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軟起動(dòng)控制器中PROFIBUS-DP通訊接口的硬件設(shè)計(jì)

??在軟起動(dòng)控制器的PROFIBUS-DP硬件接口電路設(shè)計(jì)方案上，采用單片機(jī)+ 集成芯片SPC3 + RS485驅(qū)動(dòng)的方案。

??2.1 SPC3簡述

??SPC3（SIEMENS PROFIBUS CONTROLLER）為的智能PROFIBUS-DP從站，集成有PROFIBUS-DP物理層的數(shù)據(jù)收發(fā)功能，可處理PROFIBUS-DP協(xié)議。SPC3的內(nèi)部有RAM、寄存器、狀態(tài)寄存器、中斷寄存器以及各種緩沖器指針和緩沖區(qū)等。SPC3有8根數(shù)據(jù)線和11根地址線，其中8根數(shù)據(jù)線與地址線復(fù)用，可以接80C32、80C166、80C196、HC196等單片機(jī)。SPC3內(nèi)部集成了1.5KB的雙口RAM作為SPC3與/程序的接口，能自動(dòng)9.6K到12M波特率。

??2.2 PROFIBUS-DP通信接口硬件設(shè)計(jì)

??PIC16F877與PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)的連接通過一個(gè)PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議芯片SPC3和RS-485驅(qū)動(dòng)電路組成。PROFIBUS-DP接口主要由處理器接口和串行總線接口組成。

??處理器接口電路如圖1示：80C32通過P0口和P2口擴(kuò)展外部存儲(chǔ)器，將SPC3內(nèi)部的雙口RAM作為自己的外部RAM，通過對(duì)雙口RAM的讀寫來完成對(duì)SPC3的初始化和有關(guān)數(shù)據(jù)的交換。圖中P1是指用雙PIC16F877設(shè)計(jì)的軟起動(dòng)控制器，作為通訊的從站，PIC16F877集成了SPI接口，可以和協(xié)議芯片SPC3結(jié)合，以及MAX485ESA完成到PROFIBUS-DP總線網(wǎng)絡(luò)上的連接。

??圖1 處理器接口電路

??圖2串行總線接口電路

??SPC3芯片通過請(qǐng)求發(fā)送（RTS），發(fā)送數(shù)據(jù)（TXD），接收數(shù)據(jù)（RXD）,通過高速光耦HCPL7720和總線收發(fā)器ADM1485相連，構(gòu)成串行總線接口。如圖2所示，盡管SPC3已經(jīng)集成了物理層的數(shù)據(jù)傳輸功能，但它不具備RS-485的驅(qū)動(dòng)接口，因此添置了RS-485的驅(qū)動(dòng)電路。目前能12M波特率的驅(qū)動(dòng)器芯片為數(shù)不多，有SN65ALS176，SN75ALS176，ADM1485等，本中選用的是ADM1485。另外為了避免總線上的對(duì)電路的影響，在SPC3與RS-485總線驅(qū)動(dòng)電路之間采用光電隔離。TXD、RXD的隔離器件選用Hewlett Packar公司的12M高速光耦HCPL7720，RTS的隔離器件選用HCPL0601。

??3 通訊接口的設(shè)計(jì)

??PROFIBUS-DP的ASIC芯片SPC3集成了PROFIBUS-DP協(xié)議，能夠處理PROFIBUS-DP狀態(tài)機(jī)構(gòu)，因此80C32不用參與處理PROFIBUS-DP狀態(tài)機(jī)。80C32的主要任務(wù)是對(duì)SPC3進(jìn)行合理的配置、初始化及對(duì)各種報(bào)文的處理。

