今日頭條
官方微信
官方抖音
案例頻道 摘 要： 本文介紹ARD3T智能電動機保護器的PROFIBUS-DP通訊設計原理，文中介紹了常用PROFIBUS芯片，本設計所選芯片的類型，PROFIBUS模塊的硬件原理框圖、電源電路、軟件流程圖、GSD文件等相關設計原理，本文通過力控組態軟件與ARD3T進行PROFIBUS連接完成數據讀寫，通訊成功說明設計的可行性。
關鍵詞：ARD3T；電動機保護器；PROFIBUS；VPC3
PROFIBUS是一種國際化、開放性的現場總線標準，它是國際標準IEC61158現場總線之一。PROFIBUS可以將從低級（傳感器/執行器）到中間級執行級（單元級）的自動化設備分散開來，根據應用特點和用戶不同的需要， PROFIBUS提供了3種兼容版本通信協議：FMS 、PA和DP 。在實際應用中，PROFIBUS-DP占到PROFIBUS用量的90%。
為適應現場總線的發展應用，電動機保護器需要兼容多種總線協議，在各種系統中正常使用。ARD3T智能電動機保護器可以帶有MODUBS、PROFIBUS-DP通訊協議，主體模塊帶有MODBUS協議，通過PROFIBUS通訊模塊實現PROFIBUS DP通訊，在PROFIBUS通訊中ARD3T作為從站使用。
1 ARD3T PROFIBUS通訊模塊設計原理
PROFIBUS通訊模塊作為ARD3T接入PROFIBUS總線的橋梁，完成ARD3T內部總線協議和PROFIBUS
總線協議內容轉換。目前在開發DP從站的常用方案有：（1）采用單片機+PROFIBUS開發芯片；（2）直接使用帶有52內核的PROBIBUS芯片。常用的PROFIBUS開發芯片及廠家如表1所示。本文采用的開發方案是：單片機+PROFIBUS開發芯片，協議芯片負責完成數據的轉換和收發功能，單片機負責和ARD3T主體通訊，控制VPC3等。選用的協議芯片為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大等優點，與SPC3相比較更適合本方案使用。
表1 常用PROFIBUS開發芯片
PROFIBUS模塊硬件框圖如圖1所示，圖1中ARD3T總線包括與PROFIBUS模塊進行通訊的內部總線和向ARD3T模塊供電的總線電源。PROFIBUS總線電源是通過DC-DC電路的方式將總線電源變為模塊所需的工作源，DC-DC芯片使用MC34063，供電電路設計見圖2所示。CPU單元負責和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，本設計中通過IL3685芯片實現RS485信號轉換。IL3685是單芯片的PROFIBUS隔離收發器，本身帶有隔離和RS485收發的功能，隔離電壓可達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。由此可見使用一顆IL3685就可以直接替代原采用光耦+RS485通訊芯片的設計方法，可以簡化線路設計，節約開發成本。IL3685可同時支持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的芯片價格遠高于5V芯片，IL3685通用性更強，可以簡化電路電源部分的設計，在CPU為3.3V供電時更符合設計需求。
圖2 DC-DC供電電路
CPU單元對負責協調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文件說明
PROFIBUS設備具有不同的性能特點，為達到PROFIBUS簡單的即插即用配置，PROFIBUS設備的特性均在電子設備數據庫文件(GSD)中具體說明。使用基于GSD的組態工具可將不同廠商生產的設備集成在同一總線系統中。GSD 文件是ASCII 文件， 可以用任何一種ASCII 編輯器編輯，如計事本、UltraEdit 等，也可使用PROFIBUS用戶組織提供的編輯程序GSDEdit。
在進行PROFIBUS主站組態時，裝載GSD文件后，GSD文件內容如圖4所示。ARD3T包含16個模塊，“2 words principal values”～“17 words principal values”表示輸入數據長度為 “2 words” ～“17 words”，組態時輸入數據長度為其中任意一組，輸出數據為默認模塊。
