0 引言
现场总线是一种串行、双向、多点数字通信技术，应用于生产现场，在现场设备（仪器）和现场设备控制室的自动控制装置（系统）之间。它是一个网络系统和控制系统，以单个分散的数字、智能测量和控制设备为网络节点，与总线连接，实现信息交换，共同完成自动控制功能。
现场总线种类繁多，主要用于电动执行机构行业Modbus-RTU、Profibus-DP、FF、Devicenet等。其中Profibus1999年，总线成为国际标准IEC2001年，61158批准成为中国行业标准JB/T10308.3—2001。Profibus现场总线技术是一个开放、数字、多点通信的底层控制网络。以现场总线为纽带，将单个分散的现场设备转换为网络节点，用数字通信取代原设备级4~20mA模拟量和24VDC开关量信号，形成底层现场智能设备与高层系统信息共享，满足工业控制系统分布化、扁平化、智能化的发展要求。
1 总线控制系统总体设计
1.1 硬件设计
电动执行机构，又称电动装置和电动头，通常与阀门和阀门一起使用，通过接收控制中心给出的控制信号（开关量、模拟量或总线信号）来控制阀门和阀门的开度，并将执行机构的状态信号反馈给控制中心。编制执行机构和控制中心需要完成的数据交换GSD根据DP通过单片机和协议芯片DP通信主站。控制中心和执行机构一般形成单主系统，主站和站间采用循环数据传输。SND在原有软硬件结构的基础上，开发智能电动执行机构Profi-bus-DP接口卡，可方便地将执行机构接入总线通信网络。DP卡与主站之间RS-数据交换以485总线的形式进行。通信原理框图如图1所示。
图1 通信原理框图
Profibus-DP在原智能电动执行机构控制系统的基础上，安装了总线电动执行机构DP通信卡。DP卡的核心部分由单片机组成W78E052B40PL、协议芯片SPC3和IL由485接口芯片组成。SPC3是Profibus-DP专用协议芯片(需与单片机配套使用)负责拆包主站发送的数据，发送到单片机，包装单片机发送的数据，发送到主站；W78E052B40PL是主板与SPC3桥梁负责初始化和协议转换。该方案的优点是总线卡和控制系统是模块结构，需要连接Profibus只需在网络上安装总线卡即可。
Profibus通信协议比较复杂。软件原则上可以在任何微处理器上实现，只需安装异步串行收发器（UART）。但现在开发人员可以放弃复杂的协议，只要他们使用特殊的通信处理芯片。Profibus使用这些协议芯片可以形成广泛的通信协议芯片系列Profibus协议简单、方便、省时、省力，也能快速提供产品。适用于智能站ASIC种类较多，如IAM公司的PBS，Motorola公司的68302、68360，SiemensS公司的SPC4、SPC3，VIPA公司的VPC3 、VPM2L等，其中的SPC3.通信协议芯片更具代表性。因此，设计总线卡的关键是SPC3协议芯片的应用。
图2 SPC3内部结构示意图
SPC3的内部结构示意图如图2所示。SPC3.有三种不同的操作状态：波特率监测、波特率控制和DP控制。SPC3集成了DP协议中的FDL由微序列器组成的层（MicroSequencer，MS）控制整个SPC3工作过程。内部还集成了1.5KB的双口RAM，整个RAM采用8Byte段结构分为192段，所有地址都需要分配BUF指针，必须指向段的开头。.5KBRAM中，SPC3自己用到了64Byte，这64Byte大部分需要单片机设置，如中断屏蔽字、硬件模式寄存器0和1、各种BUF长度、指针、标志等。SPC寄存器用于各种状态指示，如中断字和输入BUF状态、输出BUF状态、诊断BUF状态等。；有些寄存器在写入时作为工作模式设置寄存器，在读取时作为状态指示，如中断请求寄存器。RAM的其他1472Byte各种各样的提供BUF的空间。SPC3具有3个输入BUF、3个输出BUF、2个诊断BUF、2个辅助BUF、1个配置BUF、1个参数BUF设置一个地址BUF。当SPC3工作前，输入特定寄存器单元后，应输入特定参数（如站址、标志号、各种控制位等）SPC3才能正常。DP通信服务访问点由SPC3自动建立，用户面前呈现的各种报纸信息不同BUF内部数据。SPC相当于单片机W78E052B40PL扩展的外部RAM，可通过总线接口访问SPC3内部RAM。SPC3的双口RAM应在CPU地址统一分配在地址空间中。CPU把这片RAM作为自己的外表RAM。
SPC3内部的UART串行通信的四个管脚是实现串行数据流的相互转换XCTS、RTS、TxD和RxD。XCTS意思是清除发送，是SPC3的输入信号表示允许SPC3发送数据，RTS为SPC请求发送信号，RxD和TxD分别为串行接收和发送端口。SPC波特率可自动标记总线(9.6kb/s～12Mb/s），为提高系统的抗干扰性，SPC3内部线路必须与电气上的物理接口隔离。输入/输出通道上的电气隔离采用6N137高速光耦合。电源的电气隔离采用DCP0505这种5V/5V隔离转换电源。高速光耦合为6N137，收发器为SN75ALS176，通信速率可达6Mbaud/s，可用于大多数应用系统。如果用户需要更高的通信速率，可以将光耦合器替换为25Mbaud/s的HCPL－7720/7721。
可以看出，通过协议芯片SPC3来设计DP接口卡接口卡了解太多DP协议本身，有标准的电路和详细的设计数据，硬件设计相对简单。
1.2 软件设计
