基于PROFIBUS-DP總線技術在電機啟動器中的應用

1 前言

現場總線技術是當今世界各國關注的熱點課題，以現場總線為基礎的全數字控制系統是 21 世紀自動化控制系統的主流。PROFIBUS-DP是一種經過優化的高速、廉價的通信連接，專為自動控制系統和設備級分散I/O之間通信設計，使用PROFIBUS-DP模塊可取代價格昂貴的24V或 0～20mA并行信號線，用于分布式控制系統的高速數據傳輸。PROFIBUS-DP主要應用于現場設備級，它的響應時間從幾百 到幾百ms，數據傳輸速率為9.6kbit/s～12Mbit/s，傳輸的數據容量為每個報文多達244個字節，傳輸介質為屏蔽雙絞線或光纜，被廣泛應用于樓宇自動化、水電廠管理和工業過程自動化控制系統中。

2 軟起動控制器中PROFIBUS-DP通訊接口的硬件設計

在軟起動控制器的PROFIBUS-DP硬件接口電路設計方案上，采用單片機 + 專用集成芯片SPC3 + RS485驅動的方案。

2.1 SPC3簡述

SPC3(SIEMENS PROFIBUS CONTROLLER)為優化的智能PROFIBUS-DP從站，集成有PROFIBUS-DP物理層的數據收發功能，可獨立處理PROFIBUS-DP 協議。SPC3的內部有RAM、方式寄存器、狀態寄存器、中斷寄存器以及各種緩沖器指針和緩沖區等。SPC3有8根數據線和11根地址線，其中8根數據線與地址線復用，可以接80C32、80C166、80C196、HC196等單片機。SPC3內部集成了1.5KB的雙口RAM作為SPC3與軟件/程序的接口，能自動調整9.6K到12M波特率。

2.2 PROFIBUS-DP通信接口硬件設計

PIC16F877與PROFIBUS-DP網絡的連接通過一個PROFIBUS-DP網絡的協議芯片SPC3和RS-485驅動電路組成。PROFIBUS-DP接口主要由處理器接口和串行總線接口組成。

處理器接口電路如圖1示：80C32通過P0口和P2口擴展外部存儲器，將SPC3內部的雙口RAM作為自己的外部RAM，通過對雙口RAM的讀寫來完成對SPC3的初始化和有關數據的交換。圖中P1是指用雙PIC16F877設計的軟起動控制器，作為通訊的從站，PIC16F877集成了SPI接口，可以和協議芯片SPC3結合，以及MAX485ESA完成到PROFIBUS-DP總線網絡上的連接。

圖1 處理器接口電路

圖2串行總線接口電路

SPC3芯片通過請求發送信號(RTS)，發送數據信號(TXD)，接收數據信號(RXD),通過高速光耦HCPL7720 和總線收發器ADM1485相連，構成串行總線接口。如圖2所示，盡管SPC3已經集成了物理層的數據傳輸功能，但它不具備RS-485的驅動接口，因此添置了RS-485的驅動電路。目前能滿足12M波特率的驅動器芯片為數不多，有SN65ALS176，SN75ALS176，ADM1485等，本系統中選用的是ADM1485。另外為了避免總線上的信號對電路的影響，在SPC3與RS-485總線驅動電路之間采用光電隔離。TXD、RXD信號的隔離器件選用Hewlett Packar公司的12M高速光耦HCPL7720，RTS的信號隔離器件選用HCPL0601。

3 通訊接口的軟件設計

PROFIBUS-DP的ASIC芯片SPC3集成了PROFIBUS-DP協議，能夠處理PROFIBUS-DP狀態機構，因此80C32不用參與處理PROFIBUS-DP狀態機。80C32的主要任務是對SPC3進行合理的配置、初始化及對各種報文的處理。

對SPC3的軟件操作主要包括兩個部分：SPC3的初始化和SPC3的中斷處理。主程序和中斷程序流程圖分別如圖3和圖4所示。

圖 3 主程序流程圖 圖4中斷程序流程圖

SPC3的初始化程序應放在主程序的前面，而中斷處理程序完成CPU對SPC3中斷輸出的響應。 SPC3上電復位之后.在正常工作之前必須進行初始化，以配置各個寄存器。中斷處理程序用于處理SPC3發生的各種事件，這些事件包括新的參數報文事件：全局控制命令報文事件，進入或退出數據交換狀態事件，新的配置報文事件，新的地址設置報文事件，監測到波特率事件和看門狗溢出事件。SPC3在接收到由 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進行接收主站數據。對于特定應用的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存在一當有空閑BUF時應用程序輸入診斷信息，并請求更新。對于實時性要求嚴格的系統，應采用中斷方式進行輸出數據和診斷數據處理。

由于用于現場的設備要特別考慮抗干擾能力，因此在設備硬件抗干擾技術的基礎上，軟件方面采用指令冗余，設置軟件陷阱，系統的自檢及軟硬件相結合的看門狗技術，保證軟件出軌的自動恢復，從而進一步提高系統的抗干擾能力。

4 結論

軟起動器有很多優點，然而，目前國內生產的異步電機的軟起動器大多都不帶通信接口，有一些帶通信接口的，也多為 RS232 或 RS485 串行總線，這些串行總線,由于自身的特點,不適合工業現場控制,有礙于電動機機群的進一步網絡化發展和企業管控一體化及綜合自動化的實現。本文介紹的帶 PROFIBUS-DP總線接口的軟起動控制器，可以解決傳統軟起動器現場通信的不足，實現電動機的群控，促進企業綜合自動化的底層網絡建設，并能帶來顯著經濟效益。