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1  引言
現(xiàn)場總線技術(shù)是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場級設(shè)備數(shù)字化通信的一種工業(yè)現(xiàn)場層網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，可用一條電纜將現(xiàn)場設(shè)備連接，完成現(xiàn)場設(shè)備控制、監(jiān)測、遠(yuǎn)程參數(shù)化等功能。考慮到功能及行業(yè)的關(guān)系，在煙草行業(yè)設(shè)備自動化監(jiān)控系統(tǒng)中，我們選擇了PROFIBUS。
2  簡介PROFIBUS-DP
PROFIBUS是歐洲首屈一指的開放式現(xiàn)場總線系統(tǒng)，它的應(yīng)用領(lǐng)域包括加工制造自動化，過程自動化和樓宇自動化。它是一種國際化的開放式現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)，由三部分組成：PROFIBUS-FMS、PROFIBUS-PA、PROFIBUS-DP。FMS(Fieldbus Message Specification)用于解決車間級通用性通信任務(wù)；PA(Process Automation)是專為過程自動化而設(shè)計(jì)的；而DP(Decentralized Periphery)則是一種經(jīng)過優(yōu)化的高速廉價(jià)的通訊連接。
PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線有以下特性：
●  符合歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN50170，卷2；
●  品種齊全的現(xiàn)場總線部件；
●  經(jīng)過雙絞線或光纜的數(shù)據(jù)傳輸；
●  能進(jìn)行自動化系統(tǒng)的柔性和模塊化設(shè)計(jì)；
●  能與執(zhí)行器、傳感器接口相連接；

●  最多可連接125個節(jié)點(diǎn)，每個總線段最多32個節(jié)點(diǎn)；
●  傳輸速率為12Mbps，響應(yīng)時(shí)間短；
●  節(jié)省接線費(fèi)用，傳輸距離可達(dá)23.8km；
●  通過各種專用集成電路（ASIC）和接口模塊簡化設(shè)備的連接；
●  PROFIBUS-DP是“全集成自動化”的系統(tǒng)總線。
根據(jù)傳輸數(shù)據(jù)量的大小和智能化的程度，SIEMENS公司提供SPC2、SPC3、LSPM2等不同種類的芯片來連接PROFIBUS-DP的主站與從站。
3  智能芯片SPC3
SPC3（SIEMENS PROFIBUS CONTROLER）集成了完整的DP協(xié)議，包含方式寄存器、狀態(tài)寄存器、中斷寄存器、各種緩沖器指針和緩沖區(qū)等。它有8根數(shù)據(jù)線與11根地址線，其中低8位地址線與數(shù)據(jù)線復(fù)用，可外接80C32、80C116、80C165、HC11、HC16、HC196單片機(jī)。外接單片機(jī)的不同會使SPC3的一些管腳所接電平不同，相應(yīng)意義也不同。這一點(diǎn)和別的接口片子有很大區(qū)別，外接80C32的連線見圖1。

圖1

SPC3含有1.5K的RAM，即000H~5FFH，可由外接單片機(jī)決定RAM的確切地址。一個保護(hù)監(jiān)視定時(shí)器（WATCHDOG）被集成在SPC3中，如果應(yīng)用處理器有故障則禁止PROFIBUS-DP通信，因而不致于危及外圍設(shè)備。SPC3有一個公共的中斷輸出，可以通過讀取中斷寄存器來判斷中斷源的性質(zhì)，共有11個中斷源可向單片機(jī)請求中斷。作為SPC3的心臟，微順序控制器（MICRO SEQUENCER）控制整個過程。在UART中，并行數(shù)據(jù)流和串行數(shù)據(jù)流完成互換。SPC3在第一個字符發(fā)送前會生成RTS（REQUEST-TO-SEND）信號。另外，SPC3還具有自動辨識波特率的功能。
由于SPC3集成了完整的PROFIBUS-DP協(xié)議，外接單片機(jī)的主要任務(wù)是對SPC3按要求初始化；根據(jù)SPC3產(chǎn)生的中斷，對SPC3接收到的主站發(fā)出的輸出數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存，以便從站讀取；組織從站送上來需通過SPC3發(fā)給主站的數(shù)據(jù)等等。SPC3實(shí)質(zhì)上是處于主站與從站間的“通訊站”――主站發(fā)來的數(shù)據(jù)包解開送給從站；從站送來的數(shù)據(jù)打包發(fā)給主站。詳見程序框圖2（其中“輸入、輸出”是相對主站來講的）。

