0 导言
现在,可用于实质安全区域的现场总线设备协议有HART、FF和Profibus2PA。其间,HART总线只包含物理层协议; FF是一种高本钱的现场总线; Profibus2PA总线体系将进程操控体系与现场设备(如压力、温度和液位变送器等)衔接起来,替代了4~20mA模拟信号传输技能,运用于进程操控的PA外表是现场总线操控体系中的关键设备,有着很大的市场需求。
1 PA产品开发的关键技能
1.1 选用IEC61158-2传输技能
物理层协议是网络中最低层协议,为链路层通明位流传输供给一切必要遵从的规矩,即物理接口。Profi2bus2PA所履行的IEC61158-2规范的传输技能是一种位同步协议,其传输技能原理是:每段只要一个电源和供电设备,站发送信息时不向总线供电,每站现场设备所耗费的为常量稳态根本电流,现场设备的效果好像无源的电流吸收设备。通讯信号选用曼彻斯特编码,它是通过对根本电流在±9mA规模内进行恰当的调制而取得的。在Profibus2PA体系中,总线上电压规模为9~32V,电流规模为4~40mA,波物率固定为31.25 kbps。在实践体系中所丈量的未经调制的发送信号TXD曼彻斯特编码波形如图1中通道2所示。
为完成PA设备的总线供电,曼彻斯特编码与一个18.4V左右的直流电压经调制后在总线上的波形如图1中通道1所示。
1.2 DP扩展功用
Profibus自面世以来,一直在不断地开展与完善。关于主站和从站间的循环数据交流通过DP根本功用(版别DP-V0)来规则。根据各种运用领域的特别需求,这些DP根本功用现已逐渐地进行了扩展,所以现在有3种版别:DP-V0供给DP根本功用,包含主站与从站间循环的数据交流,以及站确诊、模块确诊和特定通道的确诊;DP-V1包含根据进程主动化的需求而添加的功用,特别是用于参数赋值、操作、智能现场设备的可视化和报警处理等非循环的数据通讯,然后答运用工程东西在线拜访从站;DP-V2首要包含根据驱动技能的需求而添加的其它功用,处理了从站之间的通讯与时刻同步等一系列严重的问题。
DPV1的优越性首要是添加了非循环服务和扩展了同二类主站的通讯。PA产品的开发作为现场智能外表至少应完成到DPV1的根本功用,使总线体系可以运用循环服务周期地从现场PA外表接纳丈量值和状况信息,运用非循环服务对所衔接的PA外表的一切参数和功用进行拜访。在一个循环周期内,交流现场外表和一类主站动态信息,大都信息只传输一个动态值,即每台外表每次循环交流5 Byte有用数据。PA段的循环时刻直接与衔接外表的数量和被传输值的数量有关,关于比较杂乱的外表,循环时刻相应地延伸。在履行非循环服务时,每次循环要为传输各种参数数据供给一个时刻窗口,这要在网络组态时确认。
1.3 Profibus2PA设备行规
PA行规是专为进程主动化拟定的行规,选用世界公认的功用块模型来描绘设备功用和参数,支撑不同制造商出产的PA现场设备的可互换性和可互操作性。根据功用块技能,包含对一切类型现场设备都有用的一般界说和设备数据单(如温度、压力、液位、流量变送器和定位器等),别的还包含单个设备类型专用信息的设备数据单。既适用于只要一个被测变量(单变量)的设备描绘,也适用于有若干个被测变量(多变量)的多功用设备描绘。
一个运用包含若干个功用块,这些功用块由设备制造商集成到现场设备中。除了运用专用的功用块外,还有物理块(physical block)和转化块( transducerblock)两个功用块供设备专用特性运用。
2 或许的完成计划
现在支撑PA协议的Profibus从站智能协议芯片,有西门子的SPC4和DPC31。它们都具有低功耗办理体系,因而特别适用于实质安全场合,都具有曼彻斯特编码解码器,可以通过3线(TXS, RXS, TXE)或2线(TXSD,RXS)方法与调制解调器SIM1相连,使传输契合IEC61158-2规范,并通过SIM1别离传输信号和为整个设备供电的3.3V/5V电源完成总线供电。
2.1 SPC4+SIM1+uP
SPC4协议芯片支撑DP、DPV1和PA协议,既可用于DP也可用于PA从站设备中。它可以处理profibus世界规范EN50170所规则的1~2层协议,但有必要通过8位并行数据总线与一个微处理器结合才干进行作业。因为SPC4仅集成了部分的从站状况机,只要数据交流和一些输入缓冲区(如Read Input,Read Out2put,Diag, Get Config)的处理被集成,而其它报文(如Set Prm,Check Cfg)则要由软件进行处理,因而需求十分杂乱协议处理软件。一切数据的处理都是选用轮询列表的方法由软件完成,并要彻底遵循协议要求,其缓冲区需求动态分配。为了与报文处理同步, SPC4还必需有一个确认的最小速率。