??對(duì)SPC3的操作主要包括兩個(gè)部分：SPC3的初始化和SPC3的中斷處理。主程序和中斷程序流程圖分別如圖3和圖4所示。

??圖 3 主程序流程圖 圖4中斷程序流程圖

??SPC3的初始化程序應(yīng)主程序的前面，而中斷處理程序完成CPU對(duì)SPC3中斷輸出的響應(yīng)。 SPC3上電復(fù)位之后.在正常工作之前必須進(jìn)行初始化，以配置各個(gè)寄存器。中斷處理程序用于處理SPC3發(fā)生的各種事件，這些事件包括新的參數(shù)報(bào)文事件：全局控制命令報(bào)文事件，進(jìn)入或退出數(shù)據(jù)交換狀態(tài)事件，新的配置報(bào)文事件，新的地址設(shè)置報(bào)文事件，監(jiān)測(cè)到波特率事件和看門狗溢出事件。SPC3在接收到由PROFIBUS主站傳送的不同輸出數(shù)據(jù)時(shí)會(huì)產(chǎn)生輸出標(biāo)志位，CPU通過在應(yīng)用循環(huán)中輪詢標(biāo)志位來進(jìn)行接收主站數(shù)據(jù)。對(duì)于特定應(yīng)用的診斷信息需要實(shí)時(shí)傳遞到主站。主應(yīng)用程序在應(yīng)用循環(huán)中判斷是否有可用的診斷BUF存在一當(dāng)有空閑BUF時(shí)應(yīng)用程序輸入診斷信息，并請(qǐng)求更新。對(duì)于實(shí)時(shí)性要求嚴(yán)格的，應(yīng)采用中斷進(jìn)行輸出數(shù)據(jù)和診斷數(shù)據(jù)處理。

PLC開關(guān)量和模擬量如何轉(zhuǎn)換
PLC開關(guān)量、模擬量轉(zhuǎn)換，首先要明了三層含義:設(shè)備信號(hào)層、PLC軟件應(yīng)用層、PLC內(nèi)部處理層。
設(shè)備層:開關(guān)量是通斷信號(hào)，模擬量是線性電壓信號(hào)或線性電流信號(hào)。
PLC軟件應(yīng)用層:開關(guān)量是0、1開關(guān)節(jié)點(diǎn)以二進(jìn)制形式存放在PLC內(nèi)部寄存器中，模擬量是工程量(如255、32767、65535)以16進(jìn)制形存放在PLC用戶寄存器中。
內(nèi)部處理層:全部都是從寄存器中調(diào)出采取二進(jìn)制運(yùn)算。
開關(guān)量模擬量轉(zhuǎn)換在PLC軟件應(yīng)用層只要利用相關(guān)指令(如三菱K1M0等)將開關(guān)量二進(jìn)制轉(zhuǎn)換成16進(jìn)制存放在PLC用戶寄存器就可以。
開關(guān)量和模擬量的轉(zhuǎn)換一般都經(jīng)過保持以及數(shù)字化的，比如開關(guān)量，有干擾吧，要排除這種干擾，可以軟件排除干擾，比如隔幾毫秒讀取一次開關(guān)狀態(tài)，兩次都讀到才認(rèn)為開關(guān)關(guān)閉了，不然認(rèn)為是干擾，當(dāng)然干擾也可以用硬件排除干擾，如果施密特觸發(fā)器等。
對(duì)于模擬量，也是經(jīng)過量化的，比如0809AD轉(zhuǎn)換，對(duì)于轉(zhuǎn)換方法，在這里也說不清楚，可以查詢芯片資料，0809芯片有控制轉(zhuǎn)換引腳，使能引腳，轉(zhuǎn)換地址等控制引腳，用8051單片機(jī)可以控制其轉(zhuǎn)換，當(dāng)然，還有高級(jí)的單片機(jī)，如MSP430，AVR等單片機(jī)，更好的轉(zhuǎn)換芯片，如DSP的STM32系列芯片，是專門的數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片。轉(zhuǎn)換的原理是根據(jù)轉(zhuǎn)換芯片的精度劃分轉(zhuǎn)換量，如，轉(zhuǎn)換芯片的位數(shù)為8位，再假定轉(zhuǎn)換的模擬量為5伏電壓，那么還可以把5伏分為256(因?yàn)?位芯片只能是2的8次方)等分，這樣就可以算出它的數(shù)字量了，反之亦然。
常見的模擬量信號(hào)有電壓和電流信號(hào)，有輸入信號(hào)對(duì)設(shè)備進(jìn)行控制的，比如變頻器的調(diào)速、氣壓比例閥等，輸出信號(hào)多見與各種傳感器和其他輸出設(shè)備。它們之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系需要參考AD、DA模塊與設(shè)備量程來確定。

AD模塊
在模塊端10v模擬量對(duì)應(yīng)4000數(shù)字量，按照此關(guān)系完成轉(zhuǎn)換。在設(shè)施端例如位置傳感器距離與模擬量電壓信號(hào)之間的關(guān)系是：200mm量程對(duì)應(yīng)10v模擬量輸出，那里在PLC程序要得到準(zhǔn)確的位置，位置與數(shù)字量之間的關(guān)系就是1mm=20數(shù)字量或者1數(shù)字量=0.05mm，加入我們檢測(cè)了2000的數(shù)字量，經(jīng)過換算就知道位置是100mm。
 
