港口电气设备FCS中Profibus总线接入设备网关接口设计

2014-04-13李胜永张智华季本山张江南

江苏工程职业技术学院学报 2014年2期

李胜永，张智华，季本山，张江南

（1.南通航运职业技术学院，南通 226010；2.南通港口集团有限公司，江苏南通 226006）

现场总线技术FCS[1]（Fieldbus Control System）在港口电气设备中大规模使用，目前已逐步取代DCS控制系统，成为当前控制系统的主流。FCS是一种全数字化、双向、多站的通信系统，以数字信号取代模拟信号，采用3C（Computer、Control、Communication）技术，使得大量的现场检测与控制信息能就地采集、就地处理、就地使用，许多控制功能也从控制室转移至现场，沟通了港口生产过程领域的现场级设备与更高层次自动控制领域的自动化控制设备之间的联系。港口电气设备FCS主要包括一些实际应用设备，如PLC、变频器、上位机界面、智能仪表和远程从站等。现场总线技术领域至今仍未形成一个统一的国际标准，一般都遵守OSI参考模型。目前港口电气设备控制系统领域内，Profibus现场总线技术[1]最为通用，Profibus含Profibus-DP、Profibus-PA以及Profibus-FMS 3个兼容部分，其中Profibus-DP为分布式外围设备，因此国内众多厂商均在开发自己的FCS系列产品，为能够快速接入现场Profibus现场总线，采用的方案是Profibus-DP/Modbus网关和Profibus-DP/RS 485网关。而作为港口电气设备的长期使用者港务公司来说，面对港口电气设备的FCS系统只能选择具有Profibus网关接口的设备进行控制系统组建，以往众多DCS控制系统中的设备均遭遗弃，同时限制了Profibus现场总线技术的应用范围和控制系统组建的灵活度。因此，设计开发一套具有灵活嵌入特点的Profibus网关接口设备可以拓展Profibus现场总线控制系统的设备接入范围，降低接入技术的门槛。

1 器件分析与硬件电路设计

1.1 器件分析

网关接口方案选择Profibus-DP/Modbus网关，接入设备以Profibus总线DP从站方式接入。Profibus协议端采用VPC 3+C，它是Profichip生产的一款用于Profibus-DP智能从站的芯片，它遵循Profibus标准协议[2]。RS 485总线端采用带隔离的增强型RS 485收发器——ADM 2483，其1/8单位负载的接收器输入阻抗可允许多达256个收发器接入总线，最高传输速率可达500 kbps[3]，逻辑端兼容3V/5V工作电源，总线端5V供电，适合众多RS 485设备通信条件。控制器选择C8051F020器件，因其为完全集成的混合信号系统级MCU芯片，8051兼容的CIP-51内核（可达25 MIPS），可以降低设备维修难度和接入门槛。硬件连接关系如图1所示。单片机控制VPC3+C通讯芯片，遵循Profibus协议完全由Profibus通信ASIC来实现，这要求硬件完全可靠，因此通信采用光电隔离的RS-485来进行。DP智能从站采用单片机C8051F020控制通信芯片VPC3+C，通过RS-485与控制设备进行通信。单片机和VPC3+C都采用3.3 V供电电压。单片机外围有地址拨码、通信选择、数码显示等接口，主要是为了设置从站地址、与控制设备进行通信及上位机发送命令显示。单片机采用外部22.118 4 MHz晶振，VPC3+C时钟源为48 MHz。数码管主要显示PC机发送的数据，用以观测协议芯片的工作情况。双串口与控制设备通信，可以拨码进行选择。根据Profibus-DP协议，VPC3+C内部集成的状态机[4]描述DP从站在每种情况下的行为。主从站通信的过程中，从站一般都是被动地等待主站的请求，接到请求之后才能执行数据交换，而在进入数据交换之前，主站必须先后对从站进行赋参数、初始化配置和诊断。如图2所示，Profibus-DP从站在上电或复位后，就进入Wait_Prm等待初始化参数状态，即等待主站发来的Set_Slave_Add指令，以改变本身的默认地址。在本次设计中，从站地址储存在CPU中，设置从站地址不可改变，从站将直接接受Prm_Telegram参数赋值指令。在此过程中，CPU除判断携带的Profibus标准规定的参数和由用户应用程序特别指定的从站参数外，其他任何指令都将导致系统复位。初始化参数配置完成之后，从站就进入Wait_Cfg等待组态初始化，即从站要执行主站命令能够识别的数据情况。当从站接受的参数赋值及初始化过程完成之后，从站就转入Data_Exch状态，进行与主站的周期性数据交换。

