摘要：針對印刷機外圍設備分散、數(shù)據(jù)傳輸信息量大、實時性和可靠性要求高等問題，設計了一種基于PROFIBUS-DP協(xié)議的I/O從站，用于BF4250B表格印刷機的分布式控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)由監(jiān)控計算機運行的軟PLC程序，通過PROFIBUS通信卡與現(xiàn)場I/O從站進行通信，形成分布式控制網(wǎng)絡。介紹了分布式控制系統(tǒng)的整體結構、工作原理及特點；分析了PROFIBUS-DP協(xié)議、詳細說明了采用C8051F020和SPC3的開發(fā)I/O從站的硬件電路、軟件設計流程；給出了基于PROFIBUS現(xiàn)場總線的分布式控制系統(tǒng)網(wǎng)絡組態(tài)與調試的方法。經系統(tǒng)測試和實際運行表明，I/O從站與監(jiān)控計算機通信可靠、準確，實時性滿足了印刷機控制系統(tǒng)的要求，具有一定的參考價值和廣闊的應用前景。
關鍵詞：PROFIBUS；軟PLC；印刷機；分布式控制系統(tǒng)；SPC3
0 引言
印刷機由不同的機組構成，通常包括：給紙機組、膠印機組、柔印機組、張力控制機組、折頁機組、裁單張機組，收卷機組等，各機組中存在大量的I/O信號，如何保證外圍設備與控制主機之間的實時通信，使得印刷機可靠運行，目前采用的控制方式主要有2種：1）采用傳統(tǒng)的PLC構成集散型控制系統(tǒng)（DCS）；2）采用基于現(xiàn)場總線的分布式I/O系統(tǒng)。采用前一種方式存在系統(tǒng)不開放、硬件投資大、布線復雜、維修不便的缺點，具有明顯的局限性。而采用第二種方式基本局限于國外產品，如西門子公司的基于PROFIBUS分布式I/O控制系統(tǒng)，WAGO公司基于CANbus、DeviceNET、PROFIBUS分布式I/O控制系統(tǒng)，但價格較高。因此我們設計了基于PROFIBUS現(xiàn)場總線技術與軟PLC的印刷設備分布式控制系統(tǒng)，用自行開發(fā)的PROFIBUS-DP I/O從站代替進口產品用于BF4250B表格印刷機中。
1 印刷機控制系統(tǒng)的整體方案設計
BF4250B表格印刷機的控制系統(tǒng)由內置主站通信適配卡的監(jiān)控計算機和自行開發(fā)的PROFIBUS-DP從站構成，并由PROFIBUS專用電纜連接構成分布式總線網(wǎng)絡，其總體結構如圖1所示。分布在現(xiàn)場的I/O從站連接印刷機組的外圍設備，并通過PROFIBUS總線通信接口與總線網(wǎng)絡相連；監(jiān)控計算機運行軟PLC程序并通過PROFIBUS主站適配卡和連接在總線網(wǎng)絡上的各個I/O從站之間進行實時通信，從而實現(xiàn)整個印刷機組的分布式控制和集中監(jiān)管監(jiān)控功能?？刂葡到y(tǒng)中的監(jiān)控計算機選用的研華公司的工控機（IPC）；軟PLC選用德國3S公司的CoDeSys ；總線適配卡選用的是德國西門子公司的CP5613，用來完成現(xiàn)場總線和監(jiān)控計算機之間的協(xié)議轉換。各個I/O從站之間通過專用屏蔽電纜互聯(lián)構成PROFIBUS總線網(wǎng)絡，總線兩端連接PROFIBUS總線終端器，用來提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性、增強系統(tǒng)的抗干擾能力。
圖1 印刷機分布式控制系統(tǒng)總體結構
2 PROFIBUS I/O從站的設計