2.2 DPC31+SIM1+uP
DPC31协议芯片首要由SPC3加上更多的RAM和一个集成的8031内核组成,支撑DP、DPV1和PA协议。假如将DPC31用于DP从站的规划,因为其集成了8031内核,较大的优势便是可大大节约硬件本钱。但在规划中假如选用DPC31,因为PA要涉及到对行规的处理,要求更为严苛,需求更很多的原代码,集成的8031并不能满意需求,因而还需用户别的挑选低功耗的微处理器,通过8位并行数据总线相衔接,比方可以挑选日本三菱公司的M16C62/M16C60。总线存取选用硬件驱动,其串行Profibus接口有同步和异步两种。异步接口用于Profibus2DP从站,衔接时运用带阻隔的RS-485驱动。同步接口用于Profibus2PA从站,有专门的接纳发送器进行串并行转化,包含曼彻斯特编解码器和CRC校验,通过SIM1接入PA体系。
2.3 计划点评
若要开发PA设备,选用计划1并不是一个很好的挑选。现在虽然有TMG2itec公司可供给SPC4的驱动程序来处理DPV0/DPV1,但价格极为贵重,并非一般个人或公司可以承当;而在计划2中,DPC31彻底集成了DP状况机,答应选用十分低速的微处理器进行驱动,也不用象SPC4有必要考虑从站最小时刻距离MSI(min slave interval)。其软件部分可选用西门子的fmi2wareVISL作为驱动程序,用户只需求对其接口宏进行操作,并根据实践需求更改参数,预备向主站发送循环、非循环数据,处理从主站接纳到的数据。
3 硬件规划
运用DPC31规划的且可以完成总线的PA设备接口卡结构如图2所示。
因为本安要求,规划中需求通过SIM1别离出3.3V/5V输助电源(最大250mW)为整个PA现场外表供电,因而一切器材均要考虑低功耗。如功耗较大的电源、复位指示灯(发光二极管)等在实践运用中最终不要呈现。从站地址通过拨码开关进行设定,留意要与GSD文件共同。模拟量输入模块部分选用三线串行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装备后即可进入正常通讯。
4 软件规划
在西门子的DP/PA开发包中虽然供给了DPC31驱动程序V1SL C原码,但因为外围电路的不同,如是否有光电阻隔电路、是同步传输仍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共同,而V1SL原码与实践的电路或许并不共同,因而用户还需求在DPC31初始化时更改相应的参数,屏蔽不需求的中止等。要真实读懂巨大的V1SL C原码,对用户而行,不只需求对每项程序自身的了解,还需求有对协议、报文结构、从站状况机、资源办理等的深刻了解作为基础。
别的关于非循环的数据,考虑到不同制造商之间的可互换性和可互操作性,用户还需求根据行规进行设定,如数据的长度、称号、次序等。在处理与二类主站的非循环数据通讯时,每次读写数据前,二类主站都要发送一个树立衔接的恳求(SAP49),为每个SAP(SAP48,…, SAP0)服务树立虚拟的专用通道,服务完成后还要中止衔接。
V1SL C原码首要流程如图3所示。在V1SL多个头文件中,界说了许多结构体,如DPC31的内部结构、初始化所需参数、进程状况参数以及各种用户数据单元等都别离界说了各自的结构体。了解这些结构体变量的意义关于整个程序的了解是至关重要的,因为在整个程序中一切的硬件接口部分都是通过相应的结构体变量直接面向用户的。
5 运用
假如体系不需求与二类主站进行非循环通讯,直接用Step7工程东西加载每个PA设备的GSD文件,经装备后下载到PLC(如S7-300/S7-400)即可以完成DP的根本功用。根据进程主动化的需求,有必要运用非循环服务对所衔接PA外表的一切参数和功用进行拜访,这就需求别的装置PDM软件完成对二类的装备。在工程东西STEP7中,双击PA设备的图标,集成在STEP7中的PDM将会主动运转。在实践运用中,包含了DP和PA设备的完好体系如图4所示。
PA现场设备的被测值和状况在操控体系(DPM1)与设备间用快速DP根本功用以高优先权循环地传输,这就确保在主动化体系中总是具有最新的、有用的当时被测值和相关状况;另一方面,关于可视化、运转、保护和确诊的设备参数由工程东西(DPM2)通过C2衔接以低优先权非循环的DP扩展功用传输。
6 结束语
因为V1SL C原码程序适当杂乱,因而对开发者而言,有必要有满足的耐性和充沛的监测手法可以单步盯梢,一起调查主站和从站的状况和数据的改变。笔者在不断探究中现已开宣布PA接口卡原理型样机,在用正确的GSD文件通过工程东西进行体系装备后下载到主站PLC,通过DP/PA coupler将PA接口卡接入总线体系可与主站完成正确的通讯,并完成了总线供电。
