ARD3T智能電動(dòng)機(jī)保護(hù)器PROFIBUS-DP通訊模塊設(shè)計(jì)原理
趙波1，胡景泰2，李海全3，周佳3
(1.上海安科瑞電氣股份有限公司，上海 嘉定，201801;2. 上海電器科學(xué)研究所(集團(tuán))有限公司，上海 ，200063;3.江蘇安科瑞電器制造有限公司，江蘇 江陰 214405)
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(lèi)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(xiě)，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
ARD3T intelligent motor protection PROFIBUS-DP communication module design principles
ZHAO Bo1，HU Jing-tai2，LI Hai-quan3，ZHOU Jia3
(1.Shanghai Acrel Co.,Ltd, Shanghai Jiading 201801,China; 2.Shanghai Electrical Apparatus Research Institute(Group) Co.,Ltd, Shanghai 200063,China;3. Jiangsu Acrel Co.,Ltd, Jiangyin 214405,China)
Abstract: This article describes the ARD3T intelligent motor protector of PROFIBUS-DP communication design principles, the paper describes the common PROFIBUS chip, the chip selected of this design, PROFIBUS module block diagram of the hardware, power supply circuits, software, flow charts, GSD files and other related design principles , this control by force of PROFIBUS configuration software to connect with ARD3T complete data reading and writing, communication success shows the feasibility of the design.
Key words: ARD3T Motor Protector PROFIBUS VPC3
中圖分類(lèi)號(hào)： 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： 文章編號(hào)：
0 引言
PROFIBUS是一種國(guó)際化的、開(kāi)放的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)，它是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC61158現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)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(kāi)來(lái)，根據(jù)應(yīng)用特點(diǎn)和用戶(hù)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(xiàn)的發(fā)展應(yīng)用，電動(dòng)機(jī)保護(hù)器需要兼容多種總線(xiàn)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(xiàn)的橋梁，完成ARD3T內(nèi)部總線(xiàn)協(xié)議和PROFIBUS
總線(xiàn)協(xié)議內(nèi)容轉(zhuǎn)換。目前在開(kāi)發(fā)DP從站的常用方案有：(1)采用單片機(jī)+PROFIBUS開(kāi)發(fā)芯片;(2)直接使用帶有52內(nèi)核的PROBIBUS芯片。常用的PROFIBUS開(kāi)發(fā)芯片及廠(chǎng)家見(jiàn)表1所示，本文采用的開(kāi)發(fā)方案是：?jiǎn)纹瑱C(jī)+PROFIBUS開(kāi)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(kāi)發(fā)芯片
PROFIBUS模塊硬件框圖見(jiàn)圖1所示，圖1中ARD3T總線(xiàn)包括與PROFIBUS模塊進(jìn)行通訊的內(nèi)部總線(xiàn)和向ARD3T模塊供電的總線(xiàn)電源。PROFIBUS總線(xiàn)電源是通過(guò)DC-DC電路的方式將總線(xiàn)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(xiàn)路設(shè)計(jì)，節(jié)約開(kāi)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單元的軟件流程圖見(jiàn)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(chǎng)商生產(chǎn)的設(shè)備集成在同一總線(xiàn)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(hù)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(chǎng)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)來(lái)進(jìn)行集成。
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(zhuān)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(hù)開(kāi)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)集成的時(shí)間，大大提高了集成效率。
3.2 PROFIBUS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(hù)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(chē)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(xiě)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(hù)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(kāi)，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)束語(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(chǎng)、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(xiàn)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(xiàn)。
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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文章來(lái)源于：《自動(dòng)化博覽》2011年第10期。
作者簡(jiǎn)介：
趙 波(1982-)，男，黑龍江省，本科，工程師,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; Email:423647716@qq.com 手機(jī)：15827180236 QQ:423647716