至于開關(guān)量與模擬量之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，應(yīng)該說是模擬量怎么控制開關(guān)量，比如說電機(jī)轉(zhuǎn)速超過某值就要關(guān)掉電機(jī)、溫度大于多少就要終止加熱或小于多少要加熱，此刻我們經(jīng)過AD模塊監(jiān)控這些數(shù)據(jù)，在PLC中進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果來輸出相應(yīng)的開關(guān)動(dòng)作。

4步教你輕松調(diào)試PLC控制系統(tǒng)
PLC控制系統(tǒng)
調(diào)試工作是檢查PLC控制系統(tǒng)能否滿足控制要求的關(guān)鍵工作，是對(duì)系統(tǒng)性能的一次客觀、綜合的評(píng)價(jià)。系統(tǒng)投用前必須經(jīng)過全系統(tǒng)功能的嚴(yán)格調(diào)試，直到滿足要求并經(jīng)有關(guān)用戶代表、監(jiān)理和設(shè)計(jì)等簽字確認(rèn)后才能交付使用。調(diào)試人員應(yīng)受過系統(tǒng)的專門培訓(xùn)，對(duì)控制系統(tǒng)的構(gòu)成、硬件和軟件的使用和操作都比較熟悉。
調(diào)試人員在調(diào)試時(shí)發(fā)現(xiàn)的問題，都應(yīng)及時(shí)聯(lián)系有關(guān)設(shè)計(jì)人員，在設(shè)計(jì)人員同意后方可進(jìn)行修改，修改需做詳細(xì)的記錄，修改后的軟件要進(jìn)行備份。并對(duì)調(diào)試修改部分做好文檔的整理和歸檔。調(diào)試內(nèi)容主要包括輸入輸出功能、控制邏輯功能、通信功能、處理器性能測(cè)試等。
一、輸入輸出回路調(diào)試
 
(1)模擬量輸入(AI)回路調(diào)試。要仔細(xì)核對(duì)I0模塊的地址分配;檢查回路供電方式(內(nèi)供電或外供電)是否與現(xiàn)場(chǎng)儀表相*;用信號(hào)發(fā)生器在現(xiàn)場(chǎng)端對(duì)每個(gè)通道加入信號(hào)，通常取0、50%或*三點(diǎn)進(jìn)行檢查。對(duì)有報(bào)警、聯(lián)鎖值的AI回路,還要在報(bào)警聯(lián)鎖值(如高報(bào)、低報(bào)和聯(lián)鎖點(diǎn)以及精度)進(jìn)行檢查,確認(rèn)有關(guān)報(bào)警、聯(lián)鎖狀態(tài)的正確性。
(2)模擬量輸出(AO)回路調(diào)試。可根據(jù)回路控制的要求，用手動(dòng)輸出(即直接在控制系統(tǒng)中設(shè)定)的辦法檢查執(zhí)行機(jī)構(gòu)(如閥門開度等)，通常也取0、50%或*三點(diǎn)進(jìn)行檢查;同時(shí)通過閉環(huán)控制,檢查輸出是否滿足有關(guān)要求。對(duì)有報(bào)警、聯(lián)鎖值的AO回路，還要在報(bào)警聯(lián)鎖值(如高報(bào)、低報(bào)和聯(lián)鎖點(diǎn)以及精度)進(jìn)行檢查，確認(rèn)有關(guān)報(bào)警、聯(lián)鎖狀態(tài)的正確性。
(3)開關(guān)量輸入(DI)回路調(diào)試。在相應(yīng)的現(xiàn)場(chǎng)端短接或斷開,檢查開關(guān)量輸入模塊對(duì)應(yīng)通道地址的發(fā)光二極管的變化，同時(shí)檢查通道的通、斷變化。
(4)開關(guān)量輸出(DO)回路調(diào)試?？赏ㄟ^PLC系統(tǒng)提供的強(qiáng)制功能對(duì)輸出點(diǎn)進(jìn)行檢查。通過強(qiáng)制,檢查開關(guān)量輸出模塊對(duì)應(yīng)通道地址的發(fā)光二極管的變化，同時(shí)檢查通道的通、斷變化。
 
