基于PROFIBUS的大功率艦船溫控系統(tǒng)的研究與設(shè)計

王其兵，高中學(xué)，張育增，潘道元

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基于PROFIBUS的大功率艦船溫控系統(tǒng)的研究與設(shè)計

王其兵，高中學(xué)，張育增，潘道元

(無錫德林船舶設(shè)備有限公司，江蘇無錫 214000)

根據(jù)船舶溫控系統(tǒng)的數(shù)字化需求，通過設(shè)計PROFIBUS-DP轉(zhuǎn)RS232協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊的方式，完成了溫控器的PROFIBUS與上位機的通信，并同時完成了另一項功能，即使用標(biāo)準(zhǔn)化DP總線控制溫控器。PLC是控制系統(tǒng)的主站，從站是協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊，目的是把溫控器接入到DP網(wǎng)絡(luò)中，從而完成溫控系統(tǒng)被上位機所控制。我們只需要根據(jù)編寫的操作畫面及控制程序，即可實現(xiàn)在上位機通過Step7構(gòu)建分布式I/O硬件組態(tài)，工作人員要想精確控制溫控器，只需觀看操作監(jiān)控畫面和溫控儀表即可。上位機監(jiān)控功能界面通過Wincc軟件設(shè)計，這種設(shè)計讓控制系統(tǒng)的操作變得更加方便靈活。

溫控器 現(xiàn)場總線 PROFIBUS-DP VPC3 協(xié)議轉(zhuǎn)換

0 引言

近些年來，智能溫控器[1,2]在船舶、鋼鐵、汽車、電力電子等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)的溫控系統(tǒng)一般采用PID控制或者定值控制等，雖然能滿足一定條件下的特殊需要，但已經(jīng)不能滿足人們高精度數(shù)字化控制的需要。基于標(biāo)準(zhǔn)化的PROFIBUS- DP總線的溫控系統(tǒng)可實現(xiàn)這一要求，它的開發(fā)具有重大的意義?，F(xiàn)場總線被定義為一種是應(yīng)用在微機化測量控制器、生產(chǎn)現(xiàn)場之間實現(xiàn)多節(jié)點數(shù)字通信雙向串行的應(yīng)用系統(tǒng)，也可以稱作多點通信、數(shù)字化、開放式的底層控制網(wǎng)絡(luò)。本次研究的課題主要是設(shè)計開發(fā)PROFIBUS-DP轉(zhuǎn)換模塊并將它應(yīng)用于溫控系統(tǒng)。通過仔細(xì)的研究發(fā)現(xiàn)：選擇“單片機+VPC3協(xié)議轉(zhuǎn)換芯片”方案，可以實現(xiàn)PROFIBUS- DP/RS232從站協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊，這種選擇可以實現(xiàn)把PLC作為主站，從站是協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊，將溫控器接入到標(biāo)準(zhǔn)化DP網(wǎng)絡(luò)中，從而完成溫控系統(tǒng)被上位機所控制。

1 大功率溫控系統(tǒng)設(shè)計

大功率溫控器的控制對象多是通過控制晶閘管的通斷來控制負(fù)載輸出功率。控制被控對象的輸出功率就是對于負(fù)載供電電壓的控制，對于晶閘管觸發(fā)控制電路來說就是通過控制晶閘管觸發(fā)角來實現(xiàn)的。通過對供電的控制實現(xiàn)了控制發(fā)熱元件的輸出功率，進(jìn)而對發(fā)熱量進(jìn)行控制。可控硅的觸發(fā)控制可以采用過零控制或移相控制兩種方案。移相觸發(fā)雖然電流連續(xù)可調(diào)，但會對工廠電網(wǎng)產(chǎn)生沖擊和干擾；而且在閉環(huán)控制時，容易產(chǎn)生直流分量，因為此時很難保證正負(fù)半波對稱，面積相等。而采用過零觸發(fā)電路不僅能夠滿足設(shè)計要求，而且還能避免以上眾多的缺點。因此，本設(shè)計就是采用在過零點產(chǎn)生中斷，產(chǎn)生觸發(fā)脈沖的方法。使用的二極管均為快速二極管，三極管起功率放大作用，脈沖由脈沖變壓器輸出，電源電壓為+15 V。可控硅觸發(fā)電路如圖1所示。

圖1 可控硅觸發(fā)電路圖

本設(shè)計中，控制器能控制相應(yīng)的設(shè)備是因為脈沖變壓器和脈沖功率放大器能產(chǎn)生控制信號。T2是脈沖變壓器，三極管N2起到功率放大的作用。當(dāng)三極管N2導(dǎo)通時，變壓器就會向晶閘管陰極和門極之間發(fā)出觸發(fā)脈沖信號。脈沖輸出環(huán)節(jié)是由變壓器右側(cè)的的附屬電路構(gòu)成的。D2的作用是當(dāng)N2截止時，T2能夠釋放其所存儲的剩余電磁能。晶閘管觸發(fā)器的核心控制元件由單片機及其硬件電路、同步過零信號檢測、觸發(fā)脈沖驅(qū)動電路、復(fù)位電路四部分組成。單片機可通過檢測電路從電壓信號中得到過零觸發(fā)信號，通過編寫所對應(yīng)的控制程序，完成對相應(yīng)電路的控制。當(dāng)系統(tǒng)出錯時，為了保證整個系統(tǒng)的能夠繼續(xù)穩(wěn)定的運行，可通過復(fù)位電路對單片機進(jìn)行復(fù)位。