1.2 硬件电路设计

图3所示为C8051F020与VPC 3+C的电路连接示意图[2]。VPC3+C内部参数锁存器[5]位于地址单元00H至15H之间，在Intel方式下只可读或只可写。地址相同的参数锁存器在只可读和只可写的情况下功能是不相同的。组织参数位于地址段16H至3DH中，用户在特定的地址下将组织参数存入RAM中，这些参数可读可写。另外，本设计中在VPC 3+C中还设定了看门狗定时器，当监视时间溢出时，VPC 3+C回到Baud_Control状态，即产生中断，执行wd_dp_mode_timeout_function函数，DP状态机复位。用户看门狗计数器采用一个16位的内部存储器单元，初始值由“R_User_WD_Value”单元给定。每接收到一个数据报文，计数器就减1。当减到0000H时，VPC 3+C就进入“等待参数化”状态，DP状态机执行“离开主站”命令。对从站抗干扰的设计重点放在对电源的保护上，因为电路板稳定运行的核心在于电源。本设计选用开关电源模块，同时供单片机、VPC 3+C等元器件使用，原理如图4所示，采用外部5V供电，通过AMS1117-3.3电源转换芯片将5V电压转换为3.3V。主芯片采用3.3 V供电，较5 V供电更具抗干扰性，并且在电压两端并联电容及稳压二极管UF 4007。一般设计电路较常用1N 4007稳压二极管，但是UF 4007比1N 4007容量更大，速度更快，吸收浪涌能力更强，电容更能有效滤波。VPC 3+C采用光电隔离的RS 485芯片ADM 2486发送和接收数据。ADM 2486内部有逻辑块和总线块，其供电电源分别是3V和5V，能有效地减少从站所受的外部干扰，且通信速率[3]可以达到20 Mbps，完全符合设计要求。单片机串口采用带隔离的增强型RS 485收发器ADM 2483。

图1 硬件电路连接结构示意图

图2 Profibus-DP从站流程图

图3 C8051F020与VPC3+C的电路连接示意图

图4 开关电源电路连接示意图

2 软件设计

2.1 系统软件总体流程

系统软件总体流程见图5。系统主要实现VPC 3+C的初始化和启动、数据收发及处理从站诊断事务、处理用户接口数据及中断事务。上电后，系统只对单片机和VPC 3+C芯片初始化一次，数据处理和各种状态的转换循环进行，系统主要完成通信芯片的初始化、启动、发送和接收数据及诊断等。从站初始化过程中的一个主要环节是运行参数的赋值，即由主站将通信时所需的参数赋给从站，并指定从站的工作状态，同时从站也能在此过程中得知应与其通信的主站地址。

2.2 GSD文件开发

GSD文件开发如下：

2.3 Modbus软件构建

设计采用RTU模式下的CRC校验。

2.4 建立OPC服务

OPC是为了连接数据源(OPC服务器)和数据的使用者(OPC应用程序)之间的软件接口标准。设计中采用基于脚本编程语言而定义的标准接口，使用Visual Basic编程语言开发OPC服务器的客户应用。

图5 系统软件总体流程图

3 测试与总结

采用SIEMENS公司S7-313C-2DP CPU作为Profibus主站，利用设计网关接口实现与具有Modbus接口的变频器通信，并控制其运行频率。设备接入测试结果截图如图6所示。利用上述硬件及软件设计方案构建的Profibus-DP/Modbus网关接口，可以完美实现Modbus产品接入Profibus现场总线实现数据交换，为港口通用电气设备接入Profibus网络提供了一种解决方案。