基于DSP的变频系统Profibus通讯

XJzy

[导读] DP是目前欧洲乃至全球应用 最广泛的总线系统，它是一种高速低成本总线，用于设备级控制系统与分散式I/O的通信。它安装简单，拓扑结构多样，易于实现冗余，通信实时可靠，功能比较完善，卓越的性能使得它适用于各种工业自动化领域。
DP是目前欧洲乃至全球应用 最广泛的总线系统，它是一种高速低成本总线，用于设备级控制系统与分散式I/O的通信。它安装简单，拓扑结构多样，易于实现冗余，通信实时可靠，功能比较完善，卓越的性能使得它适用于各种工业自动化领域。
        　　Profibus协议符合ISO/OSI的开放系统参考模型，对于本文实现的Profibus-DP来说，第一层为物理层，可以用RS-485或者光纤实现。第二层为数据链路层，此层的Profibus访问协议对DP、PA、FMS均相同，这也使得DP/PA/FMS网络区域更容易组合。第三到七层没有加以描述。这样的协议结构有利于数据传输的快速性的实现。DP总线上每段最多可以有32个站，当总线上的站数多于32时，必须使用中继器连接各个总线的分支段。每段的头和尾各有一个总线终端电阻。为了确保操作运行不发生误差，两个总线终端电阻必须永远有电源，带中继器则最多可以连接到127个节点。
        　　1、系统概述
        　　整个系统框图如图1所示，它是由一个主站和两个从站组成的。主站采用西门子的PLC来实现，从站由触摸屏和变频系统Profibus从站组成。

        图1  系统框图

        　　DSP 2812是作为变频控制系统的核心处理器，它与现场DSP之间通过双口RAM进行数据交换。现场DSP则通过Profibus总线桥和Profibus网络进行连接。这样DSP就可以和现场的Profibus网络进行数据的无缝交换：通过该网络一方面可以读取PLC发出的指令和调试人员或者操作人员通过触摸屏发出的指令；另一方面可以将变频系统的工作状态如电流、电压、速度给定、实际速度反馈、故障代码等信号通过Prifibus网络传输到PLC和触摸屏中，触摸屏以状态指示灯、实际数据、曲线等形式进行直观的显示，PLC则对实时工况进行分析并给出相应的指令。
        　　2、系统硬件实现
        　　主站选用西门子315-2DP PLC实现，触摸屏采用西门子的TP270进行数据的显示和输入，这两部分的硬件就不再赘述，具体可以参考相关的产品手册。
        　　Profibus总线桥是本系统一个重要的部分，它是一个专为Profibus-DP通信功能开发的产品，其硬件原理图如图2所示。它本身包含一个接口CPU，为总线桥的外部硬件提供两个端口：一个串行通讯接口TXD和RXD，一个与Profibus网络连接的A和B。在本系统中，接口CPU主要和现场DSP进行数据交换，通过TXD和RXD分别现场DSP串口B的SCIRXDB和SCITXDB相连接。现场DSP将双口RAM中需要的数据读取后通过串行通讯传递给接口CPU，由接口CPU将传输过来的数据和西门子Profibus通讯协议芯片SPC3进行数据交换。这样，SPC3将通信得到的数据以Profibus-DP的形式发送出去，转化成该标准接口接入到总线中去，反方向的数据传输与之类似。于是变频系统将变成接入Profibus网络上的一个节点。从而可以使我们在不需要在对Profibus数据链路层访问协议充分研究的基础上用单片机建立一个Profibus-DP从站，在短时间内便可完成变频系统的Profibus的开发。

        图2  Profibus总线桥原理图

        　　图中Profibus总线采用带终端电阻的专用Profibus-DP插头和Profibus屏蔽双绞线连接，由于Profibus总线桥和触摸屏是作为Profibus总线上的两个终端，因此这两个终端电阻打到ON上，中间节点PLC的终端电阻则打到OFF上。
        　　3、软件实现
        　　软件部分首先是现场DSP对Profibus总线桥进行初始化，初始化完成后立即进入Profibus总线桥和现场DSP数据交换的无限循环，进而进行DSP 2812和PLC、触摸屏之间数据通讯。
        　　图3是Profibus总线桥软件设计流程图。由于Profibus总线桥的异步串口波特率可自动适应接入设备的5种波特率（9.6、19.2、38.4、57.4、115.2kb/s），故Profibus总线桥进行初始化时，现场DSP必须向Profibus总线桥连续发送5次初始化报文，用来测试接入设备的波特率，如图5下面一行显示的前5次数据。初始化报文的格式是根据 Profibus总线桥的规定形成的，依次是站号、ID号、I/O配置数据长度、I/O配置数据、接收数据长度、发送数据长度、用户参数长度、波特率测试数据以及校验和。Profibus总线桥接收到现场DSP发送的5次初始化报文后对其进行分析，并根据接收的报文回答现场DSP，回答报文主要包括以下几个方面的信息：测试到的波特率号，初始化报文错误号和初始化成功标志（或错误标志）。如图5上面一行第一个报文所示。现场DSP在接收到Profibus总线桥回答的报文后同样对回答报文进行分析，如果回答报文说明初始化成功则立即转入数据交换中。如果不成功则分析初始化失败原因并显示相应的错误代号，可以通过相应的错误代号进行修改并最终实现初始化。

        图3   Profibus总线桥软件流程图

        　　Profibus总线桥初始化成功后立即进入数据交换状态，如图5所示。现场DSP在接收到接口DSP的数据后将数据写入到双口RAM中指定的存储区域，DSP 2812从该存储区读出相应的数据进行处理。对于现场要显示的数据，由DSP 2812写入到双口RAM相应的存储区域，然后现场DSP读出存储区域的数据交给Profibus总线桥处理，最后由触摸屏显示出来，如图4所示 。进入数据交换状态后可以实时对修改参数并交给控制器处理，同时也可以将控制器设置的参数实时显示出来，从而极大地方便了生产现场的调试工作。

        图4  数据交换软件流程图

        图5  初始化及数据交换

        　　对于触摸屏的我们采用西门子的组态软件Protool进行组态，设计界面包括：主界面、电及参数界面和调试界面三个部分组成。主界面用于设定变频系统的工作状态，如电流、电压、速度给定、实际速度反馈、故障代码等信号；电机参数界面用于设定电机的相关参数，调试界面则是调试时输入的相关参数，如电流、电压调节器的相关参数等。图6是用Protool组态的主界面图。

        图6  主界面

        　　4、结论
        　　通过现场的应用表明，基于单片机的变频系统Profibus通讯方案，现场DSP负责从现场采集信号并传送主站指令到现场执行设备，从站与西门CPU315-2DP主站相互配合可以降低系统调试和布线难度，缩短开发周期，有利于提高产品的数字化程度，也有利于与其它具有PROFIBUS-DP接口的设备进行方便的连接，提高产品的通用性。