具有现场总线功能是智能型阀门电动执行机构最重要的环节之一,当前在工业现场有应用的现场总线主要有Modbus.、HART、PROFIBUS、CANBUS.等。由于PR0FIBUS具有安装简单,拓扑结构多样,具备冗余机制,通讯可靠,功能完碧优点,在包括执行机构行业在内的各种工业自动化领域得到广泛使用,是全球应用最广泛的总线系统。
PROF旧US-DP分为VO、V1、V2三种版本,电动执行机构目前只使用到VQ和V1pPROFIBUS-DP/V0可实现周期数据翅。其中包括:执行机构的开度百分比,工作状态和开关运行操作,以及站诊断、模块诊断和特定通道的珍断等,可以通过GSD文件来组态配置。DP/V1除了包含V0的数据外,还有过程自动化管理的相关内容,增加了非周期数据(非循环翻居)的通信,用于信息查询和分配操作设备的基本信息等。如一些不需要经常访问的参数:制造商信息、设备名称、设备麵、订货号、软硬件版本、行程设定值、力矩标定值等,可以通过EDD和DTM文件来组态配置。
为了满足用户的要求,本文提出的SND系列电动执行机构还增加了总线的冗余功能,具有双端口,有DB9和接线端子两种接线方式,增加了总线系统的可_性。该总线系统已经通过中国国电集团、ABB、艾默生和西安热工院实验室的测试认证,并且已经在国际现场总线协会注册,ID号为0ECF,同时通过了ITE啲测试,获得了国际PI的认证证书4本文从研发、测试和现场应用三方面对其进行具体介绍。
总线控制系统软硬件设计
硬件设计
阀门电动执行机构又称为电动装置、电动头,由机械传动、电气控制和电动机三部分组成’它一般和各种工业阀门、调风门等配套使用,其工作原理是通过接收控制系统(如DCS、FCS)给出的控制信号(开关信号,模拟信号或总线信号),来驱动阀门和风门的开关运行,同时将执行机构的状态信号反馈给控制系统。
PROFBUS的通信协议比较复杂。从理论上说,开发人员只要通过MCU的一个异步串行收发器(UART ),通过软件编程就可以实现总线功能,但是由于通讯协议过于复杂,这种方法很少被采用。一般来说,研发人员都会采用MCU+协议芯片的方法,绕开复杂的协议,直接实现总线功能。协议芯片主要有,SIEMENS公司的SPC4, SPC3, VIPA公司的VPC3+, VPM2L等,都能用于智能从站,其中SPC3更具代表性 。本文通过在原有智能电动执行机构控制系统的基础上,增加带有MCU+协议芯片的DP通讯卡来实现ROFOUS-DP总线功能。
图1为DP通讯卡硬件原理图,由图可见,DP通讯卡的核心部分是由AVR单片机ATmega64A、协议芯片SPC3LV、ADM2486和SN75ALS17.6接口芯片组成SPC3LV是PROFIBUS_DP低功耗版本的专用协议芯片,负责从主站发送的数据解包,发送给ATm=ega64A,同时由微控制器发送的数据按照DP总线规范打包,发送给主站;主板和SPC3LV之间的桥梁是ATmega64A,其主要工作是负责初始化和数据交换;ADM2486是半双工带隔离DC的485芯片,起信号隔离和给后级电路提供电源的作用; SN75ALS176是RS485芯片,采用了两级设计,将差分信号转换为电平信号,再把电平信号转换为差分信号,以消除执行机构内部接线形成的公共线对差分信号传输产生的影响。在本平台中,冗余设计是采用单MCU+双协议芯片+双485驱动电路的方案,其硬件冗余部分为协议芯片和485驱动电路%执行机构的总线卡和控制系统是模块化结构,执行机构只要在原来控制系统的基础上安装DP总线卡就可以连上PROFIBUS.网络。
图1 DP通讯卡硬件原理框图
图2 SPC3内部结构示意图
SPC3的内部结构示意,如图2所示。SPC3其内部具有看门狗定时器,可以在三种不同的状态下监控协议芯片运行状态DP协议集成在FDL层,由微型定序器控制工作过程芯片内部集成1.5K的双口 RAM,SPC3只使用64字节,其他RAM由ATmega64A设置,开发人员将过程参数输入到特定寄存器单元后,SPC3开始工作,自动建立DP服务存取点,SPC3相当于由单片机ATmega64A扩展的外扩RAM, ATmega64A通过控制总线接口单元访问SPC3.内部RAM,实现总线数据交换。
SPC3能够自动识别总线波特率,因此执行机构的DP总线具有波特率自适应功能。另外,硬件设计上采用隔离来提升系统的抗干扰性能。在输入输出通道上,采用了ADM2486半双工有隔离电源的RS485芯片;在电源上,采用了IB2405LD-W75宽电压输入隔离转换电源,将24V电源转换为5V,即翻了隔离作用,又防止了电源电压的波动。
