周铁梁1 谢兆清2 陈 超1
1 华电重工股份有限公司上海技术中心 2 武汉理工大学能动学院
摘 要：针对常用的PLC系统实现复杂算法时存在的不足，基于Profibus-DP现场总线和ARM处理器技术，利用VPV3+C协议芯片设计了一种满足Profibus-DP总线协议的可编程智能模块。该专用可编程智能模块能无缝集成到大型设备的现场总线控制系统(FCS)中，通过对模块的程序设计完成系统的复杂算法，实现系统的智能控制。
关键词：现场总线； Profibus-DP； VPC3+C
20世纪90年代初，现场总线(Fieldbus)作为新一代全分布式控制系统的核心技术应运而生，基于现场总线的数字通信成为工业控制的热点。港口大型机械的控制系统采用(Fieldbus Control Sustem，现场总线控制系统)成为必然。在FCS中，PLC系统是实现控制策略的核心，而PLC系统在程序设计的灵活性方面的不足，导致复杂算法实现难度大；PLC软件设计的开放性，导致算法程序加密保护显得不足；其方便的修改性能，导致PLC程序中固定算法变更后现场调试工作量大、周期长、人工费用支出大。因此需要开发一种既能能够实现复杂算法程序设计，也能满足总线协议，可直接挂接到FCS中的可编程智能模块，以满足工业控制的需求。
用于设备级控制系统和分布式I/O的Profibus-DP是市场占有率绝对领先的总线技术，国内工业控制领域的专家学者纷纷尝试开发满足Profibus-DP协议的可编程模块[1-4]，但这些模块多是作为其他控制设备的Profibus-DP通信模块，其本身不完成算法功能，即没有可编程的能力。卢勇研究开发的Profibus-DP从站虽然有程序设计能力，但还没有达到实际应用的模块化要求[5]。笔者基于对Profibus-DP总线在大型港口设备控制系统的应用，开发了一种适用于该总线的可编程智能模块(见图1)。该可编程智能模块既能满足Profibus-DP通信和组态，又能独立编程，同时具备上位机软件算法的下载和监控功能。
图1 现场总线控制系统示意图
该可编程智能模块设计以ARM9为主控制器，STM32F103ZET6为DP从站控制器，VPC3+C为DP协议转换器，模块的结构见图2，包含主控制器ARM9、DP从站单元和DP接口单元3个部分。
图2 可编程智能模块整体结构图
2.1 主控制器ARM9
主控制器单元是可编程智能模块硬件的重要组成部分，负责智能模块的控制算法运行和控制，协调接口单元和上位PC机之间的工作。采用ARM9处理器S3C2440A作为该单元的核心，采用SDRAM和NOR FALSH以及NAND FLASH存储器来处理程序运行时的临时数据以及储存应用程序。S3C2440A 是一款功耗低、功能强大的嵌入式CPU，具USART、以太网、SPI、I2C接口等丰富的接口资源，能够满足主控制单元的开发需求。同时，S3C2440A内部看门狗的使用还可以有效提高硬件系统的抗干扰能力。结合内核精简、源码开放、功能强大的嵌入式Linux操作系统，能够有效地降低系统的开发难度和成本。
主控制器单元采用SPI接口与接口单元完成数据通信，通过串口与上位PC机进行数据交互，网络接口芯片采用TCP/IP协议，完成上位计算控制算法程序的下载，模块运行状况及参数的监控。
2.2 DP从站单元
DP从站单元主要完成与Profibus-DP总线之间的数据交换，设置从站的地址，实现智能模块在Profibus-DP总线系统的组态。主要由STM32和VPC3+C协议芯片构成，选择STM32F103ZET6为控制器，VPC3+C为DP协议转换芯片，由STM32F103ZET6对VPC3+C芯片进行配置，包括对VPC3+C芯片的初始化、数据传输、从站诊断以及中断程序的处理等。
STM32微处理器不但具有很高的运算速度，而且具有丰富的片上资源，采用这种系统级SOC芯片，可以很大程度上减少外围元器件的数量，从而减少元器件间的走线，有利于系统的可靠性和稳定性的提高。
VPC3+C是一款高性能的Profibus-DP协议芯片，可独立完成全部Profibus-DP协议的通信功能。其最大总线传输速率为12 Mbps，可以自动检测并匹配总线上的传输速率。VPC3+C具有多个不同类型的缓冲器，初始化过程中需要向特定的寄存器单元输入参数后，VPC3+C才能正常工作。STM32微处理器通过系统数据、地址总线与VPC3+C相连，两者之间进行并行数据传输。VPC3+C芯片可以将STM32微处理器的并行数据流转换为串行数据流发到DP总线上，同时将从DP总线上收到的串行数据流转换为并行数据流，以中断通知STM32微处理器接受。VPC3+C中的多种中断源可以产生一个公共的中断输出，STM32微处理器可以通过读取中断寄存器来判断VPC3 +C中断的类型，并产生中断响应。STM32微处理器通过对VPC3+C的双口RAM进行数据的读写操作，即可完成从站与主站间的通讯。
2.3 DP接口单元
DP接口单元主要实现智能模块与Profibus-DP总线间的通信驱动、磁隔离等功能。采用ADM2486芯片作总线驱动器，该芯片具备磁隔离和RS485收发器功能，能够减少外部PROFIBUS总线信号对智能模块系统内部电路的干扰。其最高通信速度可达12 Mbps，可以在隔离的状态下保证智能模块与总线系统间的高速可靠通信。ADM- 2486芯片的供电由高效率的DC/DC变换器IB0505LS-1W完成。
根据图2的硬件设计，可编程智能模块的软件设计包含3个部分：DP从站的软件、主控制器ARM9监控软件和GSD文件设计。DP从站中STM32微处理器的主要任务是处理DP主站的数据交换、响应VPC3+C的各种中断、与主控制器ARM9之间的数据交换。DP从站的软件由主程序和中断服务程序2部分组成，主程序主要完成STM32微处理器、SPI接口和VPC3+C芯片的初始化，配置相应的寄存器；中断程序完成智能模块与DP总线的数据的交换。智能模块的GSD文件设计是可编程智能模块软件设计的实现智能模块的硬件组态，将智能模块加载到STEP7中。主控制器ARM9的监控软件设计是核心，以下重点介绍主控制器ARM9的监控软件思想。
