基于Profibus-DP現(xiàn)場(chǎng)總線的氣體質(zhì)量流量控制器設(shè)計(jì)

趙 迪，張 征

（北京七星華創(chuàng)流量計(jì)有限公司，北京 100176）

隨著制造自動(dòng)化和過(guò)程自動(dòng)化中分散化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)數(shù)量的迅速增長(zhǎng)，現(xiàn)場(chǎng)總線的應(yīng)用日益廣泛。Profibus是由Siemens等公司組織開(kāi)發(fā)的一種國(guó)際化的、開(kāi)放的和不依賴于設(shè)備生產(chǎn)商的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)，可用于有嚴(yán)格時(shí)間要求、高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)膱?chǎng)合，也可用于大范圍復(fù)雜通信的場(chǎng)合。既適用于工業(yè)自動(dòng)化中離散加工過(guò)程的應(yīng)用，也適用于流程自動(dòng)化中連續(xù)和批處理過(guò)程的應(yīng)用，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于制造自動(dòng)化、流程工業(yè)自動(dòng)化、樓宇自動(dòng)化以及交通、電力等其他自動(dòng)化領(lǐng)域。目前世界上許多自動(dòng)化設(shè)備制造商都為他們生產(chǎn)的設(shè)備提供了Profibus接口，根據(jù)應(yīng)用特點(diǎn)和用戶需要的不同，Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線包括 Profibus-FMS、Profibus-DP和 Profibus-PA這3種主要規(guī)范子集[1]。

氣體質(zhì)量流量控制器MFC用于對(duì)氣體的質(zhì)量流量進(jìn)行精密的測(cè)量與控制，在半導(dǎo)體集成電路工藝、特種材料學(xué)科、化學(xué)工業(yè)、石油工業(yè)、醫(yī)藥、環(huán)保和真空等各領(lǐng)域的科研和生產(chǎn)中有著重要的應(yīng)用。北京七星華創(chuàng)流量計(jì)有限公司的CS200 Profibus MFC正是基于Profibus-DP協(xié)議，以實(shí)現(xiàn)其在Profibus-DP工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用。

1 硬件電路設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

Profibus協(xié)議作為開(kāi)放的、與制造商無(wú)關(guān)、無(wú)知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)的標(biāo)準(zhǔn)，原則上在任何微處理器上都可以實(shí)現(xiàn)，本設(shè)計(jì)采用“微控制器MCU+Profibus通信專用芯片”的解決方案，由協(xié)議芯片實(shí)現(xiàn)Profibus-DP的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議，MCU對(duì)協(xié)議芯片進(jìn)行基本的初始化并進(jìn)行后續(xù)的數(shù)據(jù)交互，異步串行通信接口完成物理層通信[2]。從硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)上來(lái)講，MFC主要包括MCU控制模塊、Profibus-DP智能從站接口模塊、從站地址設(shè)定模塊、傳感器模塊、電磁閥模塊和電源模塊等，產(chǎn)品硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 產(chǎn)品硬件結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Product hardware structure diagram

1.1 MCU控制模塊

MFC的微處理器采用Microchip公司的16位高性能DSP芯片dsPIC30F6012A，它擁有8 KB的SRAM，4 KB的E2PROM，滿足Profibus-DP與RS-485通信過(guò)程中交換數(shù)據(jù)量比較大的特點(diǎn)。144 KB高可靠性和穩(wěn)定性的Flash程序存儲(chǔ)器，滿足流量計(jì)功能多的特點(diǎn)要求。采用低功耗高速閃存技術(shù)，最高工作速度可達(dá)30 MIPs。該芯片接口類型完備，支持SPI同步串行接口方式，滿足微處理器與VPC3+S協(xié)議芯片間快速通信的要求。

1.2 Profibus-DP總線接口模塊

該部分硬件設(shè)計(jì)框圖如圖2所示，Profibus協(xié)議芯片采用VIPA公司為智能Profibus-DP從站提供的專用芯片VPC3+S，它是Siemens公司的SPC3芯片的更新替代產(chǎn)品，兼容了SPC3的全部功能，可直接與各種微處理控制器連接，以滿足用戶的需要。它支持Profibus-DP協(xié)議中的DP-V0、DP-V1和DP-V2子協(xié)議類型，內(nèi)部集成4 KB的雙口RAM，使其能獨(dú)立處理更為復(fù)雜的通信數(shù)據(jù)流，支持3.3 V和5 V電壓源，在功能上更為經(jīng)濟(jì)、安全，采用SPI模式實(shí)現(xiàn)VPC3+S協(xié)議芯片與MCU主控芯片的通信。VPC3+S芯片主要完成Profibus-DP總線接收數(shù)據(jù)，并完成基本數(shù)據(jù)處理，判斷是否是主站對(duì)該從站的操作，如果是就把信息存入相應(yīng)的緩沖區(qū)并通知MCU，同時(shí)VPC3+S還可以根據(jù)MCU所發(fā)出的指令把從站數(shù)據(jù)傳送給主站。

