Profibus2PA現(xiàn)場儀表接口開發(fā)與應用

　　目前,可用于本質(zhì)安全區(qū)域的現(xiàn)場總線設備協(xié)議有HART、FF和Profibus2PA。其中,HART總線只包括物理層協(xié)議; FF是一種高成本的現(xiàn)場總線; Profibus2PA總線系統(tǒng)將過程控制系統(tǒng)與現(xiàn)場設備(如壓力、溫度和液位變送器等)連接起來,代替了4~20mA模擬信號傳輸技術(shù),應用于過程控制的PA儀表是現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)中的關(guān)鍵設備,有著很大的市場需求。

　　1　PA產(chǎn)品開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)

　　1.1　采用IEC61158-2傳輸技術(shù)

　　物理層協(xié)議是網(wǎng)絡中最低層協(xié)議,為鏈路層透明位流傳輸提供所必須遵循的規(guī)則,即物理接口。Profi2bus2PA所執(zhí)行的IEC61158-2標準的傳輸技術(shù)是一種位同步協(xié)議,其傳輸技術(shù)原理是:每段只有一個電源和供電裝置,站發(fā)送信息時不向總線供電,每站現(xiàn)場設備所消耗的為常量穩(wěn)態(tài)基本電流,現(xiàn)場設備的作用如同無源的電流吸收裝置。通信信號采用曼徹斯特編碼,它是通過對基本電流在±9mA范圍內(nèi)進行適當?shù)恼{(diào)制而獲得的。在Profibus2PA系統(tǒng)中,總線上電壓范圍為9~32V,電流范圍為4~40mA,波物率固定為31.25 kbps。在實際系統(tǒng)中所測量的未經(jīng)調(diào)制的發(fā)送信號TXD曼徹斯特編碼波形如圖1中通道2所示。

　　為實現(xiàn)PA設備的總線供電,曼徹斯特編碼與一個18.4V左右的直流電壓經(jīng)調(diào)制后在總線上的波形如圖1中通道1所示。

　　1.2　DP擴展功能

　　Profibus自問世以來,一直在不斷地發(fā)展與完善。對于主站和從站間的循環(huán)數(shù)據(jù)交換通過DP基本功能(版本DP-V0)來規(guī)定。依據(jù)各種應用領域的特殊需求,這些DP基本功能已經(jīng)逐步地進行了擴展,所以現(xiàn)在有3種版本:DP-V0提供DP基本功能,包括主站與從站間循環(huán)的數(shù)據(jù)交換,以及站診斷、模塊診斷和特定通道的診斷;DP-V1包含依據(jù)過程自動化的需求而增加的功能,特別是用于參數(shù)賦值、操作、智能現(xiàn)場設備的可視化和報警處理等非循環(huán)的數(shù)據(jù)通信,從而允許用工程工具在線訪問從站;DP-V2主要包括根據(jù)驅(qū)動技術(shù)的需求而增加的其它功能,解決了從站之間的通信與時間同步等一系列重大的問題。

　　DPV1的優(yōu)越性主要是增加了非循環(huán)服務和擴大了同二類主站的通信。PA產(chǎn)品的開發(fā)作為現(xiàn)場智能儀表至少應實現(xiàn)到DPV1的基本功能,使總線系統(tǒng)能夠利用循環(huán)服務周期地從現(xiàn)場PA儀表接收測量值和狀態(tài)信息,利用非循環(huán)服務對所連接的PA儀表的所有參數(shù)和功能進行訪問。在一個循環(huán)周期內(nèi),交換現(xiàn)場儀表和一類主站動態(tài)信息,多數(shù)信息只傳輸一個動態(tài)值,即每臺儀表每次循環(huán)交換5 Byte有效數(shù)據(jù)。PA段的循環(huán)時間直接與連接儀表的數(shù)量和被傳輸值的數(shù)量有關(guān),對于比較復雜的儀表,循環(huán)時間相應地延長。在執(zhí)行非循環(huán)服務時,每次循環(huán)要為傳輸各種參數(shù)數(shù)據(jù)提供一個時間窗口,這要在網(wǎng)絡組態(tài)時確定。

