廣州西門子PLC代理商

軟起動控制器中PROFIBUS-DP通訊接口的硬件設計

??在軟起動控制器的PROFIBUS-DP硬件接口電路設計方案上，采用單片機+ 集成芯片SPC3 + RS485驅動的方案。

??2.1 SPC3簡述

??SPC3（SIEMENS PROFIBUS CONTROLLER）為的智能PROFIBUS-DP從站，集成有PROFIBUS-DP物理層的數據收發功能，可處理PROFIBUS-DP協議。SPC3的內部有RAM、寄存器、狀態寄存器、中斷寄存器以及各種緩沖器指針和緩沖區等。SPC3有8根數據線和11根地址線，其中8根數據線與地址線復用，可以接80C32、80C166、80C196、HC196等單片機。SPC3內部集成了1.5KB的雙口RAM作為SPC3與/程序的接口，能自動9.6K到12M波特率。

??2.2 PROFIBUS-DP通信接口硬件設計

??PIC16F877與PROFIBUS-DP網絡的連接通過一個PROFIBUS-DP網絡的協議芯片SPC3和RS-485驅動電路組成。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口擴展外部存儲器，將SPC3內部的雙口RAM作為自己的外部RAM，通過對雙口RAM的讀寫來完成對SPC3的初始化和有關數據的交換。圖中P1是指用雙PIC16F877設計的軟起動控制器，作為通訊的從站，PIC16F877集成了SPI接口，可以和協議芯片SPC3結合，以及MAX485ESA完成到PROFIBUS-DP總線網絡上的連接。

??圖1 處理器接口電路

??圖2串行總線接口電路

??SPC3芯片通過請求發送（RTS），發送數據（TXD），接收數據（RXD）,通過高速光耦HCPL7720和總線收發器ADM1485相連，構成串行總線接口。如圖2所示，盡管SPC3已經集成了物理層的數據傳輸功能，但它不具備RS-485的驅動接口，因此添置了RS-485的驅動電路。目前能12M波特率的驅動器芯片為數不多，有SN65ALS176，SN75ALS176，ADM1485等，本中選用的是ADM1485。另外為了避免總線上的對電路的影響，在SPC3與RS-485總線驅動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 通訊接口的設計

??PROFIBUS-DP的ASIC芯片SPC3集成了PROFIBUS-DP協議，能夠處理PROFIBUS-DP狀態機構，因此80C32不用參與處理PROFIBUS-DP狀態機。80C32的主要任務是對SPC3進行合理的配置、初始化及對各種報文的處理。

??對SPC3的操作主要包括兩個部分：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的初始化程序應主程序的前面，而中斷處理程序完成CPU對SPC3中斷輸出的響應。 SPC3上電復位之后.在正常工作之前必須進行初始化，以配置各個寄存器。中斷處理程序用于處理SPC3發生的各種事件，這些事件包括新的參數報文事件：全局控制命令報文事件，進入或退出數據交換狀態事件，新的配置報文事件，新的地址設置報文事件，監測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據時會產生輸出標志位，CPU通過在應用循環中輪詢標志位來進行接收主站數據。對于特定應用的診斷信息需要實時傳遞到主站。主應用程序在應用循環中判斷是否有可用的診斷BUF存在一當有空閑BUF時應用程序輸入診斷信息，并請求更新。對于實時性要求嚴格的，應采用中斷進行輸出數據和診斷數據處理。

PLC開關量和模擬量如何轉換
PLC開關量、模擬量轉換，首先要明了三層含義:設備信號層、PLC軟件應用層、PLC內部處理層。
設備層:開關量是通斷信號，模擬量是線性電壓信號或線性電流信號。
PLC軟件應用層:開關量是0、1開關節點以二進制形式存放在PLC內部寄存器中，模擬量是工程量(如255、32767、65535)以16進制形存放在PLC用戶寄存器中。
內部處理層:全部都是從寄存器中調出采取二進制運算。
開關量模擬量轉換在PLC軟件應用層只要利用相關指令(如三菱K1M0等)將開關量二進制轉換成16進制存放在PLC用戶寄存器就可以。
開關量和模擬量的轉換一般都經過保持以及數字化的，比如開關量，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狀態，兩次都讀到才認為開關關閉了，不然認為是干擾，當然干擾也可以用硬件排除干擾，如果施密特觸發器等。
對于模擬量，也是經過量化的，比如0809AD轉換，對于轉換方法，在這里也說不清楚，可以查詢芯片資料，0809芯片有控制轉換引腳，使能引腳，轉換地址等控制引腳，用8051單片機可以控制其轉換，當然，還有高級的單片機，如MSP430，AVR等單片機，更好的轉換芯片，如DSP的STM32系列芯片，是專門的數模轉換芯片。轉換的原理是根據轉換芯片的精度劃分轉換量，如，轉換芯片的位數為8位，再假定轉換的模擬量為5伏電壓，那么還可以把5伏分為256(因為8位芯片只能是2的8次方)等分，這樣就可以算出它的數字量了，反之亦然。
常見的模擬量信號有電壓和電流信號，有輸入信號對設備進行控制的，比如變頻器的調速、氣壓比例閥等，輸出信號多見與各種傳感器和其他輸出設備。它們之間的轉換關系需要參考AD、DA模塊與設備量程來確定。

