基于PROFIBUS的大功率艦船溫控系統(tǒng)的研究與設計

王其兵，高中學，張育增，潘道元

?

基于PROFIBUS的大功率艦船溫控系統(tǒng)的研究與設計

王其兵，高中學，張育增，潘道元

(無錫德林船舶設備有限公司，江蘇無錫 214000)

根據(jù)船舶溫控系統(tǒng)的數(shù)字化需求，通過設計PROFIBUS-DP轉RS232協(xié)議轉換模塊的方式，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，即使用標準化DP總線控制溫控器。PLC是控制系統(tǒng)的主站，從站是協(xié)議轉換模塊，目的是把溫控器接入到DP網(wǎng)絡中，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軟件設計，這種設計讓控制系統(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，但已經不能滿足人們高精度數(shù)字化控制的需要。基于標準化的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用在微機化測量控制器、生產現(xiàn)場之間實現(xiàn)多節(jié)點數(shù)字通信雙向串行的應用系統(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。本次研究的課題主要是設計開發(fā)PROFIBUS-DP轉換模塊并將它應用于溫控系統(tǒng)。通過仔細的研究發(fā)現(xiàn)：選擇“單片機+VPC3協(xié)議轉換芯片”方案，可以實現(xiàn)PROFIBUS- DP/RS232從站協(xié)議轉換模塊，這種選擇可以實現(xiàn)把PLC作為主站，從站是協(xié)議轉換模塊，將溫控器接入到標準化DP網(wǎng)絡中，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載輸出功率?？刂票豢貙ο蟮妮敵龉β示褪菍τ谪撦d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，進而對發(fā)熱量進行控制?？煽毓璧挠|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，但會對工廠電網(wǎng)產生沖擊和干擾；而且在閉環(huán)控制時，容易產生直流分量，因為此時很難保證正負半波對稱，面積相等。而采用過零觸發(fā)電路不僅能夠滿足設計要求，而且還能避免以上眾多的缺點。因此，本設計就是采用在過零點產生中斷，產生觸發(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

本設計中，控制器能控制相應的設備是因為脈沖變壓器和脈沖功率放大器能產生控制信號。T2是脈沖變壓器，三極管N2起到功率放大的作用。當三極管N2導通時，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)是由變壓器右側的的附屬電路構成的。D2的作用是當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)脈沖驅動電路、復位電路四部分組成。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，通過編寫所對應的控制程序，完成對相應電路的控制。當系統(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，可通過復位電路對單片機進行復位。

2 基于PROFIBUS-DP的通信協(xié)議轉換模塊設計

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

2.1 隔離電源部分

在整個的電子電路設計中電源設計是至關重要的，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。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

本設計中，大多數(shù)轉換部分使用的都是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換模塊的功耗，減少所產生的熱量，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驅動器轉換部分

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量。本次設計采用的隔離光耦的通信比特率高達20 Mbp s，完全可以保證通信的要求。

圖4 電平隔離轉換部分接線圖

2.3 單片機與VPC3接口電路及復位電路

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

圖5 單片機與VPC3接口電路

3 PROFIBUS從站接口軟件設計

本設計通過充分利用協(xié)議芯片內部集成的寄存器接口、SAP服務和宏接口提高設計效率。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。從站轉換模塊非常重要，往往通信建立的質量都是由轉換模塊中的某些程序決定的。開發(fā)從站的同時，相應的PROFIBUS-DP狀態(tài)機制已經被協(xié)議芯片在內部集成，這樣單片機就不用再對從站的狀態(tài)機制進行處理和控制。對協(xié)議芯片進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定的從站地址變量賦值，新地址的設定與從站啟動是同時進行的。

圖6 初始化程序和中斷程序流程圖

4 系統(tǒng)調試

本次調試的上位機主站是PLC314-2DP。下位機的從站是轉換模塊，將電腦與串口進行連接就構成了簡易的PROFIBUS-DP 主從站網(wǎng)絡，選擇凱迪恩自動化技術公司的PROFIBUS-DP開發(fā)板為此次調試所使用的轉換模塊，它能夠實現(xiàn)單片機與PLC的數(shù)據(jù)連接，本設計的二次開發(fā)程序完成了串口數(shù)據(jù)轉換功能。通過Wincc編寫操作畫面及控制子程序，即可實現(xiàn)通過調用Step7使軟件組態(tài)和硬件組態(tài)相結合達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 結論

本文主要研究的是PROFIBUS-DP接口轉換模塊，通過設計軟件和硬件從而完成對溫控器的PROFIBUS-DP通信，并通過Step7構建了分布式I/O硬件組態(tài)。在基于上位PC的基礎上，本設計構建出PROFIBUS-DP主從站試驗調試系統(tǒng)，并在串口調試軟件的幫助下成功模擬了現(xiàn)場設備接入開發(fā)的從站接口（RS232接口）的雙向通訊。通過設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)及關鍵技術的研究[D]. 天津: 河北工業(yè)大學, 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。