二、回路調(diào)試注意事項(xiàng)
(1)對(duì)開關(guān)量輸入輸出回路，要注意保持狀態(tài)的*性原則，通常采用正邏輯原則，即當(dāng)輸入輸出帶電時(shí),為“ON"狀態(tài),數(shù)據(jù)值為“1";反之，當(dāng)輸入輸出失電時(shí),為“OFF"狀態(tài)，數(shù)據(jù)值為“0"。這樣，便于理解和維護(hù)。
(2)對(duì)負(fù)載大的開關(guān)量輸入輸出模塊應(yīng)通過繼電器與現(xiàn)場(chǎng)隔離，即現(xiàn)場(chǎng)接點(diǎn)盡量不要直接與輸入輸出模塊連接。
(3)使用PLC提供的強(qiáng)制功能時(shí),要注意在測(cè)試完畢后，應(yīng)還原狀態(tài);在同一時(shí)間內(nèi)，不應(yīng)對(duì)過多的點(diǎn)進(jìn)行強(qiáng)制操作，以免損壞模塊。
三、控制邏輯功能調(diào)試
 
控制邏輯功能調(diào)試，需會(huì)同設(shè)計(jì)、工藝代表和項(xiàng)目管理人員共同完成。要應(yīng)用處理器的測(cè)試功能設(shè)定輸入條件,根據(jù)處理器邏輯檢查輸出狀態(tài)的變化是否正確，以確認(rèn)系統(tǒng)的控制邏輯功能。對(duì)所有的聯(lián)鎖回路,應(yīng)模擬聯(lián)鎖的工藝條件，仔細(xì)檢查聯(lián)鎖動(dòng)作的正確性，并做好調(diào)試記錄和會(huì)簽確認(rèn)。
檢查工作是對(duì)設(shè)計(jì)控制程序軟件進(jìn)行驗(yàn)收的過程，是調(diào)試過程中復(fù)雜、技術(shù)要求、難度大的一項(xiàng)工作。特別在有技術(shù)應(yīng)用、軟件等情況下，更加要仔細(xì)檢查其控制的正確性,應(yīng)留有一定的操作裕度，同時(shí)保證工藝操作的正常運(yùn)作以及系統(tǒng)的安全性、可靠性和靈活性。
 
四、處理器性能測(cè)試
 
處理器性能測(cè)試要按照系統(tǒng)說明書的要求進(jìn)行，確保系統(tǒng)具有說明書描述的功能且穩(wěn)定可靠，包括系統(tǒng)通信、備用電池和其他特殊模塊的檢查。對(duì)有冗余配置的系統(tǒng)必須進(jìn)行冗余測(cè)試。即對(duì)冗余設(shè)計(jì)的部分進(jìn)行全面的檢查，包括電源冗余、處理器冗余、I0冗余和通信冗余等。
(1)電源冗余
切斷其中一路電源，系統(tǒng)應(yīng)能繼續(xù)正常運(yùn)行，系統(tǒng)無擾動(dòng);被斷電的電源加電后能恢復(fù)正常。
(2)處理器冗余
切斷主處理器電源或切換主處理器的運(yùn)行開關(guān)，熱備處理器應(yīng)能自動(dòng)成為主處理器,系統(tǒng)運(yùn)行正常，輸出無擾動(dòng);被斷電的處理器加電后能恢復(fù)正常并處于備用狀態(tài)。
(3)I0冗余
選擇互為冗余、地址對(duì)應(yīng)的輸入和輸出點(diǎn)，輸入模塊施加相同的輸入信號(hào),輸出模塊連接狀態(tài)指示儀表。分別通斷(或熱插拔，如果允許)冗余輸入模塊和輸出模塊,檢查其狀態(tài)是否能保持不變。
(4)通信冗余
可通過切斷其中一個(gè)通信模塊的電源或斷開一條網(wǎng)絡(luò)，檢查系統(tǒng)能否正常通信和運(yùn)行;復(fù)位后，相應(yīng)的模塊狀態(tài)應(yīng)自動(dòng)恢復(fù)正常。
冗余測(cè)試,要根據(jù)設(shè)計(jì)要求,對(duì)一切有冗余設(shè)計(jì)的模塊都進(jìn)行冗余檢查。此外,對(duì)系統(tǒng)功能的檢查包括系統(tǒng)自檢、文件查找、文件編譯和下裝、維護(hù)信息、備份等功能。對(duì)較為復(fù)雜的PLC系統(tǒng)，系統(tǒng)功能檢查還包括邏輯圖組態(tài)、回路組態(tài)和特殊I0功能等內(nèi)容。