　　1.3　Profibus2PA設備行規(guī)

　　PA行規(guī)是專為過程自動化制定的行規(guī),采用國際公認的功能塊模型來描述設備功能和參數(shù),支持不同制造商生產(chǎn)的PA現(xiàn)場設備的可互換性和可互操作性。依據(jù)功能塊技術(shù),包括對所有類型現(xiàn)場設備都有效的一般定義和設備數(shù)據(jù)單(如溫度、壓力、液位、流量變送器和定位器等),另外還包括個別設備類型專用信息的設備數(shù)據(jù)單。既適用于只有一個被測變量(單變量)的設備描述,也適用于有若干個被測變量(多變量)的多功能設備描述。

　　一個應用包含若干個功能塊,這些功能塊由設備制造商集成到現(xiàn)場設備中。除了應用專用的功能塊外,還有物理塊(physical block)和轉(zhuǎn)換塊( transducerblock)兩個功能塊供設備專用特性使用。

　　2　可能的實現(xiàn)方案

　　目前支持PA協(xié)議的Profibus從站智能協(xié)議芯片,有西門子的SPC4和DPC31。它們都具有低功耗管理系統(tǒng),因此特別適用于本質(zhì)安全場合,都具有曼徹斯特編碼解碼器,可以通過3線(TXS, RXS, TXE)或2線(TXSD,RXS)方式與調(diào)制解調(diào)器SIM1相連,使傳輸符合IEC61158-2標準,并通過SIM1分離傳輸信號和為整個設備供電的3.3V/5V電源實現(xiàn)總線供電。

　　2.1　SPC4+SIM1+uP

　　SPC4協(xié)議芯片支持DP、DPV1和PA協(xié)議,既可用于DP也可用于PA從站設備中。它可以處理profibus國際標準EN50170所規(guī)定的1~2層協(xié)議,但必須通過8位并行數(shù)據(jù)總線與一個微處理器結(jié)合才能進行工作。由于SPC4僅集成了部分的從站狀態(tài)機,只有數(shù)據(jù)交換和一些輸入緩沖區(qū)(如Read Input,Read Out2put,Diag, Get Config)的處理被集成,而其它報文(如Set Prm,Check Cfg)則要由軟件進行處理,因此需要非常復雜協(xié)議處理軟件。所有數(shù)據(jù)的處理都是采用輪詢列表的方式由軟件實現(xiàn),并要完全遵照協(xié)議要求,其緩沖區(qū)需要動態(tài)分配。為了與報文處理同步, SPC4還必需有一個確定的最小速率。

　　2.2　DPC31+SIM1+uP

　　DPC31協(xié)議芯片主要由SPC3加上更多的RAM和一個集成的8031內(nèi)核組成,支持DP、DPV1和PA協(xié)議。如果將DPC31用于DP從站的設計,由于其集成了8031內(nèi)核,較大的優(yōu)勢就是可大大節(jié)省硬件成本。但在設計中如果采用DPC31,由于PA要涉及到對行規(guī)的處理,要求更為苛刻,需要更大量的原代碼,集成的8031并不能滿足需求,因此還需用戶另外選擇低功耗的微處理器,通過8位并行數(shù)據(jù)總線相連接,比如可以選擇日本三菱公司的M16C62/M16C60?？偩€存取采用硬件驅(qū)動,其串行Profibus接口有同步和異步兩種。異步接口用于Profibus2DP從站,連接時使用帶隔離的RS-485驅(qū)動。同步接口用于Profibus2PA從站,有專門的接收發(fā)送器進行串并行轉(zhuǎn)換,包括曼徹斯特編解碼器和CRC校驗,通過SIM1接入PA系統(tǒng)。

　　2.3　方案評價

　　若要開發(fā)PA設備,采用方案1并不是一個很好的選擇?，F(xiàn)在雖然有TMG2itec公司可提供SPC4的驅(qū)動程序來處理DPV0/DPV1,但價格極為昂貴,并非一般個人或公司能夠承擔;而在方案2中,DPC31完全集成了DP狀態(tài)機,允許采用非常低速的微處理器進行驅(qū)動,也不必象SPC4必須考慮從站最小時間間隔MSI(min slave interval)。其軟件部分可采用西門子的fmi2wareVISL作為驅(qū)動程序,用戶只需要對其接口宏進行操作,并根據(jù)實際需要更改參數(shù),準備向主站發(fā)送循環(huán)、非循環(huán)數(shù)據(jù),處理從主站接收到的數(shù)據(jù)。