AD模塊
在模塊端10v模擬量對應4000數字量，按照此關系完成轉換。在設施端例如位置傳感器距離與模擬量電壓信號之間的關系是：200mm量程對應10v模擬量輸出，那里在PLC程序要得到準確的位置，位置與數字量之間的關系就是1mm=20數字量或者1數字量=0.05mm，加入我們檢測了2000的數字量，經過換算就知道位置是100mm。
 
至于開關量與模擬量之間的轉換關系，應該說是模擬量怎么控制開關量，比如說電機轉速超過某值就要關掉電機、溫度大于多少就要終止加熱或小于多少要加熱，此刻我們經過AD模塊監控這些數據，在PLC中進行比較，根據比較結果來輸出相應的開關動作。

4步教你輕松調試PLC控制系統
PLC控制系統
調試工作是檢查PLC控制系統能否滿足控制要求的關鍵工作，是對系統性能的一次客觀、綜合的評價。系統投用前必須經過全系統功能的嚴格調試，直到滿足要求并經有關用戶代表、監理和設計等簽字確認后才能交付使用。調試人員應受過系統的專門培訓，對控制系統的構成、硬件和軟件的使用和操作都比較熟悉。
調試人員在調試時發現的問題，都應及時聯系有關設計人員，在設計人員同意后方可進行修改，修改需做詳細的記錄，修改后的軟件要進行備份。并對調試修改部分做好文檔的整理和歸檔。調試內容主要包括輸入輸出功能、控制邏輯功能、通信功能、處理器性能測試等。
一、輸入輸出回路調試
 
(1)模擬量輸入(AI)回路調試。要仔細核對I0模塊的地址分配;檢查回路供電方式(內供電或外供電)是否與現場儀表相*;用信號發生器在現場端對每個通道加入信號，通常取0、50%或*三點進行檢查。對有報警、聯鎖值的AI回路,還要在報警聯鎖值(如高報、低報和聯鎖點以及精度)進行檢查,確認有關報警、聯鎖狀態的正確性。
(2)模擬量輸出(AO)回路調試。可根據回路控制的要求，用手動輸出(即直接在控制系統中設定)的辦法檢查執行機構(如閥門開度等)，通常也取0、50%或*三點進行檢查;同時通過閉環控制,檢查輸出是否滿足有關要求。對有報警、聯鎖值的AO回路，還要在報警聯鎖值(如高報、低報和聯鎖點以及精度)進行檢查，確認有關報警、聯鎖狀態的正確性。
(3)開關量輸入(DI)回路調試。在相應的現場端短接或斷開,檢查開關量輸入模塊對應通道地址的發光二極管的變化，同時檢查通道的通、斷變化。
(4)開關量輸出(DO)回路調試。可通過PLC系統提供的強制功能對輸出點進行檢查。通過強制,檢查開關量輸出模塊對應通道地址的發光二極管的變化，同時檢查通道的通、斷變化。
 
二、回路調試注意事項
(1)對開關量輸入輸出回路，要注意保持狀態的*性原則，通常采用正邏輯原則，即當輸入輸出帶電時,為“ON”狀態,數據值為“1”;反之，當輸入輸出失電時,為“OFF”狀態，數據值為“0”。這樣，便于理解和維護。
(2)對負載大的開關量輸入輸出模塊應通過繼電器與現場隔離，即現場接點盡量不要直接與輸入輸出模塊連接。
(3)使用PLC提供的強制功能時,要注意在測試完畢后，應還原狀態;在同一時間內，不應對過多的點進行強制操作，以免損壞模塊。
三、控制邏輯功能調試
 
