ARD3T智能電動機保護器PROFIBUS-DP通訊模塊設計原理
趙波1，胡景泰2，李海全3，周佳3
(1.上海安科瑞電氣股份有限公司，上海 嘉定，201801;2. 上海電器科學研究所(集團)有限公司，上海 ，200063;3.江蘇安科瑞電器制造有限公司，江蘇 江陰 214405)
摘 要： 本文介紹ARD3T智能電動機保護器的PROFIBUS-DP通訊設計原理，文中介紹了常用PROFIBUS芯片，本設計所選芯片的類型，PROFIBUS模塊的硬件原理框圖、電源電路、軟件流程圖、GSD文件等相關設計原理，本文通過力控組態軟件與ARD3T進行PROFIBUS連接完成數據讀寫，通訊成功說明設計的可行性。
關鍵詞：ARD3T 電動機保護器 PROFIBUS VPC3
ARD3T intelligent motor protection PROFIBUS-DP communication module design principles
ZHAO Bo1，HU Jing-tai2，LI Hai-quan3，ZHOU Jia3
(1.Shanghai Acrel Co.,Ltd, Shanghai Jiading 201801,China; 2.Shanghai Electrical Apparatus Research Institute(Group) Co.,Ltd, Shanghai 200063,China;3. Jiangsu Acrel Co.,Ltd, Jiangyin 214405,China)
Abstract: This article describes the ARD3T intelligent motor protector of PROFIBUS-DP communication design principles, the paper describes the common PROFIBUS chip, the chip selected of this design, PROFIBUS module block diagram of the hardware, power supply circuits, software, flow charts, GSD files and other related design principles , this control by force of PROFIBUS configuration software to connect with ARD3T complete data reading and writing, communication success shows the feasibility of the design.
Key words: ARD3T Motor Protector PROFIBUS VPC3
中圖分類號： 文獻標識碼： 文章編號：
0 引言
PROFIBUS是一種國際化的、開放的現場總線標準，它是國際標準IEC61158現場總線之一。PROFIBUS可以將從低級(傳感器/執行器)到中間級執行級(單元級)的自動化設備分散開來，根據應用特點和用戶不同的需要， PROFIBUS提供了3種兼容版本通信協議：FMS 、PA和DP 。在實際應用中，PROFIBUS-DP占到PROFIBUS用量的90%。
為適應現場總線的發展應用，電動機保護器需要兼容多種總線協議，在各種系統中正常使用。ARD3T智能電動機保護器可以帶有MODUBS、PROFIBUS-DP通訊協議，主體模塊帶有MODBUS協議，通過PROFIBUS通訊模塊實現PROFIBUS DP通訊，在PROFIBUS通訊中ARD3T作為從站使用。
1 ARD3T PROFIBUS通訊模塊設計原理
PROFIBUS通訊模塊作為ARD3T接入PROFIBUS總線的橋梁，完成ARD3T內部總線協議和PROFIBUS
總線協議內容轉換。目前在開發DP從站的常用方案有：(1)采用單片機+PROFIBUS開發芯片;(2)直接使用帶有52內核的PROBIBUS芯片。常用的PROFIBUS開發芯片及廠家見表1所示，本文采用的開發方案是：單片機+PROFIBUS開發芯片，協議芯片負責完成數據的轉換和收發功能，單片機負責和ARD3T主體通訊，控制VPC3等。選用的協議芯片為VPC3,VPC3可直接替代SIEMENS公司的SPC3芯片，并且支持3.3V、5V電壓的工作電壓， RAM大等優點，與SPC3相比較更適合本方案使用。
表1 常用PROFIBUS開發芯片
PROFIBUS模塊硬件框圖見圖1所示，圖1中ARD3T總線包括與PROFIBUS模塊進行通訊的內部總線和向ARD3T模塊供電的總線電源。PROFIBUS總線電源是通過DC-DC電路的方式將總線電源變為模塊所需的工作源，DC-DC芯片使用MC34063，供電電路設計見圖2所示。CPU單元負責和ARD3T主體通訊，控制VPC3等。PROFIBUS芯片選用VPC3。
圖1 PROFIBUS模塊硬件框圖