圖2  程序流程圖

SPC3的初始化包含設(shè)置SPC3允許的中斷、寫入從站號碼和地址、設(shè)置SPC3中的各種寄存器和緩沖區(qū)等等；而中斷程序主要處理PRM報(bào)文、CFG報(bào)文、SSA報(bào)文。這些報(bào)文來自主站，所以SPC3的初始化需要主站的支持才能進(jìn)行。不同的主站有不同的數(shù)據(jù)存取空間，因而分到每個從站的數(shù)據(jù)量也不同。這樣在初始化SPC3時(shí)，配置的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)也相應(yīng)改變。每個從站地址在同一個系統(tǒng)中是唯一值。這樣，主站與每一個從站才能通訊無誤。
4  GSD文件
此外，每個PROFIBUS-DP主站、從站可能是不同廠商的產(chǎn)品，在組建系統(tǒng)時(shí)需要有設(shè)備描述文件，這就是GSD文件。GSD文件是用特定格式描述現(xiàn)場設(shè)備技術(shù)參數(shù)的ASCⅡ文件，它是在專門軟件環(huán)境下編輯生成的。詳情可參見參考文獻(xiàn)2。使用根據(jù)GSD文件所做的組態(tài)工具可以將不同廠商的設(shè)備集成在同一總線系統(tǒng)中。這些是智能型芯片正常工作的“環(huán)境”。一旦對含有SPC3的DP從站生成GSD文件后，相當(dāng)于該從站持有一個通用“身份證”，則這個從站可以在任一DP主站下組建總線系統(tǒng)。
5  煙機(jī)系統(tǒng)簡介
這里，煙機(jī)電控系統(tǒng)指的是對生產(chǎn)速度在每分鐘7000支或更多的卷接機(jī)組的控制系統(tǒng)。生產(chǎn)原料是煙絲、濾棒、盤紙、水松紙、膠等，產(chǎn)品是卷制好的一支支香煙。在高速運(yùn)行的過程中，煙絲與濾棒的進(jìn)料、盤紙與水松紙的拼接等等一系列動作都影響著煙支的質(zhì)量。具體參數(shù)調(diào)節(jié)主要靠機(jī)械和電氣的各種開關(guān)、手柄、按鈕、繼電器等來控制，繁瑣而不精確。當(dāng)用PROFIBUS來組建控制系統(tǒng)時(shí)，情況就不一樣了：操作工根據(jù)機(jī)器狀態(tài)在觸摸屏上很容易地精確設(shè)置、調(diào)節(jié)生產(chǎn)過程中的各項(xiàng)參數(shù)。
煙機(jī)電控系統(tǒng)原理框圖見圖3。在每一個DP從站中都帶有SPC3芯片及其相關(guān)的硬件電路。主站上可以設(shè)置各種參數(shù)，如：機(jī)器運(yùn)行速度、進(jìn)料情況、煙支數(shù)量、煙支稀釋度上下限、煙支重量上下限等等。從站參照這些設(shè)定值控制機(jī)器正常運(yùn)轉(zhuǎn)；而機(jī)器動態(tài)、靜態(tài)的各種參數(shù)由每個從站搜集整理并在主站上可一覽無余。中間的數(shù)據(jù)傳輸就是PROFIBUS的功勞了。每個模塊（主、從站）的功能實(shí)施靠軟件設(shè)計(jì)人員來完成。

 
圖3  煙機(jī)電控系統(tǒng)原理圖

6  結(jié)語
參照以上知識和體會心得，我們組建了煙機(jī)電控PROFIBUS總線系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)表明，SPC3的初始化是一個非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，也是一個難點(diǎn)。在正確使用SPC3后，整個系統(tǒng)能達(dá)到預(yù)計(jì)的結(jié)果。

參考文獻(xiàn)：
[1]  SPC3 User Description SIEMENS 1996.
[2]  Device Description Data Files GSD SIEMENS 1999.