控制邏輯功能調試，需會同設計、工藝代表和項目管理人員共同完成。要應用處理器的測試功能設定輸入條件,根據處理器邏輯檢查輸出狀態的變化是否正確，以確認系統的控制邏輯功能。對所有的聯鎖回路,應模擬聯鎖的工藝條件，仔細檢查聯鎖動作的正確性，并做好調試記錄和會簽確認。
檢查工作是對設計控制程序軟件進行驗收的過程，是調試過程中復雜、技術要求、難度大的一項工作。特別在有技術應用、軟件等情況下，更加要仔細檢查其控制的正確性,應留有一定的操作裕度，同時保證工藝操作的正常運作以及系統的安全性、可靠性和靈活性。
 
四、處理器性能測試
 
處理器性能測試要按照系統說明書的要求進行，確保系統具有說明書描述的功能且穩定可靠，包括系統通信、備用電池和其他特殊模塊的檢查。對有冗余配置的系統必須進行冗余測試。即對冗余設計的部分進行全面的檢查，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，系統應能繼續正常運行，系統無擾動;被斷電的電源加電后能恢復正常。
(2)處理器冗余
切斷主處理器電源或切換主處理器的運行開關，熱備處理器應能自動成為主處理器,系統運行正常，輸出無擾動;被斷電的處理器加電后能恢復正常并處于備用狀態。
(3)I0冗余
選擇互為冗余、地址對應的輸入和輸出點，輸入模塊施加相同的輸入信號,輸出模塊連接狀態指示儀表。分別通斷(或熱插拔，如果允許)冗余輸入模塊和輸出模塊,檢查其狀態是否能保持不變。
(4)通信冗余
可通過切斷其中一個通信模塊的電源或斷開一條網絡，檢查系統能否正常通信和運行;復位后，相應的模塊狀態應自動恢復正常。
冗余測試,要根據設計要求,對一切有冗余設計的模塊都進行冗余檢查。此外,對系統功能的檢查包括系統自檢、文件查找、文件編譯和下裝、維護信息、備份等功能。對較為復雜的PLC系統，系統功能檢查還包括邏輯圖組態、回路組態和特殊I0功能等內容。

PLC中的開關量、模擬量指的是什么
開關量和模擬量是大家學習PLC初期使用多的兩種輸入輸出方式。什么是開關量？什么是模擬量？這個問題有必要弄清楚。
圖1是一個典型能輸出開關量信號的器材。壓力高時C和B兩個觸點閉合接通，輸出壓力高信號，壓力低時C和A兩個觸點閉合接通輸出壓力低信號。有了這樣的信號就完成把就地的壓力信號，遠傳到遠處的電氣控制柜去參加主動遠程控制了，其間C和B是一個開關量，C和A也是一個開關量。所以一個開關觸點就是一個開關量，它的特性是同一時間要么接通要么斷開。接通就是1，代表有有信號，斷開就是0，代表沒有信號。這就是所謂的開關量信號。
壓力表雖然能把壓力信號傳到遠處，但它傳輸的只是有無壓力這樣的信號，無法知道實時壓力值究竟是多少。
PLC
圖2中的器材叫壓力變送器。壓力變送器的內部就是一塊電路板，電路板連接著一個壓力傳感器F。它的作業原理是壓力傳感器F把檢測到的壓力傳到電路板的C，檢測信號進入電路板后，經過電路板的轉化與核算，把這個壓力信號轉化成一個電流信號由A和B這兩個點輸出。圖中右邊就是轉化進程的示意圖，它能夠把一個0-10kpa的壓力信號轉化成一個4-20mA的電流信號，由A和B這兩個點輸出。這時咱們就說A和B這兩個點輸出的就是一個模擬量信號。模擬量信號的特點是它的值是在一個數值范圍內是連續可變的。
下面看一下模擬量信號是如何進行遠距傳輸的。
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，負極串聯一塊萬用表到壓力變送器的A點，并將萬用表打到電流檔。當壓力變送器C點的壓力是5kpa時，萬用表的的電流讀數是12mA。正好是4-20mA的電流信號的中間值，而5kpa也正好是0-10kpa壓力值的中間值。當壓力變送器C點的壓力是10kpa時，萬用表的的電流讀數正好是20mA。這樣0-10kpa壓力值就對應了4-20mA的電流信號值，咱們只要在遠方經過一個接受設備把這個4-20mA的電流信號值提取出來，再經過一定的核算，就能知道就地的壓力值是多少了。
為什么要把壓力信號轉化成4-20mA的電流信號，而不是0-20mA的電流信號或0-10V的電壓信號？
1.0-10V的電壓信號簡單遭到外界的電磁攪擾，特別是電纜長度很長時攪擾更顯著。
2.用0-20mA的電流信號的話，就無法判別在電流信號是0mA時，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，左面是開關量的，右邊是模擬量的，不同的信號類型要接到PLC不同輸入端