软件段计
(a)常规设计
软件设计主要是ATmega64A和SPC3LV的初始化和总线传输数据的接收和发送。数据传输分为两部分,一部分是ATmega64A和执行机构原控制豪统之间的数据传输,第二部分是ATmega64A和SPC3LV之间的数据传输。
ATmega64A从控制襄统读取执行机构状态数据后,传递给SPC3LV进行数据处理,最后再发送给总线上的DP主站;SPC3LV接收到DP主站的謝居后,通过ATmega64A传送给执行机构原控制系统,进行数据处理后,执行相应的操作。
在一个程序循环中,当SPC3接收到DP主站发送的不同输出数据时,会产生输出标志,ATmega64A通过查淘标志来确保执行机构接收到的数据是最新的。诊断信息也在程序循环中实时更新,传送给主站。常规设计程序框图,如图3所示。
(b)冗余设计
目前国内市场上的两个冗余系统的冗余情况如下所述。
按总线数目划分:
—单线冗余::单总线,设备/设备通信接口冗余;
—双线冗余:双总线,设备/设备通信接口冗余。
图3 常规设计程序框图
按主控制切换方式划分:
—切换式冗余:系统主控制器根据其判错依据,自行切换活动通信接口/活动总线;
—并通式冗余、:系统主控制器同时向两条总线发送消息,或者系统主控主/备通信接口分别向两条总线发送数据包。
若想接入以上冗余系统,需要从站设备支持的冗余功能如下:
—从站设备有两个独立的通信接口,每个接口都支持DPVQ/X/1 通信;
—当一个通讯接口出现故障时,不会影响另一个接口的通讯能力。备用通信接口保持正常DP通信不断开/能迅速切换到DP通信数据交换状态;
—允许两个通信接口同时进行DPV0+V1通信;
—只有当前活动通信接口获得的DP输出数据被下发到执行机构;
—两个通信接口可以同时上传DP输入数据,保证上传的输入数据来自同一时刻;
—从站有识别哪个接口通信故障的能力;
—故障通信接口重回总线时,不干扰当前活动通信接口的DP通信。
综上所述,为实现从站设备冗余,基于单MCU双协议芯片的软件平台内部程序如下:
—内含两套完整的协议芯片SPC3数据结构,具有不同的首地址(地址见实际硬件地址接线);
—内含两套完整的并行的DPV0/V1状态机制;
—MCU周期性扫描协议芯片当前通信状态,以确定此通信接口是否处于正常工作状态;
—将最先进入数据交换状态的协议芯片所在的通信接口置为当前活动接口;
—两个通信接口的上行数据(DP输入数据)来源于同一个数据缓冲区;
—两个通信接口的下行数据(DP输出数据)被放入两个互不繫响的数据缓冲区。
数据传输内容
执行器与主机择制系统之间有四种主要的数据传输类型。
(1)周期输入数据,主要包括:通讯状态字,执行器状态字,遥控状态字,当前阀位反馈字和当前转矩百分比字等;
(2)周期输出数据,主要包括:写执行机构命令使能字、设置目标阀位命令字和开关停运行控制字等;
(3)非周期输入数据(上行),主要包括:设备地址、执行机构开阀方向、行程或力矩关断选择、死区、力矩标定值、行程限位值和执行机构机械类型等;
(4 )非周期输出数据(下行),主要包括:开关向力矩百分比设置等
关于设备描述文件EDD和DTM
PRORBUS-DP V0和¥1的区别主要体现在非周期数据上,而非周期数据的使用主要是通过EDD和DTM来实现的.》—般来说V0只有GSD文件,而V1可以通过EDD和DTM来管理非周期数据。
设备描述文件简介
目前工业通信技术现状为各种现场总线标准并存，同一生产现场存在各种异构网络互连的现状。随着工业现场的智能仪表和设备越来越多，现场总线标准也越来越复杂，此外，厂商和设备种类的不同，其组态也有很大不同。
因此，逐步形成了可用于统一平台的设备描述技术，主要有以下两种:
·基于DDL的设备描述:EOOL
·基于XML的设备描述:FDTJDTM
EDDL是电子设备描述语言的交互式制造商，其创建电子设备描述EDD文件来解释用户界面和设备参数，但不是设备驱动程序软件。EDDL的目标是使设备开发人员不再被困在配置工具中，E 00文件封装了设备参数的定义和操作，在上位软件中向用户提供此设备的详细信息。EDD文件对设备的描述基于关键字，包括数据类型，数据名称，多语言帮助文档，数据分类，单位声明，上下限范围等各种内容。
(来源：中国泵阀第一网)