圖4 GSD文件
3 PROFIBUS組態實例
3.1力控組態軟件介紹
本文通過力控組態軟件實現PROFIBUS通訊，力控監控組態軟件是在自動控制系統監控層一級的軟件平臺，它能同時和國內外各種工業控制廠家的設備進行網絡通訊，它可以與高可靠的工控計算機和網絡系統結合，便可以達到集中管理和監控的目的，同時還可以方便的向控制層和管理層提供軟、硬件的全部接口，來實現與“第三方”的軟、硬件系統集成。
力控監控組態軟件是對生產數據進行采集與過程控制的專用軟件，最大的特點是能以靈活多樣的“組態方式”而不是編程方式來進行系統集成，它提供了良好的用戶開發界面和簡捷的工程實現方法，只要將其預設置的各種軟件模塊進行簡單的“組態”，便可以非常容易地實現和完成監控層的各項功能，縮短了自動化工程師的系統集成時間，大大提高了集成效率。
3.2PROFIBUS組態過程
本文使用CP5512作為主站，通過STEP7進行組態設置。組態前對ARD3T進行PROFIBUS從站設置，將從站地址設置為19（本文測試時從站地址為19），PROFIBUS模塊的波特率為自適應，波特率范圍“9.6 kbit/s～12000 kbit/s”，所以在從站設置時不必對波特率進行設置。PROFIBUS模塊上電后,若要對從站地址進行更改，需要對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規約）。
設置好ARD3T后，通過STEP7軟件進入圖4所示的界面，選擇“17 words principal values”作為輸入數據，輸入數據用戶參數如圖5所示。
進入力控軟件，建立PROFIBUS通訊，建立電壓、電流模擬點用于讀取ARD3T測量到的電壓、電流數據，建立模擬點用于發送起動、停止、復位、緊急停車等控制命令，在力控中創建圖6所示的窗口，并進行變量關聯，編寫動作命令并編譯，進入運行窗口運行程序，如圖6所示。
按下圖6中的起動按鈕，通過主站向ARD3T發送起動指令，ARD3T接收到主站命令后控制相應的控制繼電器動作，使電機進入運行狀態，可以看到三相電流由“0”變為“100”，表明電機主回路已接通進入運行狀態，運行指示燈亮，如圖7所示。
圖5 17words輸入數據用戶參數
圖6
圖7
在圖7中按下停止按鈕后，主站向ARD3T發送停止指令，ARD3T控制相應繼電器斷開，分斷電機主回路，電機進入停止狀態，運行指示燈滅，三相電流顯示變為0，如圖8所示。當有故障發生時，ARD3T直接分斷接觸器，使電機停止運行，主站讀取到ARD3T中存儲的故障信息，故障指示燈亮，運行燈滅，如圖9所示。
圖8
圖9
4 結語
相對于MODBUS 通訊而言，PRFOBUS 通訊存在著諸多優點，比如高通信速率（最高可達12Mbit/s）、實時性、可靠性、易擴展、易維護性等，很多工廠、企業現存的生產控制自動化網絡大都采用現場總線控制系統，PROFIBUS 網絡是其中應用最多的一種現場總線。
本文首先介紹了ARD3T智能電動機保護器PROFIBUS通訊模塊的設計原理，給出常用輸入、輸出數據格式，并對GSD文件進行說明，通過使用CP5512板卡和力控軟件做為主站進行PROFIBUS通訊測試，結果表明ARD3T可以很好的實現PROFIBUS通訊。
參考文獻
[1] 王永華，Andy Verwer. 現場總線技術及應有教程[M]——從PROFIBUS到AS－i.北京：機械工業出版社，2006.
[2] 吳先倫，曹雪華.PROFIBUS-DP的電能管理及電力檢修系統[J].低壓電器，2009，14.
[3] 張勇，李志剛，劉子婿，李玲玲.基于Profibus-Dp總線電動機保護器的開發[J].河北工業大學學報，2005（10），3-26.
作者簡介：
趙 波（1982-），男，黑龍江人，本科，工程師,現就職于上海安科瑞電氣股份有限公司，主要從事電動機控制器的設計與應用。
摘自《自動化博覽》2011年第十期
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號