软件设计主要是单片机和SPC3初始化，对SPC3.配置寄存器并启动SPC3.接收和发送数据。接收和发送有两部分:一是单片机和SPC3之间的数据传输；二是单片机与主板之间的数据传输。整个数据传输过程是单片机从主板读取数据，然后传输到SPC3，SPC3处理数据，发送到Profibus总线由主站接收。主站和数据输入输出处理（输入输出相对于主站），以及用户诊断数据输入，作为从站执行机构放置在应用程序的循环中。在应用程序循环中，应用程序刷新输入BUF保证所有输入数据都是最新更新的数据。SPC3在接收由Profibus当主站传输不同的输出数据时，会产生输出标志位，CPU主站数据通过在应用循环中轮询标志位接收。与特定的应用诊断信息相比，需要实时传输到主站；主应用程序判断应用循环中是否有可用的诊断BUF存在，当有空闲时BUF当应用程序输入诊断信息并要求更新时。对于实时要求严格的系统，采用中断方法输出数据和诊断数据。初始化程序框图如图3所示。
图3 初始程序框图
2 电动执行机构DP定义用户数据域和协议中的数据交换格式
从站读取主站输出的数据格式：
(1)主站请求报文结构如图4所示。
图4
(2)从站响应报文的结构如图5所示。
图5
通信数据输入13Byte，输出4Byte，如表4所示。
例如，电动执行机构控制命令输出数据共2个字，如图6所示。
图6
控制命令中的含义如下：
bit0：关指令，1=运行，0=停止
bit1：开指令，1=运行，0=停止
bit2：停指令，1=停止，0=无效
bit3.紧急关闭指令，1=运行，0=停止
3 Profibus-DP通信试验及现场使用
3.1 通信试验
带Profibus-DP自开发完成以来，总线接口的智能电动执行机构已经进行了一系列的测试和现场使用。测试采用单站和3站。主站硬件由笔记本电脑和西门子组成CP由5512卡组成的软件SOFTNETDPV6.2SP1、STEP7V5.3SP3、OPCScout组成。通过STEP7.笔记本电脑的组态ProfiBus主站同时设置为OPC三台服务器SND系列电动执行机构的组态设置为从站并下载到PC（CP5512)主站构成Profibus-DP如图7所示，主从系统。
图7
在PC机中使用OPC客户端软件（OPCScout），通过OPC服务器对DP读写站内的数据，从而监控和控制电动执行机构的运行状态，如图8所示。
图8
总线波特率为1.5Mbaud/s，主站执行机构地址为2，从站执行机构地址为3、4、5。主站发送开关、关闭、停止、操作控制文字和设定开度操作控制文字，执行机构完全开放、完全关闭、立即停止和操作到指定位置，达到预期效果。主站阅读站内容，在状态反馈中，可以准确反映执行机构状态文字、远程控制模式状态文字、执行机构开度、扭矩百分比等。
3.2 现场使用
汕头海门2×1000MW28条带用于电厂海水脱硫系统Profibus-DP总线接口的SND系列智能电动执行机构。控制系统采用上海西屋控制系统有限公司OVATION3.1.2系统，Profibus-DP总线网段内有常州SND-Z型电动执行机构，英国ROTORKIQ10F10A、苏州智能MCC控制装置ST500。传输模式Profibus-DP/V数据传输率为185.7kb/s，GSD文件为VALVEFPS.GSD，通信数据为13个输入(8)Byte），分别对应OVATION系统的INPUT1-INPUT13；4个输出（8Byte）分别对应OVATION系统的OUTPUT1～OUTPUT4.总线的拓扑形式如图9所示。
图9 现场应用拓扑形式
Profibus通信协议保证了通信的高可靠性，但基于硬件和软件设计。在通信接口设计中，必须遵循一定的规范，如信号隔离、总线接口和接收室，避免线路过长、电源滤波处理、接收器和光耦合的限流电阻和负载电阻必须与接收器的光耦合相匹配。当信号在总线上传输时，由于不连续的阻抗会形成信号反射，导致传输信号畸变。因此，必须在传输线的末端添加电阻，以消除不连续的阻抗。增加的电阻值应尽可能接近传输线的特性阻抗。特性阻抗值与导线长度无关，一般为100~165Ω。在实际使用中，应注意信号的隔离，避免总线接口与收发器之间线路过长、电源滤波处理、收发器和光耦合的限流电阻和负载电阻必须与收发器、线路回波反射和终端电阻配合。
使用一年多后，总线系统正常稳定，维护量小，满足业主要求。
带Profibus-DP总线接口的SND一系列智能电动执行机构也用于中国恩菲巴新瑞木项目、中国CMEC的印度工程等项目上，以及一些国内项目上，如中石化管道公司、大连清山水厂等，使用的效果都非常好，得到了用户的一致好评。
4 结语
本文介绍了带Profibus-DP总线接口的智能型电动执行机构总线方面的设计、检测和应用。执行机构通过Profibus-DP成功访问总线卡Profibus总线网实现控制和反馈的预期目标。开发过程也证明了SPC3协议芯片应用于开发从站，能使开发简单，节省人力和时间。由于工厂工作的连续性，有必要开发冗余的DP为了保证通信的可靠性，方便维修。
目前，分散控制系统（DistributedControlSystem，DCS）现场总线控制系统相对成熟（FieldbusControlSystem，FCS）正在逐步发展起来。随着现场总线技术的发展和标准的统一，带现场总线的现场设备必将成为主流。从长远看，总线在经济性、精确性、开放性、灵活性和可维护性上，都有较大的优势。由于执行机构行业在国内具有Profibus-DP总线应用经验成功的厂家并不多，所以总线产品市场前景广阔。
参考文献
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