引言

電氣控制系統中隨著PLC的問世，用PLC內部程序（虛擬繼電器）代替實際繼電器控制，已經得到廣泛應用。隨著PLC的不斷發展，控制功能越來越強大，一臺PLC可同時控制幾十臺變頻器，但控制信號的增加，需要大量的控制電纜和顯示裝置。尋求一種更高速度、更低成本、低功耗、高可靠性的控制系統，擺在我們面前。使用PROFIBUS—DP總線技術是目前最好的方法。

1、 PROFIBUS—DP技術應用簡介

PROFIBUS是一種國際化、開放式、不依賴于設備生產商的現場總線標準，非常適合于電氣控制系統。

PROFIBUS通信協議已經在很多領域得到了廣泛應用，但PROFIBUS—DP從站的開發必須符合使用者的要求，所以開發PROFIBUS—DP智能從站越來越受到人們的重視，但由于PROFIBUS協議的復雜和繁瑣性，目前國內大多數廠家使用的PROFI．BUS—DP智能從站產品都是進口的。

2006年北京鼎實有限公司開發的嵌入式PRO—FIBUS總線橋，提供了一個簡單的接口，它廣泛用于變頻器、電機啟動保護裝置、智能高低壓電器、電氣測量裝置、各種變送器、智能現場測量設備及儀表等等。

2 、PROFIBUS—DP技術在石灰窯電氣控制系統改造中的應用

2．1 石灰窯電氣控制系統中使用PROFIBUS—DP

技術的必要性

石灰窯電氣控制系統中，傳統的PLC控制方式見圖1，動力線和控制線都直接接入主控室柜內。由于石灰窯電氣控制系統龐大（例如某鋼廠所用石灰窯PLC控制系統中，數字量用了大約1 500點，模擬量用了大約600個點，變頻器20臺），且電氣設備分散，控制線用量很大，一套300 t石灰窯控制信號電纜的造價約占總電纜金額的40％。

通過加入智能儀表，使用PROFIBUS—DP總線技術（見圖2），一方面由于現場設備使用統一的通信協議，控制器只需用一根通信電纜就將分散的現場設備連接，完成對所有現場設備的監控，從而除去了控制中的傳輸導線，可節約資金30萬。另一方面傳統的電氣控制系統，大捆大捆的傳輸導線需要單獨挖電纜溝或架電纜橋架，給施工帶來很多不便，且對檢修、維修也帶來很大困難。從站的建立，保證了控制的可靠性和維修、改造的方便性。尤其對于現場控制帶來了極大的方便，人們可以在現場根據運行設備的情況，通過智能儀表給PLC和變頻器發布命令，控制電機的啟動、停止、正轉、反轉、調速等。

2．2 從站硬件組成

從站的核心是自行開發的智能儀表，其結構框圖見圖3。

它由兩大部分組成，第1部分是嵌入式PRFI—BUS總線橋；第2部分是用戶產品模板：包括了用戶單片機、數據采集、數據輸出、鍵盤控制、輸出顯示和地址設置6大部分。RS485總線驅動器一側與9針D型插座相連，另一側通過光耦與SPC3相連。

2．2．1 嵌入式PROFIBUS總線橋

PRFIBUS接口部分，采用北京鼎實有限公司開發的嵌入式PRFIBUS總線橋PB—OEM2一SE接口板，其中的CPU使用AT89S52單片機，由于使用Siemens PLC（s7—300）作主站，所以選用Siemens的從站協議芯片SPC3來連接PROFIBUS—DP主站與從站。對AT89S52而言，SPC3相當于它擴展的一個外部RAM，是一個集成有PROFIBUS—DP協議的DP總線橋芯片。

