ARD3T智能电动机保护器PROFIBUS-DP通讯模块设计原理

赵波1，胡景泰2，李海全3，周佳3

(1.上海安科瑞电气股份有限公司，上海 嘉定，201801;2. 上海电器科学研究所(集团)有限公司，上海 ，200063;3.江苏安科瑞电器制造有限公司，江苏 江阴 214405)

　　摘 要： 本文介绍ARD3T智能电动机保护器的PROFIBUS-DP通讯设计原理，文中介绍了常用PROFIBUS芯片，本设计所选芯片的类型，PROFIBUS模块的硬件原理框图、电源电路、软件流程图、GSD文件等相关设计原理，本文通过力控组态软件与ARD3T进行PROFIBUS连接完成数据读写，通讯成功说明设计的可行性。

　　关键词：ARD3T 电动机保护器 PROFIBUS VPC3

　　ARD3T intelligent motor protection PROFIBUS-DP communication module design principles

　　ZHAO Bo1，HU Jing-tai2，LI Hai-quan3，ZHOU Jia3

　　(1.Shanghai Acrel Co.,Ltd, Shanghai Jiading 201801,China; 2.Shanghai Electrical Apparatus Research Institute(Group) Co.,Ltd, Shanghai 200063,China;3. Jiangsu Acrel Co.,Ltd, Jiangyin 214405,China)

　　Abstract: This article describes the ARD3T intelligent motor protector of PROFIBUS-DP communication design principles, the paper describes the common PROFIBUS chip, the chip selected of this design, PROFIBUS module block diagram of the hardware, power supply circuits, software, flow charts, GSD files and other related design principles , this control by force of PROFIBUS configuration software to connect with ARD3T complete data reading and writing, communication success shows the feasibility of the design.

　　Key words: ARD3T Motor Protector PROFIBUS VPC3

　　中图分类号： 文献标识码： 文章编号：

　　0 引言

　　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。

表1 常用PROFIBUS开发芯片

　　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。

图1 PROFIBUS模块硬件框图

　　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。

 　图2 DC-DC供电电路

　　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。

 　图3 软件流程图

　　2 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。

 　图4 GSD文件

　　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。

 　图5 17words输入数据用户参数

　　图6

  图7

　　在图7中按下停止按钮后，主站向ARD3T发送停止指令，ARD3T控制相应继电器断开，分断电机主回路，电机进入停止状态，运行指示灯灭，三相电流显示变为0，如图8所示。当有故障发生时，ARD3T直接分断接触器，使电机停止运行，主站读取到ARD3T中存储的故障信息，故障指示灯亮，运行灯灭，如图9所示。

　　图8

  图9

　　4 结束语

　　相对于MODBUS 通讯而言，PRFOBUS 通讯存在着诸多优点，比如高通信速率(最高可达12Mbit/s)、实时性、可靠性、易扩展、易维护性等，很多工厂、企业现存的生产控制自动化网络大都采用现场总线控制系统，PROFIBUS 网络是其中应用最多的一种现场总线。

　　本文首先介绍了ARD3T智能电动机保护器PROFIBUS通讯模块的设计原理，给出常用输入、输出数据格式，并对GSD文件进行说明，通过使用CP5512板卡和力控软件做为主站进行PROFIBUS通讯测试，结果表明ARD3T可以很好的实现PROFIBUS通讯。

　　参考文献

　　[1] 王永华，Andy Verwer. 现场总线技术及应有教程[M]——从PROFIBUS到AS-i.北京：机械工业出版社，2006.

　　[2] 吴先伦，曹雪华.PROFIBUS-DP的电能管理及电力检修系统[J].低压电器，2009，14.

　　[3] 张勇，李志刚，刘子婿，李玲玲.基于Profibus-Dp总线电动机保护器的开发[J].河北工业大学学报，2005(10)，3-26.

　　文章来源于：《自动化博览》2011年第10期。