安科瑞 邱紅
江蘇安科瑞電器制造有限公司 江蘇江陰 214405
趙波1，胡景泰2，李海全3，周佳3
(1.上海安科瑞電氣股份有限公司，上海 嘉定，201801;2. 上海電器科學(xué)研究所(集團(tuán))有限公司，上海 ，200063;3.江蘇安科瑞電器制造有限公司，江蘇 江陰 214405)
摘 要： 本文介紹ARD3T智能電動機保護(hù)器的PROFIBUS-DP通訊設(shè)計原理，文中介紹了常用PROFIBUS芯片，本設(shè)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(guān)設(shè)計原理，本文通過力控組態(tài)軟件與ARD3T進(jìn)行PROFIBUS連接完成數(shù)據(jù)讀寫，通訊成功說明設(shè)計的可行性。
關(guān)鍵詞：ARD3T 電動機保護(hù)器 PROFIBUS VPC3
ARD3T intelligent motor protection PROFIBUS-DP communication module design principles
ZHAO Bo1，HU Jing-tai2，LI Hai-quan3，ZHOU Jia3
(1.Shanghai Acrel Co.,Ltd, Shanghai Jiading 201801,China; 2.Shanghai Electrical Apparatus Research Institute(Group) Co.,Ltd, Shanghai 200063,China;3. Jiangsu Acrel Co.,Ltd, Jiangyin 214405,China)
Abstract: This article describes the ARD3T intelligent motor protector of PROFIBUS-DP communication design principles, the paper describes the common PROFIBUS chip, the chip selected of this design, PROFIBUS module block diagram of the hardware, power supply circuits, software, flow charts, GSD files and other related design principles , this control by force of PROFIBUS configuration software to connect with ARD3T complete data reading and writing, communication success shows the feasibility of the design.
Key words: ARD3T Motor Protector PROFIBUS VPC3
中圖分類號： 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： 文章編號：
0 引言
PROFIBUS是一種化的、開放的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)，它是標(biāo)準(zhǔn)IEC61158現(xiàn)場總線之一。PROFIBUS可以將從低級(傳感器/執(zhí)行器)到中間級執(zhí)行級(單元級)的自動化設(shè)備分散開來，根據(jù)應(yīng)用特點和用戶不同的需要， PROFIBUS提供了3種兼容版本通信協(xié)議：FMS 、PA和DP 。在實際應(yīng)用中，PROFIBUS-DP占到PROFIBUS用量的90%。
為適應(yīng)現(xiàn)場總線的發(fā)展應(yīng)用，電動機保護(hù)器需要兼容多種總線協(xié)議，在各種系統(tǒng)中正常使用。ARD3T智能電動機保護(hù)器可以帶有MODUBS、PROFIBUS-DP通訊協(xié)議，主體模塊帶有MODBUS協(xié)議，通過PROFIBUS通訊模塊實現(xiàn)PROFIBUS DP通訊，在PROFIBUS通訊中ARD3T作為從站使用。
1 ARD3T PROFIBUS通訊模塊設(shè)計原理
PROFIBUS通訊模塊作為ARD3T接入PROFIBUS總線的橋梁，完成ARD3T內(nèi)部總線協(xié)議和PROFIBUS
總線協(xié)議內(nèi)容轉(zhuǎn)換。目前在開發(fā)DP從站的常用方案有：(1)采用單片機+PROFIBUS開發(fā)芯片;(2)直接使用帶有52內(nèi)核的PROBIBUS芯片。常用的PROFIBUS開發(fā)芯片及廠家見表1所示，本文采用的開發(fā)方案是：單片機+PROFIBUS開發(fā)芯片，協(xié)議芯片負(fù)責(zé)完成數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換和收發(fā)功能，單片機負(fù)責(zé)和ARD3T主體通訊，控制VPC3等。選用的協(xié)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(yōu)點，與SPC3相比較更適合本方案使用。
表1 常用PROFIBUS開發(fā)芯片
PROFIBUS模塊硬件框圖見圖1所示，圖1中ARD3T總線包括與PROFIBUS模塊進(jìn)行通訊的內(nèi)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?yōu)槟K所需的工作源，DC-DC芯片使用MC34063，供電電路設(shè)計見圖2所示。CPU單元負(fù)責(zé)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(shè)計中通過IL3685芯片實現(xiàn)RS485信號轉(zhuǎn)換。IL3685是單芯片的PROFIBUS隔離收發(fā)器，本身帶有隔離和RS485收發(fā)的功能，隔離電壓可達(dá)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(shè)計方法，可以簡化線路設(shè)計，節(jié)約開發(fā)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(yuǎn)高于5V芯片，IL3685通用性更強，可以簡化電路電源部分的設(shè)計，在CPU為3.3V供電時更符合設(shè)計需求。