SPC3的內部結構見圖4，SPC3芯片中包括方式寄存器、狀態寄存器、中斷寄存器和各種緩沖器指針和緩沖區；內部含有1．5kB的RAM，帶有11位地址線的并行接口。另外，SPC3內部還集成了1個看門狗計數器，可工作于3種不同的狀態：波特率監測、波特率控制和DP控制。當應用處理器出現故障時，PROFIBUS—DP將被禁止，這樣就不至于危及外圍設備。作為SPC3的心臟，微序列器控制著整個工作過程。在UART中，并行數據流和串行數據流完成交換。

CPU與SPC3的接口電路見圖5，SPC3有內部地址解碼電路，所以，AB8～AB10接地。此時DB7～ DB0是數據地址復用總線，可以產生低8位的數據和地址，高4位地址由AB0～AB3產生，AB4～AB7產生SPC3的片選信號，只有AB4～AB7同時為0時才選中SPC3。

目前，能滿足12Mbps波特率的驅動芯片有SN65ALS176 SN65ALS1176 SN75ASL176、ADM1485、SN65HVD1176等。采用光電隔離主要是為了消除來自外界的干擾，能滿足12Mbps波特率的光耦有HCPL7720、HCPL0720、HCPL7721、HCPL0721、HCPL7710等。另外要求電源也要采取隔離措施，如加變壓器隔離或采用DC—DC模塊。

2．2．2 用戶產品模板部分

其核心部分是一個AT89C51單片機，單片機接口分配電路見圖6。

1）數字量輸入部分（見圖7）

設備（電機）的模擬量采用了RC電路濾波，經光耦隔離，再由施密特觸發器整形，變為數字量輸入CPU。RC電路濾波以減小因觸點機械顫抖而造成的誤操作。為了減小電路板的體積，使總體結構更加美觀和緊湊，還可以采用軟件防顫，同樣可以達到滿意的效果，但程序運行速度減慢了。

2）數字量輸出部分（見圖8）

數字量輸出部分采用了74LS373鎖存器推動電耦，經大功率三極管3DD15輸出。采用74LS563鎖存器的目的，一是74LS373的驅動能力較大，可以直接推動電耦；二是74LS373具有鎖存功能，可以方便地掛在總線上，同時CPU不慎死機跑飛，由看門狗復位時，能保持輸出不變，防止抖動造成的誤動作。

3）鍵盤（見圖9）

DP從站除了為完成基本的數字量輸入／輸出外，還將變頻器的一部分控制參數通過DP傳送給PLC，用于變頻器的現場調試，如正轉、反轉、啟動、停轉及頻率的設定。為了完成多種功能，鍵盤采用典型電路結構，6個鍵盤采用矩陣式排列，且用軟件進行防顫。

4）顯示部分

為了給用戶和調試人員提供一個良好的交互界面，采用點陣式液晶全漢字操作界面，不僅可以清楚了解各個輸入輸出點的詳細情況，而且還可以在現場觀看設備的運行情況，調試變頻器，實現電機的正轉、反轉、啟動、停轉及頻率的設定，不必再跑去操作室。這種可現場調試變頻器的功能，給調試人員帶來極大的方便。

3、 軟件設計

軟件的主體部分是對DP總線橋的讀寫，通過對DP總線橋的讀寫來完成對數據的處理。此接口板專為自主開發PROFIBUS產品的廠家以OEM方式提供PROFIBUS接口。用戶不需要了解PROFIBUS開發技術，不需要購買PROFIBUS開發系統；不需要自己編寫GSD文件，用戶產品的CPU通過串行接口向接口板讀/寫、輸入／輸出數據，接口板自動轉換成PROFIBUS—DP協議與PROFIBUS主站通信。即DP總線橋通過應答方式來對儀表傳送所有數據。

4 、結束語

該項目是專為某鋼廠石灰窯電氣控制系統改造的。改進設計前和改進后300 t石灰窯電氣控制系統部分性能指標變化見表1。按表1初步計算改進設計后石灰窯可節約成本38萬元，同時提高了控制系統的可靠性和控制的方便性，深受用戶歡迎。

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