PROFIBUS是開放的，與制造廠商無關，無知識產權保護的國際標準（德國標準DIN19245、歐洲標準EN50170 、中國標準GB/T20540-2006），任何組織和個人都可以獲得這個標準并設計各自的軟、硬件解決方案。目前，開發(fā)PROFIBUS-DP從站有兩種方法：1）利用微控制器，通過軟件編程實現(xiàn)PROFIBUS-DP協(xié)議功能；2）利用微控制器，通過專用芯片（ASIC）實現(xiàn)PROFIBUS-DP協(xié)議功能，利用己固化協(xié)議的芯片來實現(xiàn)協(xié)議功能。比較兩種設計方案：第一種方案硬件設計相對較簡單，成本較低，但要求開發(fā)人員透徹了解PROFIBUS-DP的技術細節(jié)，程序編寫工作量較大，開發(fā)周期長，傳輸速率低于500K bit/s。第二種方案利用硬件實現(xiàn)協(xié)議功能，硬件成本有所增加，但可以降低開發(fā)難度、縮短開發(fā)周期，傳輸速率12M bit/s，可靠性高，是目前普遍采用的方法。經綜合考慮，采用第二種方案實現(xiàn)PROFIBUS I/O從站的設計。
2.1 I/O從站的硬件設計
各個印刷機組中有幾個通用的按鈕，分別是準備、點動、運行、停止和急停，方便操作工在各個機組上都可以對整個印刷機進行控制；每個印刷機組都有一部分自己單獨的印刷控制按鈕，只對當前機組有效，其中膠印機組主要有著水輥、著墨輥、合壓、給墨、勻墨和水輥等；柔印機組主要有版輥氣缸、合壓和勻墨等；印刷機組的不同工作狀態(tài)由相應的指示燈顯示；除此之外每個印刷機組I/O還包括控制氣缸的電磁換向閥和行程開關。I/O從站除了滿足印刷機組上述的控制要求外，還要具備PROFIBUS-DP通信接口，因此在硬件設計上采用了模塊化結構，由微控制器C8051F020、協(xié)議的芯片SPC3、以及輸入/輸出接口模塊、通信接口模塊、從站地址設定模塊和電源模塊組成，其整體結構如圖2所示。
圖2 PROFIBUS-DP從站硬件結構圖
2.1.1 微控制器與協(xié)議芯片接口電路設計
微控制器是I/O從站的核心，應能夠通過輸入/輸出接口與印刷機組的現(xiàn)場設備相連，并能夠通過協(xié)議芯片與PROFIBUS主站進行實時通信。經綜合考慮，選擇美國Cygnal公司的C8051F020作為微控制器。它內含CIP-51的CPU內核，其指令系統(tǒng)與MCS-51完全相同，具有64kB片內FLASH程序存儲器、128B的非易失性存儲器。C8051F020的片上資源很豐富，包括：8組I/O端口、A/D和D/A轉換器、多個中斷源、增強型UART、支持JTAG調試功能，能夠滿足單個印刷機組的控制要求。采用這種系統(tǒng)級SOC芯片，在很大程度上減少了外圍元器件的數(shù)量，從而減少了元器件間的走線，有利于提高I/O從站的可靠性和穩(wěn)定性。
協(xié)議的芯片選擇封裝了PROFIBUS-DP協(xié)議的SPC3，其最大傳輸速率可達12Mbps，能夠自動檢測總線上傳輸速率，內部具有1.5K字節(jié)的雙口RAM。SPC3從初始化到正常工作，都由芯片內部集成的狀態(tài)機來控制，不需要微控制器過多干預。SPC3支持所有8位處理機和微處理器，只要按正確方法對SPC3中的寄存器和數(shù)據(jù)區(qū)進行初始化后，對其雙口RAM進行數(shù)據(jù)的讀寫操作即可完成從站與主站間的通信。微控制器C8051F020與協(xié)議芯片SPC3的接口電路設計參考SPC3芯片手冊的標準電路設計完成。
2.1.2 輸入/輸出接口電路設計
每個印刷機組的PROFIBUS I/O從站要求具有16路開關量輸入和16路開關量輸出功能。輸入接口用于連接各種按鈕和行程開關。按鈕的觸點為干接點，氣缸的行程開關和傳感器選用的是PNP型（共源型），工作電壓為直流24V，所以輸入接口電路設計為觸點共源型，即多個開關的公共端連接到24V電源的正極，開關閉合后，電流從開關流入DI光耦（TLP512）接口，經光耦隔離后接入微控制器的輸入端口。輸出接口用于控制各種狀態(tài)指示燈和電磁換向閥，工作電壓均為直流24V。為了和輸入接口保持一致，輸出接口也設計為共源結構。為了提高I/O從站的穩(wěn)定性和抗干擾能力，輸出接口也采用光電耦合器TLP512， 將微控制器C8051F020輸出端口與現(xiàn)場的負載完全隔離。在輸出通道與光電隔離電路之后，還使用輸出驅動芯片UDN2981來增強輸出接口的驅動能力。輸出接口的具體電路設計如圖3 所示。
圖3 PROFIBUS-DP從站輸出接口電路