圖2 DC-DC供電電路
CPU單元對負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)PROFIBUS模塊的工作，CPU單元的軟件流程圖見圖3所示。
圖3 軟件流程圖
2 ARD3T GSD文件說明
PROFIBUS設(shè)備具有不同的性能特點，為達(dá)到PROFIBUS簡單的即插即用配置，PROFIBUS設(shè)備的特性均在電子設(shè)備數(shù)據(jù)庫文件(GSD)中具體說明。使用基于GSD的組態(tài)工具可將不同廠商生產(chǎn)的設(shè)備集成在同一總線系統(tǒng)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(jìn)行PROFIBUS主站組態(tài)時，裝載GSD文件后，GSD文件內(nèi)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(shù)據(jù)長度為 “2 words” ～“17 words”，組態(tài)時輸入數(shù)據(jù)長度為其中任意一組，輸出數(shù)據(jù)為默認(rèn)模塊。
圖4 GSD文件
3 PROFIBUS組態(tài)實例
3.1 力控組態(tài)軟件介紹
本文通過力控組態(tài)軟件實現(xiàn)PROFIBUS通訊，力控監(jiān)控組態(tài)軟件是在自動控制系統(tǒng)監(jiān)控層一級的軟件平臺，它能同時和國內(nèi)外各種工業(yè)控制廠家的設(shè)備進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通訊，它可以與高可靠的工控計算機和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)合，便可以達(dá)到集中管理和監(jiān)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(xiàn)與“第三方”的軟、硬件系統(tǒng)來進(jìn)行集成。
力控監(jiān)控組態(tài)軟件是對生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與過程控制的軟件，大的特點是能以靈活多樣的“組態(tài)方式”而不是編程方式來進(jìn)行系統(tǒng)集成，它提供了良好的用戶開發(fā)界面和簡捷的工程實現(xiàn)方法，只要將其預(yù)設(shè)置的各種軟件模塊進(jìn)行簡單的“組態(tài)”，便可以非常容易地實現(xiàn)和完成監(jiān)控層的各項功能，縮短了自動化工程師的系統(tǒng)集成的時間，大大提高了集成效率。
3.2 PROFIBUS組態(tài)過程
本文使用CP5512作為主站，通過STEP7進(jìn)行組態(tài)設(shè)置。組態(tài)前對ARD3T進(jìn)行PROFIBUS從站設(shè)置，將從站地址設(shè)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(yīng)，波特率范圍“9.6 kbit/s～12000 kbit/s”，所以在從站設(shè)置時不必對波特率進(jìn)行設(shè)置。PROFIBUS模塊上電后,若要對從站地址進(jìn)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(guī)約)。
設(shè)置好ARD3T后，通過STEP7軟件進(jìn)入圖4所示的界面，選擇“17 words principal values”作為輸入數(shù)據(jù)，輸入數(shù)據(jù)用戶參數(shù)如圖5所示。
進(jìn)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(shù)據(jù)，建立模擬點用于發(fā)送起動、停止、復(fù)位、緊急停車等控制命令，在力控中創(chuàng)建圖6所示的窗口，并進(jìn)行變量關(guān)聯(lián)，編寫動作命令并編譯，進(jìn)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(fā)送起動指令，ARD3T接收到主站命令后控制相應(yīng)的控制繼電器動作，使電機進(jìn)入運行狀態(tài)，可以看到三相電流由“0”變?yōu)?ldquo;100”，表明電機主回路已接通進(jìn)入運行狀態(tài)，運行指示燈亮，如圖7所示。
圖5 17words輸入數(shù)據(jù)用戶參數(shù)
圖6
圖7
在圖7中按下停止按鈕后，主站向ARD3T發(fā)送停止指令，ARD3T控制相應(yīng)繼電器斷開，分?jǐn)嚯姍C主回路，電機進(jìn)入停止?fàn)顟B(tài)，運行指示燈滅，三相電流顯示變?yōu)?，如圖8所示。當(dāng)有故障發(fā)生時，ARD3T直接分?jǐn)嘟佑|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(jié)束語
相對于MODBUS 通訊而言，PRFOBUS 通訊存在著諸多優(yōu)點，比如高通信速率(可達(dá)12Mbit/s)、實時性、可靠性、易擴展、易維護(hù)性等，很多工廠、企業(yè)現(xiàn)存的生產(chǎn)控制自動化網(wǎng)絡(luò)大都采用現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)，PROFIBUS 網(wǎng)絡(luò)是其中應(yīng)用廣的一種現(xiàn)場總線。
本文首先介紹了ARD3T智能電動機保護(hù)器PROFIBUS通訊模塊的設(shè)計原理，給出常用輸入、輸出數(shù)據(jù)格式，并對GSD文件進(jìn)行說明，通過使用CP5512板卡和力控軟件做為主站進(jìn)行PROFIBUS通訊測試，結(jié)果表明ARD3T可以很好的實現(xiàn)PROFIBUS通訊。
