Profibus2PA现场仪表接口开发与应用

由于其集成了8031内核,较大的优势就是可大大节省硬件成本。但在设计中如果采用DPC31,由于PA要涉及到对行规的处理,要求更为苛刻,需要更大量的原代码,集成的8031并不能满足需求,因此还需用户另外选择低功耗的微处理器,通过8位并行数据总线相连接,比如可以选择日本三菱公司的M16C62/M16C60。总线存取采用硬件驱动,其串行Profibus接口有同步和异步两种。异步接口用于Profibus2DP从站,连接时使用带隔离的RS-485驱动。同步接口用于Profibus2PA从站,有专门的接收发送器进行串并行转换,包括曼彻斯特编解码器和CRC校验,通过SIM1接入PA系统。

2.3　方案评价

若要开发PA设备,采用方案1并不是一个很好的选择。现在虽然有TMG2itec公司可提供SPC4的驱动程序来处理DPV0/DPV1,但价格极为昂贵,并非一般个人或公司能够承担;而在方案2中,DPC31完全集成了DP状态机,允许采用非常低速的微处理器进行驱动,也不必象SPC4必须考虑从站最小时间间隔MSI(min slave interval)。其软件部分可采用西门子的fmi2wareVISL作为驱动程序,用户只需要对其接口宏进行操作,并根据实际需要更改参数,准备向主站发送循环、非循环数据,处理从主站接收到的数据。

3　硬件设计

利用DPC31设计的且能够实现总线的PA设备接口卡结构如图2所示。

由于本安要求,设计中需要通过SIM1分离出3.3V/5V输助电源(最大250mW)为整个PA现场仪表供电,因此所有器件均要考虑低功耗。如功耗较大的电源、复位指示灯(发光二极管)等在实际应用中最后不要出现。从站地址通过拨码开关进行设定,注意要与GSD文件一致。模拟量输入模块部分采用三线串行SPI接口,可与DPC31通用的同步串行(SSC)接口模块直接相连,初始化时将对应寄存器正确配置后即可进入正常通信。

4　软件设计

在西门子的DP/PA开发包中尽管提供了DPC31驱动程序V1SL C原码,但由于外围电路的不同,如是否有光电隔离电路、是同步传输还是异步传输以及外部时钟值等都需与DPC31中相应的寄存器参数单元一致,而V1SL原码与实际的电路可能并不一致,因此用户还需要在DPC31初始化时更改相应的参数,屏蔽不需要的中断等。要真正读懂庞大的V1SL C原码,对用户而行,不仅需要对每项程序本身的理解,还需要有对协议、报文结构、从站状态机、资源管理等的深刻理解作为基础。

另外对于非循环的数据,考虑到不同制造商之间的可互换性和可互操作性,用户还需要根据行规进行设定,如数据的长度、名称、顺序等。在处理与二类主站的非循环数据通信时,每次读写数据前,二类主站都要发送一个建立连接的请求(SAP49),为每个SAP(SAP48,..., SAP0)服务建立虚拟的专用通道,服务完成后还要中断连接。

V1SL C原码主要流程如图3所示。在V1SL多个头文件中,定义了许多结构体,如DPC31的内部结构、初始化所需参数、过程状态参数以及各种用户数据单元等都分别定义了各自的结构体。理解这些结构体变量的含义对于整个程序的理解是至关重要的,因为在整个程序中所有的硬件接口部分都是经过相应的结构体变量间接面向用户的。

5　应用

如果系统不需要与二类主站进行非循环通信,直接用Step7工程工具加载每个PA设备的GSD文件,经配置后下载到PLC(如S7-300/S7-400)即可以实现DP的基本功能。依据过程自动化的需求,有必要利用非循环服务对所连接PA仪表的所有参数和功能进行访问,这就需要另外安装PDM软件完成对二类的配置。在工程工具STEP7中,双击PA设备的图标,集成在STEP7中的PDM将会自动运行。在实际应用中,包括了DP和PA设备的完整系统如图4所示。

PA现场设备的被测值和状态在控制系统(DPM1)与设备间用快速DP基本功能以高优先权循环地传输,这就保证在自动化系统中总是具有最新的、有效的当前被测值和相关状态;另一方面,对于可视化、运行、维护和诊断的设备参数由工程工具(DPM2)通过C2连接以低优先权非循环的DP扩展功能传输。

6　结束语

由于V1SL C原码程序相当复杂,因此对开发者而言,必须有足够的耐心和充分的监测手段能够单步跟踪,同时观察主站和从站的状态和数据的变化。笔者在不断探索中已经开发出PA接口卡原理型样机,在用正确的GSD文件通过工程工具进行系统配置后下载到主站PLC,经过DP/PA coupler将PA接口卡接入总线系统可与主站实现正确的通信,并实现了总线供电。