2 基于PROFIBUS-DP的通信協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計

本次設(shè)計中的協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊的硬件設(shè)計框架是由SIEMENS公司開發(fā)包4提供的，本次的設(shè)計方案是以 “RS232接口電路+ MCU+ PROFIBUS-DP 智能從站 ASIC 協(xié)議處理芯片 VPC3+485電平隔離轉(zhuǎn)換驅(qū)動電路+3.3V電源+隔離電源”為中心架構(gòu)。下面將逐一對重要電路進(jìn)行分析介紹。

2.1 隔離電源部分

在整個的電子電路設(shè)計中電源設(shè)計是至關(guān)重要的，穩(wěn)定的電源能夠保證系統(tǒng)正常的運行，是系統(tǒng)正常工作的基礎(chǔ)。下圖中電路的功能是為接口板提供隔離電源，此隔離電源是由B0505s-1W提供，它能夠為整個模塊提供穩(wěn)定的隔離電源，其中輸入電源為5 V。

圖2 隔離電源部分接線圖

本設(shè)計中，大多數(shù)轉(zhuǎn)換部分使用的都是5 V電源，除了單片機與協(xié)議芯片部分（這兩部分使用的是3.3 V電源）。在輸入輸出部分為了提升電壓的穩(wěn)定性，實現(xiàn)濾波穩(wěn)壓功能，設(shè)計中采用了并聯(lián)兩個電容的方法。同時為了吸收浪涌信號、保護電源，本設(shè)計在電源輸出部分加入了有瞬態(tài)抑制功能的二極管，如圖所2示。本設(shè)計在輸出部分并聯(lián)了兩個電容以此來保證輸出穩(wěn)定的電流、電壓，同時又在輸出隔離5 V電壓處加入了二極管來防止反向沖擊電壓，更加確保了整個電源系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。本電源電路在輸入發(fā)生變化時穩(wěn)定輸出電壓為5 V，完全滿足RS-485接口的電源需求。

低功耗、低電壓是數(shù)字電路未來的發(fā)展方向[4]。本次設(shè)計選用REG1117-3.3芯片做為核心元件為協(xié)議芯片以及單片機提供穩(wěn)定的3.3 V電壓。為了提高電源的可靠性，在其輸出輸入部分加入了濾波穩(wěn)壓作用的電容。C11選用的是鉭電容。3.3 V電壓就可以降低整個轉(zhuǎn)換模塊的功耗，減少所產(chǎn)生的熱量，而且起到了降低EMI的效果，可謂一舉兩得。再者電壓的降低的同時電壓輻射能量也隨著降低了。就同一條天線而言，當(dāng)信號的頻率相同時，振幅越小，其向外輻射量也越小。EMI場強計算公式[5]：

式中：E為場強；P為發(fā)射機功率（kW）；G為相對于半波偶極子的天線增益（dB）；r為被測點與發(fā)射天線的距離（km）；F(θ)為天線垂直面方向性函數(shù)。

2.2 RS485驅(qū)動器轉(zhuǎn)換部分

P0.4和P0.5分別是單片機的輸入端口與輸出端口。選擇采用由iCoupler公司出產(chǎn)的ADUM2486芯片，它集成了RS-485磁耦隔離器和收發(fā)器，可同時容納3 V或5 V電壓。芯片7號管腳設(shè)計了電源監(jiān)控功能，電平的高低決定了其引腳的功能，其引腳電平高于2.3 V時，為高電平，芯片工作；其引腳電平低于2.0 V時，為低電平，芯片不工作。這種設(shè)計可以增加信號的可靠度同時又能避免錯誤信號，還能避免在操作時緩慢掉電上電引起的A，B輸出抖動的問題。將3.3 V電平電壓接給VDD（管腳1），用來供給協(xié)議芯片與單片機電平。如圖4所示，要想使系統(tǒng)能正常的工作完成數(shù)據(jù)交換，那么通信波特率一定要大于6 Mbit/s。一般情況下，要想提高系統(tǒng)的通信波特率，主要辦法還是提升隔離光耦，而與其他方面并沒有太大的聯(lián)系。那也就是說：隔離光耦的好壞直接影響通信速率的質(zhì)量。本次設(shè)計采用的隔離光耦的通信比特率高達(dá)20 Mbp s，完全可以保證通信的要求。