　　3　硬件設計

　　利用DPC31設計的且能夠?qū)崿F(xiàn)總線的PA設備接口卡結(jié)構(gòu)如圖2所示。

　　由于本安要求,設計中需要通過SIM1分離出3.3V/5V輸助電源(最大250mW)為整個PA現(xiàn)場儀表供電,因此所有器件均要考慮低功耗。如功耗較大的電源、復位指示燈(發(fā)光二極管)等在實際應用中最后不要出現(xiàn)。從站地址通過撥碼開關(guān)進行設定,注意要與GSD文件一致。模擬量輸入模塊部分采用三線串行SPI接口,可與DPC31通用的同步串行(SSC)接口模塊直接相連,初始化時將對應寄存器正確配置后即可進入正常通信。

　　4　軟件設計

　　在西門子的DP/PA開發(fā)包中盡管提供了DPC31驅(qū)動程序V1SL C原碼,但由于外圍電路的不同,如是否有光電隔離電路、是同步傳輸還是異步傳輸以及外部時鐘值等都需與DPC31中相應的寄存器參數(shù)單元一致,而V1SL原碼與實際的電路可能并不一致,因此用戶還需要在DPC31初始化時更改相應的參數(shù),屏蔽不需要的中斷等。要真正讀懂龐大的V1SL C原碼,對用戶而行,不僅需要對每項程序本身的理解,還需要有對協(xié)議、報文結(jié)構(gòu)、從站狀態(tài)機、資源管理等的深刻理解作為基礎。

　　另外對于非循環(huán)的數(shù)據(jù),考慮到不同制造商之間的可互換性和可互操作性,用戶還需要根據(jù)行規(guī)進行設定,如數(shù)據(jù)的長度、名稱、順序等。在處理與二類主站的非循環(huán)數(shù)據(jù)通信時,每次讀寫數(shù)據(jù)前,二類主站都要發(fā)送一個建立連接的請求(SAP49),為每個SAP(SAP48,..., SAP0)服務建立虛擬的專用通道,服務完成后還要中斷連接。

　　V1SL C原碼主要流程如圖3所示。在V1SL多個頭文件中,定義了許多結(jié)構(gòu)體,如DPC31的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、初始化所需參數(shù)、過程狀態(tài)參數(shù)以及各種用戶數(shù)據(jù)單元等都分別定義了各自的結(jié)構(gòu)體。理解這些結(jié)構(gòu)體變量的含義對于整個程序的理解是至關(guān)重要的,因為在整個程序中所有的硬件接口部分都是經(jīng)過相應的結(jié)構(gòu)體變量間接面向用戶的。

　　5　應用

　　如果系統(tǒng)不需要與二類主站進行非循環(huán)通信,直接用Step7工程工具加載每個PA設備的GSD文件,經(jīng)配置后下載到PLC(如S7-300/S7-400)即可以實現(xiàn)DP的基本功能。依據(jù)過程自動化的需求,有必要利用非循環(huán)服務對所連接PA儀表的所有參數(shù)和功能進行訪問,這就需要另外安裝PDM軟件完成對二類的配置。在工程工具STEP7中,雙擊PA設備的圖標,集成在STEP7中的PDM將會自動運行。在實際應用中,包括了DP和PA設備的完整系統(tǒng)如圖4所示。

　　PA現(xiàn)場設備的被測值和狀態(tài)在控制系統(tǒng)(DPM1)與設備間用快速DP基本功能以高優(yōu)先權(quán)循環(huán)地傳輸,這就保證在自動化系統(tǒng)中總是具有最新的、有效的當前被測值和相關(guān)狀態(tài);另一方面,對于可視化、運行、維護和診斷的設備參數(shù)由工程工具(DPM2)通過C2連接以低優(yōu)先權(quán)非循環(huán)的DP擴展功能傳輸。

　　6　結(jié)束語

　　由于V1SL C原碼程序相當復雜,因此對開發(fā)者而言,必須有足夠的耐心和充分的監(jiān)測手段能夠單步跟蹤,同時觀察主站和從站的狀態(tài)和數(shù)據(jù)的變化。筆者在不斷探索中已經(jīng)開發(fā)出PA接口卡原理型樣機,在用正確的GSD文件通過工程工具進行系統(tǒng)配置后下載到主站PLC,經(jīng)過DP/PA coupler將PA接口卡接入總線系統(tǒng)可與主站實現(xiàn)正確的通信,并實現(xiàn)了總線供電。