2.1.3 總線通信接口電路設計
PROFIBUS-DP的數(shù)據(jù)傳輸通過RS-485接口實現(xiàn)，為了消除來自總線的干擾，需要采用了雙路電源供電，對通信信號的輸入/輸出通道進行光電隔離。協(xié)議芯片SPC3的數(shù)據(jù)發(fā)送請求（RTS）、數(shù)據(jù)輸入（RXD）、數(shù)據(jù)輸出（TXD）引腳經隔離后與總線驅動器相連。若采用SPC手冊推薦的電路需要2片HCPL7721隔離TXD、RXD；1片HCPL0601隔離RTS，匹配電阻、電容較多，電路復雜。所以在設計中采用AD公司的ADUM1301芯片，該芯片擁有iCoupler隔離技術，與傳統(tǒng)的光耦器件相比優(yōu)勢非常明顯：完全滿足工業(yè)現(xiàn)場寬范圍的溫度（-40℃~105℃）要求；低功耗；最高可達90Mbps的傳輸速率；可以隔離3路信號，所需的外圍元件少?？偩€驅動器選用PROFIBUS網(wǎng)絡優(yōu)化的RS-485發(fā)送接收器SN75176，其符合EN50170標準，信號傳輸速率高達40 M bit/s，接收器在總線開路、斷路、空閑時有故障安全保護功能。PROFIBUS-DP總線通信接口的電路設計如圖4所示。
圖4 PROFIBUS-DP從站總線通信接口電路
2.2 I/O從站的軟件設計
在PROFIBUS-DP從站設計中，硬件的選擇與電路設計直接影響從站性能的穩(wěn)定和通信速度。I/O從站要完成與主站的通信任務和控制功能，還需要設計相應的配套軟件。由于PROFIBUS-DP協(xié)議的狀態(tài)機集成在SPC3中，使得C8051F020的主要任務在于初始化和啟動SPC3、數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收、診斷事務及中斷事務處理等。
2.2.1 I/O從站的軟件的整體結構
在I/O從站中微控制器C8051F020需要通過SPC3協(xié)議芯片讀入總線上發(fā)來的數(shù)據(jù)并通過總線把數(shù)據(jù)發(fā)送給主站，還需根據(jù)系統(tǒng)要求組織外部診斷和處理中斷任務等。這些功能是通過DPS2固件的不同程序模塊來實現(xiàn)的：1）主程序USERSPC3.c，主要完成SPC3初始化、啟動、發(fā)送和接收數(shù)據(jù)以及診斷功能；2）中斷模塊INTSPC3.c，主要完成分配從站參數(shù)、組態(tài)數(shù)據(jù)檢查和從站地址設定等功能；3）DPS2SPC3.c模塊，主要完成計算數(shù)據(jù)長度、輔助緩沖區(qū)分配、緩沖區(qū)初始化、設置I/O數(shù)據(jù)長度及緩沖區(qū)數(shù)據(jù)更新等功能；4）DPS2USER.h模塊，主要用來定義變量和宏接口，使用戶可以方便訪問SPC3的寄存器。
微控制器C8051F02需要對SPC3進行合理的配置、初始化及對各種總線報文的處理。在初始化SPC3后，啟動SPC3從站開始工作，主程序進入無限循環(huán)。主程序流程如圖5所示。
圖5 I/O從站主程序流程圖 圖6 SPC3初始化流程圖
2.2.2 SPC3的初始化
在SPC3正常工作之前，微控制器需要對其進行初始化以配置所需要的寄存器，SPC3的的初始化流程包括：設置協(xié)議芯片的中斷允許、寫入從站識別號和地址、設置SPC3方式寄存器、設置診斷緩沖區(qū)、參數(shù)緩沖區(qū)、配置緩沖區(qū)、地址緩沖區(qū)、初始化長度，并根據(jù)以上初始值得出各個緩沖區(qū)的指針和輔助緩沖區(qū)的指針。根據(jù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)長度，確定輸出緩沖區(qū)、輸入緩沖區(qū)及指針。SPC3的初始化流程如圖6所示。