PLC中的開關(guān)量、模擬量指的是什么
開關(guān)量和模擬量是大家學(xué)習(xí)PLC初期使用多的兩種輸入輸出方式。什么是開關(guān)量？什么是模擬量？這個(gè)問題有必要弄清楚。
圖1是一個(gè)典型能輸出開關(guān)量信號(hào)的器材。壓力高時(shí)C和B兩個(gè)觸點(diǎn)閉合接通，輸出壓力高信號(hào)，壓力低時(shí)C和A兩個(gè)觸點(diǎn)閉合接通輸出壓力低信號(hào)。有了這樣的信號(hào)就完成把就地的壓力信號(hào)，遠(yuǎn)傳到遠(yuǎn)處的電氣控制柜去參加主動(dòng)遠(yuǎn)程控制了，其間C和B是一個(gè)開關(guān)量，C和A也是一個(gè)開關(guān)量。所以一個(gè)開關(guān)觸點(diǎn)就是一個(gè)開關(guān)量，它的特性是同一時(shí)間要么接通要么斷開。接通就是1，代表有有信號(hào)，斷開就是0，代表沒有信號(hào)。這就是所謂的開關(guān)量信號(hào)。
壓力表雖然能把壓力信號(hào)傳到遠(yuǎn)處，但它傳輸?shù)闹皇怯袩o壓力這樣的信號(hào)，無法知道實(shí)時(shí)壓力值究竟是多少。
PLC
圖2中的器材叫壓力變送器。壓力變送器的內(nèi)部就是一塊電路板，電路板連接著一個(gè)壓力傳感器F。它的作業(yè)原理是壓力傳感器F把檢測(cè)到的壓力傳到電路板的C，檢測(cè)信號(hào)進(jìn)入電路板后，經(jīng)過電路板的轉(zhuǎn)化與核算，把這個(gè)壓力信號(hào)轉(zhuǎn)化成一個(gè)電流信號(hào)由A和B這兩個(gè)點(diǎn)輸出。圖中右邊就是轉(zhuǎn)化進(jìn)程的示意圖，它能夠把一個(gè)0-10kpa的壓力信號(hào)轉(zhuǎn)化成一個(gè)4-20mA的電流信號(hào)，由A和B這兩個(gè)點(diǎn)輸出。這時(shí)咱們就說A和B這兩個(gè)點(diǎn)輸出的就是一個(gè)模擬量信號(hào)。模擬量信號(hào)的特點(diǎn)是它的值是在一個(gè)數(shù)值范圍內(nèi)是連續(xù)可變的。
下面看一下模擬量信號(hào)是如何進(jìn)行遠(yuǎn)距傳輸?shù)摹?br data-filtered="filtered"/>咱們管道上安裝一塊量程為0-10kpa的壓力變送器，電源正極接壓力變送器的B點(diǎn)，負(fù)極串聯(lián)一塊萬用表到壓力變送器的A點(diǎn)，并將萬用表打到電流檔。當(dāng)壓力變送器C點(diǎn)的壓力是5kpa時(shí)，萬用表的的電流讀數(shù)是12mA。正好是4-20mA的電流信號(hào)的中間值，而5kpa也正好是0-10kpa壓力值的中間值。當(dāng)壓力變送器C點(diǎn)的壓力是10kpa時(shí)，萬用表的的電流讀數(shù)正好是20mA。這樣0-10kpa壓力值就對(duì)應(yīng)了4-20mA的電流信號(hào)值，咱們只要在遠(yuǎn)方經(jīng)過一個(gè)接受設(shè)備把這個(gè)4-20mA的電流信號(hào)值提取出來，再經(jīng)過一定的核算，就能知道就地的壓力值是多少了。
為什么要把壓力信號(hào)轉(zhuǎn)化成4-20mA的電流信號(hào)，而不是0-20mA的電流信號(hào)或0-10V的電壓信號(hào)？
1.0-10V的電壓信號(hào)簡單遭到外界的電磁攪擾，特別是電纜長度很長時(shí)攪擾更顯著。
2.用0-20mA的電流信號(hào)的話，就無法判別在電流信號(hào)是0mA時(shí)，究竟是電纜斷線引起的毛病0mA，還是壓力本身就是0kpa而輸出的正常的0mA。
圖4是使用西門子S7-200 PLC讀取壓力變送器壓力值的接線圖例，這是一種基本的使用方法，左面是開關(guān)量的，右邊是模擬量的，不同的信號(hào)類型要接到PLC不同輸入端