ARD3T智能电动机保护器PROFIBUS-DP通讯模块设计

PROFIBUS是一种国际化的、开放的现场总线标准，它是国际标准IEC61158现场总线之一。PROFIBUS可以将从低级（传感器/执行器）到中间级执行级（单元级）的自动化设备分散开来，根据应用特点和用户不同的需要， PROFIBUS提供了3种兼容版本通信协议：FMS 、PA和DP 。在实际应用中，PROFIBUS-DP占到PROFIBUS用量的90%。
　　为适应现场总线的发展应用，电动机保护器需要兼容多种总线协议，在各种系统中正常使用。ARD3T智能电动机保护器可以带有MODUBS、PROFIBUS-DP通讯协议，主体模块带有MODBUS协议，通过PROFIBUS通讯模块实现PROFIBUS DP通讯，在PROFIBUS通讯中ARD3T作为从站使用。
　　1 ARD3T PROFIBUS通讯模块设计原理
　　PROFIBUS通讯模块作为ARD3T接入PROFIBUS总线的桥梁，完成ARD3T内部总线协议和PROFIBUS
　　总线协议内容转换。目前在开发DP从站的常用方案有：（1）采用单片机+PROFIBUS开发芯片；（2）直接使用带有52内核的PROBIBUS芯片。常用的PROFIBUS开发芯片及厂家见表1所示，本文采用的开发方案是：单片机+PROFIBUS开发芯片，协议芯片负责完成数据的转换和收发功能，单片机负责和ARD3T主体通讯，控制VPC3等。选用的协议芯片为VPC3,VPC3可直接替代SIEMENS公司的SPC3芯片，并且支持3.3V、5V电压的工作电压， RAM大等优点，与SPC3相比较更适合本方案使用。
　

PROFIBUS模块硬件框图见图1所示，图1中ARD3T总线包括与PROFIBUS模块进行通讯的内部总线和向ARD3T模块供电的总线电源。PROFIBUS总线电源是通过DC-DC电路的方式将总线电源变为模块所需的工作源，DC-DC芯片使用MC34063，供电电路设计见图2所示。CPU单元负责和ARD3T主体通讯，控制VPC3等。PROFIBUS芯片选用VPC3。

PROFIBUS通讯的物理层为RS485，VPC3芯片本身不带有RS485接口，本设计中通过IL3685芯片实现RS485信号转换。IL3685是单芯片的PROFIBUS隔离收发器，本身带有隔离和RS485收发的功能，隔离电压可达2.5kv，隔离特性等同于常用的PROFIBUS通讯用高速光耦，IL3685具有抗15kv人体静电等功能，此特性能替代常用的RS485芯片。由此可见使用一颗IL3685就可以直接替代原采用光耦+RS485通讯芯片的设计方法，可以简化线路设计，节约开发成本。IL3685可同时支持3.3V和5V供电，而很多高速光耦和RS485芯片只能支持3.3V或5V，并且3.3V的芯片价格远高于5V芯片，IL3685通用性更强，可以简化电路电源部分的设计，在CPU为3.3V供电时更符合设计需求。

CPU单元对负责协调PROFIBUS模块的工作，CPU单元的软件流程图见图3所示。

3 ARD3T GSD文件说明
　　PROFIBUS设备具有不同的性能特点，为达到PROFIBUS简单的即插即用配置，PROFIBUS设备的特性均在电子设备数据库文件（GSD）中具体说明。使用基于GSD的组态工具可将不同厂商生产的设备集成在同一总线系统中。GSD 文件是ASCII 文件， 可以用任何一种ASCII 编辑器编辑，如计事本、UltraEdit 等，也可使用PROFIBUS用户组织提供的编辑程序GSDEdit。
　　在进行PROFIBUS主站组态时，装载GSD文件后，GSD文件内容如图4所示。ARD3T包含16个模块，“2 words principal values”～“17 words principal values”表示输入数据长度为 “2 words” ～“17 words”，组态时输入数据长度为其中任意一组，输出数据为默认模块。

3 PROFIBUS组态实例
　　3.1 力控组态软件介绍
　　本文通过力控组态软件实现PROFIBUS通讯，力控监控组态软件是在自动控制系统监控层一级的软件平台，它能同时和国内外各种工业控制厂家的设备进行网络通讯，它可以与高可靠的工控计算机和网络系统结合，便可以达到集中管理和监控的目的，同时还可以方便的向控制层和管理层提供软、硬件的全部接口，来实现与“第三方”的软、硬件系统来进行集成。
　　力控监控组态软件是对生产数据进行采集与过程控制的专用软件，最大的特点是能以灵活多样的“组态方式”而不是编程方式来进行系统集成，它提供了良好的用户开发界面和简捷的工程实现方法，只要将其预设置的各种软件模块进行简单的“组态”，便可以非常容易地实现和完成监控层的各项功能，缩短了自动化工程师的系统集成的时间，大大提高了集成效率。
　　3.2 PROFIBUS组态过程
　　本文使用CP5512作为主站，通过STEP7进行组态设置。组态前对ARD3T进行PROFIBUS从站设置，将从站地址设置为19（本文测试时从站地址为19），PROFIBUS模块的波特率为自适应，波特率范围“9.6 kbit/s～12000 kbit/s”，所以在从站设置时不必对波特率进行设置。PROFIBUS模块上电后,若要对从站地址进行更改，需要对PROFIBUS模块重新上电，更改的从站地址才能有效（此功能遵循PROFIBUS-DP规约）。
　　设置好ARD3T后，通过STEP7软件进入图4所示的界面，选择“17 words principal values”作为输入数据，输入数据用户参数如图5所示。
　　进入力控软件，建立PROFIBUS通讯，建立电压、电流模拟点用于读取ARD3T测量到的电压、电流数据，建立模拟点用于发送起动、停止、复位、紧急停车等控制命令，在力控中创建图6所示的窗口，并进行变量关联，编写动作命令并编译，进入运行窗口运行程序，如图6所示。
　　按下图6中的起动按钮，通过主站向ARD3T发送起动指令，ARD3T接收到主站命令后控制相应的控制继电器动作，使电机进入运行状态，可以看到三相电流由“0”变为“100”，表明电机主回路已接通进入运行状态，运行指示灯亮，如图7所示。