由于SPC3內部集成了完整的PROFIBUS-DP協(xié)議，因此用戶不用參與處理PROFIBUS狀態(tài)機制，SPC3可以自主實現(xiàn)從站狀態(tài)機的轉換，同主站進行通信。主站可以讀取SPC3輸入緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)或向輸出緩沖區(qū)內寫入要輸出的數(shù)據(jù)。只有當SPC3進入了數(shù)據(jù)交換狀態(tài)，對其輸入輸出緩沖區(qū)的讀寫才有意義。SPC3處于數(shù)據(jù)交換狀態(tài)時，除了同主站進行輸入輸出數(shù)據(jù)交換外，還可以接收新的參數(shù)化報文、組態(tài)報文、從站地址設置報文以及全局控制命令報文等，這些報文的到來都可以觸發(fā)一個公用的中斷，當中斷到來時應用程序通過讀取SPC3的中斷寄存器來判斷觸發(fā)中斷的原因并進行相應的中斷處理。
2.3 I/O從站的調試
I/O從站電路板焊接完成后，首先需要進行硬件電路的測試，檢查電路是否正常，芯片是否正常工作；然后通過JTAG接口連接仿真器，通過編寫測試程序對C8051F020的外圍電路進行功能檢查。當測試硬件電路達到設計要求后，重要的工作就是軟件的調試工作。調試I/O從站之前必須組建PROFIBUS總線網(wǎng)絡，并在計算機上進行網(wǎng)絡組態(tài)。采用基于PC+軟PLC構成的PROFIBUS-DP一類主站的網(wǎng)絡結構進行調試，總線系統(tǒng)網(wǎng)絡結構如圖1所示。I/O從站的調試分三步進行：第一步用德國WAGO公司的PROFIBUS I/O從站建立一主+一從的總線網(wǎng)絡，編寫PLC測試運行程序，利用RS485-232轉接模塊與串口調試助手軟件監(jiān)測PROFIBUS總線上的報文，并記錄；第二步用自行開發(fā)的I/O從站替換WAGO公司的I/O從站，運行相同PLC測試程序并監(jiān)測總線上的報文，并與第一步監(jiān)測到的報文進行對比、找出不同之處進項分析、修改I/O從站軟件，直到總線上的報文與第一步監(jiān)測到的報文相同；第三步把自行開發(fā)的I/O從站和WAGO公司的I/O從站連接到同一總線網(wǎng)絡中進行兼容性測試。
3 I/O從站在BF4250B表格印刷機中的應用
I/O從站進行兼容性測試后，需要根據(jù)電氣接線圖把印刷機各個機組的現(xiàn)場信號連接到I/O從站的輸入輸出端，印刷機組的I/O外部接線示意圖如圖7所示。每個機組完成現(xiàn)場接線后，再根據(jù)圖1所示的網(wǎng)絡結構用PROFIBUS專用電纜把所有機組的I/O從站和監(jiān)控計算機連接，構成基于PROFIBUS總線的分布式控制系統(tǒng)。監(jiān)控計算機運行德國3S公司的CoDeSys軟PLC軟件，作為PROFIBUS總線網(wǎng)絡的主站（相當于一臺高性能可編程控制器）。分布式控制系統(tǒng)正常工作前還要進行PROFIBUS–DP總線網(wǎng)絡的硬件組態(tài)，其過程包括：1）加載CP5613通信卡建立網(wǎng)絡的主站；2）加載從站設備的GSD文件；3）設置PROFIBUS總線相關參數(shù)（如通信波特率，從站ID號等）；4）組態(tài)整個PROFIBUS–DP總線網(wǎng)絡，將組態(tài)好的信息和編寫好的PLC控制程序下載到軟PLC實時運行環(huán)境RTE中。
圖7 PROFIBUS-DP從站I/O外部接線示意圖
4 結論
（1）基于C8051F020和SPC3的PROFIBUS I/O從站設計方案合理，I/O從站能夠實現(xiàn)與主站之間的正常通信。
（2）自行開發(fā)設計I/O從站能夠應用于基于PROFIBUS現(xiàn)場總線的分布式控制系統(tǒng)中，并能與其它公司的PROFIBUS I/O從站在同一總線網(wǎng)絡中運行，具有很好的兼容性。
（3）基于PROFIBUS現(xiàn)場總線與軟PLC的分布式控制系統(tǒng)在BF4250B表格印刷機上成功試運行表明，所設計的I/O從站能夠滿足印刷設備控制系統(tǒng)的要求。
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