圖2 Profibus-DP總線接口硬件結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Hardware structure diagram of Profibus-DP fieldbus

Profibus-DP協(xié)議的物理層采用RS-485通信的方式，它是一種差動(dòng)半雙工通信，VPC3+S本身不帶RS-485接口，需要外設(shè)電路來(lái)完成RS-485信號(hào)的轉(zhuǎn)化。本設(shè)計(jì)選用ADM2486芯片作為485通信接口驅(qū)動(dòng)芯片，它是主站和從站之間的橋梁，一側(cè)通過(guò)D型插座與主站連接，另一側(cè)與協(xié)議芯片VPC3+S相連。ADM2486是電氣隔離的高速差分總線收發(fā)器，用于平衡傳輸線的雙向數(shù)據(jù)通信，它自身具有隔離和RS-485收發(fā)能力，隔離電壓最高可達(dá)2.5 kV，ADM2486數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)20 Mbps，滿足Profibus-DP最高傳輸速率12 Mbps的要求。MIC5205用來(lái)提供穩(wěn)定的5 V電壓源，AD809用于監(jiān)控電路電壓，避免在上電、關(guān)斷和掉電時(shí)，A、B端總線信號(hào)的抖動(dòng)。

1.3 從站地址設(shè)定模塊

在Profibus-DP現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)中，主站可以與多個(gè)從站進(jìn)行通信，主站在數(shù)據(jù)幀中表明要通信的從站地址，通過(guò)設(shè)置從站地址，主站就可以自動(dòng)訪問(wèn)從站，因此在Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)從站都要設(shè)定唯一的地址號(hào)。本設(shè)計(jì)采用如圖3所示硬件電路實(shí)現(xiàn)從站地址的設(shè)定，通過(guò)2個(gè)旋轉(zhuǎn)撥碼轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)分別確定從站地址的高字節(jié)位和低字節(jié)位，在CP端時(shí)鐘脈沖信號(hào)的控制下，通過(guò)移位寄存器M74HC165的Q7口串行輸入給主控制器。

圖3 從站地址設(shè)定模塊電路結(jié)構(gòu)Fig.3 Address setting module circuit structure diagram of slave station

2 軟件設(shè)計(jì)

MFC作為Profibus-DP的從站，軟件上需要等待主站的指令，需要主站對(duì)從站進(jìn)行參數(shù)化報(bào)文配置、組態(tài)報(bào)文配置，然后才能進(jìn)入數(shù)據(jù)交換狀態(tài)，軟件主循環(huán)的流程如圖4所示。其中VPC3初始化部分是在MFC上電初始化時(shí)執(zhí)行，其余部分都是在主程序中循環(huán)執(zhí)行。

圖4 軟件主循環(huán)的流程Fig.4 Software flow chart of main loop

2.1 VPC3上電初始化

軟件的第一部分為VPC3上電初始化，此部分主要工作包括在MCU中定義VPC3各寄存器名稱與地址并賦初值、復(fù)位VPC3、讀取MFC硬件旋轉(zhuǎn)撥碼開(kāi)關(guān)并計(jì)算從站地址、啟動(dòng)VPC3、復(fù)位診斷等操作。

2.2 參數(shù)化報(bào)文配置

軟件的第二部分為參數(shù)化報(bào)文配置，此部分對(duì)MFC的參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的配置。七星華創(chuàng)CS200 Profibus MFC產(chǎn)品的參數(shù)設(shè)置包括安全狀態(tài)，即如果通訊中斷，MFC狀態(tài)可選擇（0=無(wú)影響；1=閥關(guān)閉；2=設(shè)定為0；3=閥全開(kāi)）；各種報(bào)警（環(huán)境溫度報(bào)警、傳感器漂移報(bào)警、閥報(bào)警等）的使能；軟啟動(dòng)設(shè)置（使真實(shí)流量按照一定斜率緩慢地接近設(shè)定值）；瞬時(shí)流量單位設(shè)置（0=%FS；1=mL/s；2=mL/min；3=mL/h；4=L/s；5=L/min；6=L/h；7=m3/s；8=m3/min；9=m3/h；10=ft3/s；11=ft3/min；12=ft3/h）；溫度單位設(shè)置（0=K；1=℃；2=F）；累計(jì)流量的單位設(shè)置（0=mL；1=L；2=m3；3=ft3）；設(shè)定源選擇（1=RS485；2=0-5 Vdc；3=Profibus）；閥控模式選擇等等。