主控制器ARM9既要实时监控上位计算机的下载请求，同时还要完成与DP接口单元的数据交换及数据输出。ARM9中移植了Linux实时操作系统，主进程监听上位计算机的下载请求，接收上位计算机的新控制算法后创建子进程。子进程中完成算法处理、数据交换以及数据输出。ARM9算法控制模块主进程流程图见图3。设备控制算法程序在上位计算机中编译完成后，通过以太网接口下载到ARM9控制器当中。设备维护工程师只能调用DP智能模块而不能看到模块中的详细程序，防止设备维护工程师随意对其进行修改。
图3 算法控制模块主进程流程图
上位机的监控软件(图3中客户端)采用QT软件设计，实现复杂的控制算法程序的编辑、编译、下载以及数据监控功能。主控制器ARM9将智能模块的收发数据实时地通过串口传输到上位机，上位机监控软件解析并显示收到的数据。通过串口数据的实时刷新，可以实时监控上位监控软件智能模块数据变化情况。
该可编程智能模块安装在抓斗卸船机控制系统中，并进行了现场测试和实验。该卸船机的PLC系统采用西门子S7-400型PLC(CPU414-2DP)作为主站，智能模块和变频器作为从站，实现对卸船机作业工艺流程的控制。该可编程智能模块安装到卸船机的电气控制柜的PLC导轨上，组态到PLC控制系统后，通过控制卸船机主小车在海侧/陆侧往复运动。测试其Profibus-DP的通信功能与通信速率，验证智能模块中算法程序与整个系统PLC程序的集成。智能模块中运行的是电机转速控制算法，主站向智能模块实时输出目标转速、步长、调节时间等数据后，智能模块实时计算并向DP总线网络中的变频器输入控制数据，实现电机的加速及减速过程。图4为采用纯PLC控制的电机运行曲线与采用智能模块代替部分PLC控制程序后的电机运行曲线，从图4可以看出：智能模块集成到PLC系统后，能实现无缝链接，运行控制算法达到完全相同的效果。
图4 转速变化曲线对比
测试和实验过程中将上位计算机连接到可编程智能模块，可以监视智能模块的数据变化情况。
目前国内关于Profibus的研究仍然处在被动的研究阶段，Profibus现场总线控制系统的设计开发主要依赖于设备生产商提供的设备或模块，较少针对自身的实际需求来设计开发Profibus模块。本文介绍的通过对Profibus现场总线控制系统运行方式、通信协议以及主从站状态机进行充分的研究，设计的Profibus-DP现场总线可编程智能模块，能自适应总线波特率，在完成复杂控制算法的条件下实时与主站进行通信。现场测试和实验显示模块设计和研制达到了实际应用的水平，对推动Profibus现场总线控制系统设备的国产化起到了重要的作用。该可编程智能模块采用ARM9作为核心控制器，可以实现多种复杂的控制算法，为港口大型设备的智能控制系统的设计提供了硬件基础。
参 考 文 献：
[1] 阳宪惠.现场总线技术及其应用[M].北京：清华大学出版社，2002.
[2] 房立镇,程广河,吕国华.基于ARM的PROFIBUS-DP通信模块的研究与设计[J].信息技术与信息化,2010(05):39-40.
[3] 蔡晓炜，钱东敏，鲁聪达.基于ARM的PROFIBUS．DP通讯转换接口的设计[J].机械制造，2009，47(3):27-29.
[4] 宋清昆,林森,冯金超.基于Profibus-DP现场总线通信接口设计[J].现代电子技术,2010,33(11):197-199.
[5] 卢勇.ARM的PROFIBUS-DP智能从站的设计与实现[D].北京：冶金自动化研究设计院，2008.
周铁梁： 200120,上海市浦东新区福山路458号同盛大厦21层
The Design of the Intelligent Programmable Module Based on Profibus-DP
Zhou Tieliang1 Xie Zhaoqing2 Chen Chao1
1 Huadian Heavy Industries co., Ltd. Shanghai Technical Center；2 Schoolof Energy and Power Engineering，Wuhan University of Technology
Abstract：According to the disadvantage that PLC system is insufficient to realize complex intelligent algorithm, based on Profibus-DP field bus and ARM processor technology, using VPC3+C protocol chip, a new intelligent programmable module meetsProfibus-DP bus protocol is proposed. This special intelligent programmable module can seamlessly integrate into the FCS of large equipment to realize system complicated algorithm and intelligent control through the program design of the module.
Key words：field bus; Profibus-DP; VPC3+C
收稿日期：2016-09-27
DOI：10.3963/j.issn.1000-8969.2016.06.019
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