圖4 電平隔離轉(zhuǎn)換部分接線圖

2.3 單片機與VPC3接口電路及復(fù)位電路

VPC3接口電路與單片機的設(shè)計是整個從站設(shè)計的核心部分，它的好壞決定成敗。本文選用的微控制器C8051F340芯片中已經(jīng)含有4.25K RAM和64K FLASH，已能大大滿足本文對內(nèi)存的要求，所以在設(shè)計中將對應(yīng)的P3數(shù)據(jù)口和P4地址口總線進(jìn)行了設(shè)置，不再需要片外RAM存儲芯片。

圖5 單片機與VPC3接口電路

3 PROFIBUS從站接口軟件設(shè)計

本設(shè)計通過充分利用協(xié)議芯片內(nèi)部集成的寄存器接口、SAP服務(wù)和宏接口提高設(shè)計效率。單片機要實現(xiàn)的主要功能包括：協(xié)議芯片的初始化、接受外部中斷、接受與發(fā)送串口端數(shù)據(jù)以及相應(yīng)的自定義診斷功能。

就智能從站而言，開發(fā)軟件部分同樣需要。從站轉(zhuǎn)換模塊非常重要，往往通信建立的質(zhì)量都是由轉(zhuǎn)換模塊中的某些程序決定的。開發(fā)從站的同時，相應(yīng)的PROFIBUS-DP狀態(tài)機制已經(jīng)被協(xié)議芯片在內(nèi)部集成，這樣單片機就不用再對從站的狀態(tài)機制進(jìn)行處理和控制。對協(xié)議芯片進(jìn)行初始化是保證芯片正常工作的第一步。只有先初始化，才能使芯片進(jìn)入到正常的工作狀態(tài)中，如圖6所示。本文中使用了組態(tài)檢查中斷、參數(shù)校核中斷和從站地址改變中斷。波特率能夠被協(xié)議芯片自行識別，不需其他的設(shè)計。而且從站地址改變中斷通過訪問SAP55訪問點來改變從站站地址，由中斷程序給重新設(shè)定的從站地址變量賦值，新地址的設(shè)定與從站啟動是同時進(jìn)行的。

圖6 初始化程序和中斷程序流程圖

4 系統(tǒng)調(diào)試

本次調(diào)試的上位機主站是PLC314-2DP。下位機的從站是轉(zhuǎn)換模塊，將電腦與串口進(jìn)行連接就構(gòu)成了簡易的PROFIBUS-DP 主從站網(wǎng)絡(luò)，選擇凱迪恩自動化技術(shù)公司的PROFIBUS-DP開發(fā)板為此次調(diào)試所使用的轉(zhuǎn)換模塊，它能夠?qū)崿F(xiàn)單片機與PLC的數(shù)據(jù)連接，本設(shè)計的二次開發(fā)程序完成了串口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換功能。通過Wincc編寫操作畫面及控制子程序，即可實現(xiàn)通過調(diào)用Step7使軟件組態(tài)和硬件組態(tài)相結(jié)合達(dá)到上位機對溫控器的精確控制。PLC硬件組態(tài)如圖7所示?；趙incc的溫控系統(tǒng)監(jiān)控界面如圖8所示。

5 結(jié)論

本文主要研究的是PROFIBUS-DP接口轉(zhuǎn)換模塊，通過設(shè)計軟件和硬件從而完成對溫控器的PROFIBUS-DP通信，并通過Step7構(gòu)建了分布式I/O硬件組態(tài)。在基于上位PC的基礎(chǔ)上，本設(shè)計構(gòu)建出PROFIBUS-DP主從站試驗調(diào)試系統(tǒng)，并在串口調(diào)試軟件的幫助下成功模擬了現(xiàn)場設(shè)備接入開發(fā)的從站接口（RS232接口）的雙向通訊。通過設(shè)計編寫的操作畫面及控制程序，工作人員要想精確控制溫控器，只需觀看操作監(jiān)控畫面和溫控儀表就能完成。

圖7 PLC硬件組態(tài)圖

圖8 溫控器監(jiān)控界面

[1] 李艷萍. PROFIBUS-PA通信接口的開發(fā)及關(guān)鍵技術(shù)的研究[D]. 天津: 河北工業(yè)大學(xué), 2010.

[2] 李玉凱等. 智能分析儀表PROFIBUS-DP接口的研發(fā)[J]. 化工自動化及儀表, 2011(1): 56-59.

[3] PROFIBUS Specification, Order No. 0. 032[S], 1997: 7

[4] SIEMENS. GSD-Specification for PROFIBUS-DP GSD Revision 2 Version 1.0.SIEMENS.

[5] 孫鶴旭, 梁濤, 云利軍. PROFIBUS現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 2007.

Research and Design of High-power Temperature Control System Based on PROFIBUS

Wang Qibing, Gao Zhongxue, Zhang Yuzeng, Pan Daoyuan

( Wuxi Delin Shipborne Equipment Co., Ltd., Wuxin 214000, Jiangsu, China )

TP273

A

1003-4862（2014）12-0056-04

2014-05-21

王其兵（1983-），男，工程師。研究方向：電力電子技術(shù)。