2.3 組態(tài)報(bào)文配置

軟件的第三部分為組態(tài)報(bào)文配置，七星華創(chuàng)CS200 Profibus MFC產(chǎn)品的組態(tài)方式有3種，組態(tài)代碼如表1所示，具體含義如表2～4所示。

2.4 數(shù)據(jù)交換

軟件的第四部分為數(shù)據(jù)交換，需要將主站發(fā)給MFC的數(shù)據(jù)，包括流量設(shè)定值、CMD命令讀出并讓MFC執(zhí)行相應(yīng)指令。MFC發(fā)給主站的數(shù)據(jù)包括MFC的真實(shí)流量設(shè)定值、流量檢測(cè)值、溫度、累計(jì)流量值、MFC閥電流值、CMD命令，這些數(shù)據(jù)也需要根據(jù)三種不同的組態(tài)方式發(fā)送給主站。此外還需要處理診斷信息，如果有診斷事件發(fā)生，MFC需要將診斷信息發(fā)送給主站。

表1 CS200 Profibus MFC的3種組態(tài)方式組態(tài)代碼Tab.1 Three kinds of configuration code of CS200 Profibus MFC

表2 CS200 Profibus MFC組態(tài)方式一的定義Tab.2 First kind of configuration mode definition of CS200 Profibus MFC

表3 CS200 Profibus MFC組態(tài)方式二的定義Tab.3 Second kind of configuration mode definition of CS200 Profibus MFC

表4 CS200 Profibus MFC組態(tài)方式三的定義Tab.4 Third kind of configuration mode definition of CS200 Profibus MFC

3 樣機(jī)測(cè)試

基于以上部分硬件和軟件的設(shè)計(jì)，使用Step7軟件對(duì)七星華創(chuàng)CS200 Profibus MFC進(jìn)行測(cè)試。

3.1 MFC組態(tài)及輸入輸出數(shù)據(jù)測(cè)試

當(dāng)將GSD文件拖到總線上時(shí)將彈出如圖5所示的提示對(duì)話框，3種組態(tài)方式任選一種，之后出現(xiàn)如圖6所示的Step7總線示意圖。在3種組態(tài)方式下分別測(cè)試的輸入輸出數(shù)據(jù)如圖7所示，可以看出在3種組態(tài)方式下MFC均可以正常工作。

圖5 提示對(duì)話框Fig5 Prompt dialog box

圖6 Step7總線示意Fig.6 Step7 fieldbus schematic diagram

圖7 三種組態(tài)方式下MFC的輸入輸出數(shù)據(jù)Fig.7 MFC input/output data of three kinds of configuration mode

3.2 參數(shù)化配置測(cè)試

在圖6中雙擊MFC圖標(biāo)，在彈出的屬性對(duì)話框中找到Parameter Assignment選項(xiàng)卡，如圖8所示，此處可以對(duì)MFC的各種參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，編譯下載后由Profibus主站通過(guò)參數(shù)化報(bào)文發(fā)送給MFC。以圖8中圈出的軟啟動(dòng)項(xiàng)為例，將“Softstart selection”設(shè)置為Enabled來(lái)激活軟啟動(dòng)功能，“Softstart data”設(shè)為20，表示每秒流量變化滿量程的20%，然后通過(guò)圖9所示的Profibus變量表分別給出流量設(shè)定信號(hào)20%FS——100%FS——20%FS變化，同時(shí)用CS上位機(jī)軟件監(jiān)控實(shí)際的流量檢測(cè)值如圖10所示，可以看出當(dāng)流量設(shè)定變化時(shí)，實(shí)際流量以每秒滿量程的20%來(lái)變化，軟啟動(dòng)功能工作正常。

圖8 MFC的參數(shù)設(shè)置Fig.8 MFC parameter settings

圖9 MFC的變量表Fig.9 MFC variables table

圖10 MFC軟啟動(dòng)測(cè)試Fig.10 MFC start test

4 結(jié)語(yǔ)

本文以dsPIC30F6012A為MCU，以VPC3+S為Profibus-DP從站專用芯片，設(shè)計(jì)了一種基于Profius-DP現(xiàn)場(chǎng)總線的MFC，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)MFC的安全狀態(tài)、報(bào)警選項(xiàng)、軟啟動(dòng)、瞬時(shí)流量和累計(jì)流量的單位、設(shè)定源和閥控模式等多項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行參數(shù)化配置，并且可以提供由簡(jiǎn)到繁的3種不同從站組態(tài)方式供客戶選擇，方便客戶靈活配置。經(jīng)過(guò)批量產(chǎn)業(yè)化驗(yàn)證，證明七星華創(chuàng)CS200 Profibus MFC是一款可以滿足Profius-DP總線要求的成熟可靠工業(yè)領(lǐng)域流量測(cè)量與控制產(chǎn)品。