如圖4所示。ARD3T包含16個(gè)模塊，“2 words principal values”～“17 words principal values”表示輸入數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為 “2 words” ～“17 words”，組態(tài)時(shí)輸入數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為其中任意一組，輸出數(shù)據(jù)為默認(rèn)模塊。
圖4 GSD文件
3 PROFIBUS組態(tài)實(shí)例
3.1力控組態(tài)軟件介紹
本文通過(guò)力控組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)PROFIBUS通訊，力控監(jiān)控組態(tài)軟件是在自動(dòng)控制系統(tǒng)監(jiān)控層一級(jí)的軟件平臺(tái)，它能同時(shí)和國(guó)內(nèi)外各種工業(yè)控制廠家的設(shè)備進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通訊，它可以與高可靠的工控計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)合，便可以達(dá)到集中管理和監(jiān)控的目的，同時(shí)還可以方便的向控制層和管理層提供軟、硬件的全部接口，來(lái)實(shí)現(xiàn)與“第三方”的軟、硬件系統(tǒng)集成。
力控監(jiān)控組態(tài)軟件是對(duì)生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與過(guò)程控制的專用軟件，最大的特點(diǎn)是能以靈活多樣的“組態(tài)方式”而不是編程方式來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)集成，它提供了良好的用戶開發(fā)界面和簡(jiǎn)捷的工程實(shí)現(xiàn)方法，只要將其預(yù)設(shè)置的各種軟件模塊進(jìn)行簡(jiǎn)單的“組態(tài)”，便可以非常容易地實(shí)現(xiàn)和完成監(jiān)控層的各項(xiàng)功能，縮短了自動(dòng)化工程師的系統(tǒng)集成時(shí)間，大大提高了集成效率。
3.2PROFIBUS組態(tài)過(guò)程
本文使用CP5512作為主站，通過(guò)STEP7進(jìn)行組態(tài)設(shè)置。組態(tài)前對(duì)ARD3T進(jìn)行PROFIBUS從站設(shè)置，將從站地址設(shè)置為19（本文測(cè)試時(shí)從站地址為19），PROFIBUS模塊的波特率為自適應(yīng)，波特率范圍“9.6 kbit/s～12000 kbit/s”，所以在從站設(shè)置時(shí)不必對(duì)波特率進(jìn)行設(shè)置。PROFIBUS模塊上電后,若要對(duì)從站地址進(jìn)行更改，需要對(duì)PROFIBUS模塊重新上電，更改的從站地址才能有效（此功能遵循PROFIBUS-DP規(guī)約）。
設(shè)置好ARD3T后，通過(guò)STEP7軟件進(jìn)入圖4所示的界面，選擇“17 words principal values”作為輸入數(shù)據(jù)，輸入數(shù)據(jù)用戶參數(shù)如圖5所示。
進(jìn)入力控軟件，建立PROFIBUS通訊，建立電壓、電流模擬點(diǎn)用于讀取ARD3T測(cè)量到的電壓、電流數(shù)據(jù)，建立模擬點(diǎn)用于發(fā)送起動(dòng)、停止、復(fù)位、緊急停車等控制命令，在力控中創(chuàng)建圖6所示的窗口，并進(jìn)行變量關(guān)聯(lián)，編寫動(dòng)作命令并編譯，進(jìn)入運(yùn)行窗口運(yùn)行程序，如圖6所示。
按下圖6中的起動(dòng)按鈕，通過(guò)主站向ARD3T發(fā)送起動(dòng)指令，ARD3T接收到主站命令后控制相應(yīng)的控制繼電器動(dòng)作，使電機(jī)進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)，可以看到三相電流由“0”變?yōu)?ldquo;100”，表明電機(jī)主回路已接通進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)，運(yùn)行指示燈亮，如圖7所示。
圖5 17words輸入數(shù)據(jù)用戶參數(shù)
圖6
圖7
在圖7中按下停止按鈕后，主站向ARD3T發(fā)送停止指令，ARD3T控制相應(yīng)繼電器斷開，分?jǐn)嚯姍C(jī)主回路，電機(jī)進(jìn)入停止?fàn)顟B(tài)，運(yùn)行指示燈滅，三相電流顯示變?yōu)?，如圖8所示。當(dāng)有故障發(fā)生時(shí)，ARD3T直接分?jǐn)嘟佑|器，使電機(jī)停止運(yùn)行，主站讀取到ARD3T中存儲(chǔ)的故障信息，故障指示燈亮，運(yùn)行燈滅，如圖9所示。
圖8
圖9
4 結(jié)語(yǔ)
相對(duì)于MODBUS 通訊而言，PRFOBUS 通訊存在著諸多優(yōu)點(diǎn)，比如高通信速率（最高可達(dá)12Mbit/s）、實(shí)時(shí)性、可靠性、易擴(kuò)展、易維護(hù)性等，很多工廠、企業(yè)現(xiàn)存的生產(chǎn)控制自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)大都采用現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)，PROFIBUS 網(wǎng)絡(luò)是其中應(yīng)用最多的一種現(xiàn)場(chǎng)總線。
本文首先介紹了ARD3T智能電動(dòng)機(jī)保護(hù)器PROFIBUS通訊模塊的設(shè)計(jì)原理，給出常用輸入、輸出數(shù)據(jù)格式，并對(duì)GSD文件進(jìn)行說(shuō)明，通過(guò)使用CP5512板卡和力控軟件做為主站進(jìn)行PROFIBUS通訊測(cè)試，結(jié)果表明ARD3T可以很好的實(shí)現(xiàn)PROFIBUS通訊。
參考文獻(xiàn)
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作者簡(jiǎn)介：
趙 波（1982-），男，黑龍江人，本科，工程師,現(xiàn)就職于上海安科瑞電氣股份有限公司，主要從事電動(dòng)機(jī)控制器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用。
摘自《自動(dòng)化博覽》2011年第十期
北京市公安局海淀分局備案號(hào)：11010802023656號(hào)