PROFIBUS通訊的物理層為RS485，VPC3芯片本身不帶有RS485接口，本設計中通過IL3685芯片實現RS485信號轉換。IL3685是單芯片的PROFIBUS隔離收發器，本身帶有隔離和RS485收發的功能，隔離電壓可達2.5kv，隔離特性等同于常用的PROFIBUS通訊用高速光耦，IL3685具有抗15kv人體靜電等功能，此特性能替代常用的RS485芯片。由此可見使用一顆IL3685就可以直接替代原采用光耦+RS485通訊芯片的設計方法，可以簡化線路設計，節約開發成本。IL3685可同時支持3.3V和5V供電，而很多高速光耦和RS485芯片只能支持3.3V或5V，并且3.3V的芯片價格遠高于5V芯片，IL3685通用性更強，可以簡化電路電源部分的設計，在CPU為3.3V供電時更符合設計需求。
圖2 DC-DC供電電路
CPU單元對負責協調PROFIBUS模塊的工作，CPU單元的軟件流程圖見圖3所示。
圖3 軟件流程圖
2 ARD3T GSD文件說明
PROFIBUS設備具有不同的性能特點，為達到PROFIBUS簡單的即插即用配置，PROFIBUS設備的特性均在電子設備數據庫文件(GSD)中具體說明。使用基于GSD的組態工具可將不同廠商生產的設備集成在同一總線系統中。GSD 文件是ASCII 文件， 可以用任何一種ASCII 編輯器編輯，如計事本、UltraEdit 等，也可使用PROFIBUS用戶組織提供的編輯程序GSDEdit。
在進行PROFIBUS主站組態時，裝載GSD文件后，GSD文件內容如圖4所示。ARD3T包含16個模塊，“2 words principal values”～“17 words principal values”表示輸入數據長度為 “2 words” ～“17 words”，組態時輸入數據長度為其中任意一組，輸出數據為默認模塊。
圖4 GSD文件
3 PROFIBUS組態實例
3.1 力控組態軟件介紹
本文通過力控組態軟件實現PROFIBUS通訊，力控監控組態軟件是在自動控制系統監控層一級的軟件平臺，它能同時和國內外各種工業控制廠家的設備進行網絡通訊，它可以與高可靠的工控計算機和網絡系統結合，便可以達到集中管理和監控的目的，同時還可以方便的向控制層和管理層提供軟、硬件的全部接口，來實現與“第三方”的軟、硬件系統來進行集成。
力控監控組態軟件是對生產數據進行采集與過程控制的專用軟件，最大的特點是能以靈活多樣的“組態方式”而不是編程方式來進行系統集成，它提供了良好的用戶開發界面和簡捷的工程實現方法，只要將其預設置的各種軟件模塊進行簡單的“組態”，便可以非常容易地實現和完成監控層的各項功能，縮短了自動化工程師的系統集成的時間，大大提高了集成效率。
3.2 PROFIBUS組態過程
本文使用CP5512作為主站，通過STEP7進行組態設置。組態前對ARD3T進行PROFIBUS從站設置，將從站地址設置為19(本文測試時從站地址為19)，PROFIBUS模塊的波特率為自適應，波特率范圍“9.6 kbit/s～12000 kbit/s”，所以在從站設置時不必對波特率進行設置。PROFIBUS模塊上電后,若要對從站地址進行更改，需要對PROFIBUS模塊重新上電，更改的從站地址才能有效(此功能遵循PROFIBUS-DP規約)。
設置好ARD3T后，通過STEP7軟件進入圖4所示的界面，選擇“17 words principal values”作為輸入數據，輸入數據用戶參數如圖5所示。
進入力控軟件，建立PROFIBUS通訊，建立電壓、電流模擬點用于讀取ARD3T測量到的電壓、電流數據，建立模擬點用于發送起動、停止、復位、緊急停車等控制命令，在力控中創建圖6所示的窗口，并進行變量關聯，編寫動作命令并編譯，進入運行窗口運行程序，如圖6所示。
按下圖6中的起動按鈕，通過主站向ARD3T發送起動指令，ARD3T接收到主站命令后控制相應的控制繼電器動作，使電機進入運行狀態，可以看到三相電流由“0”變為“100”，表明電機主回路已接通進入運行狀態，運行指示燈亮，如圖7所示。
圖5 17words輸入數據用戶參數
圖6
圖7
在圖7中按下停止按鈕后，主站向ARD3T發送停止指令，ARD3T控制相應繼電器斷開，分斷電機主回路，電機進入停止狀態，運行指示燈滅，三相電流顯示變為0，如圖8所示。當有故障發生時，ARD3T直接分斷接觸器，使電機停止運行，主站讀取到ARD3T中存儲的故障信息，故障指示燈亮，運行燈滅，如圖9所示。
圖8
圖9
4 結束語
相對于MODBUS 通訊而言，PRFOBUS 通訊存在著諸多優點，比如高通信速率(最高可達12Mbit/s)、實時性、可靠性、易擴展、易維護性等，很多工廠、企業現存的生產控制自動化網絡大都采用現場總線控制系統，PROFIBUS 網絡是其中應用最多的一種現場總線。
本文首先介紹了ARD3T智能電動機保護器PROFIBUS通訊模塊的設計原理，給出常用輸入、輸出數據格式，并對GSD文件進行說明，通過使用CP5512板卡和力控軟件做為主站進行PROFIBUS通訊測試，結果表明ARD3T可以很好的實現PROFIBUS通訊。
參考文獻
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[3] 張勇，李志剛，劉子婿，李玲玲.基于Profibus-Dp總線電動機保護器的開發[J].河北工業大學學報，2005(10)，3-26.
文章來源于：《自動化博覽》2011年第10期。
作者簡介：
趙 波(1982-)，男，黑龍江省，本科，工程師,上海安科瑞電氣股份有限公司，主要從事電動機控制器的設計與應用; Email:423647716@qq.com 手機：15827180236 QQ:423647716
