助妇伽时内翻..物曰枷加甸侧匕甸现场总线技术在仪器仪表中的应用研究 APPlieationResearehofFieldbusT6ehnologyinInstrumentsIndustry青岛科技大学自动化与电子工程学院李文涛 LiWentaO摘要:本论文以美国!nte.公司的8OC196微处理器在电压电流测量现场总线仪表中的应用为例,研讨现场总线技术在传统仪器仪表中的应用关键词:现场总线技术仪器仪表8oc196微处理器 现场总线仪表mieroProcessorintheaPPlieationofAbstraet:ThisPaPer怕kingInteleomPany,580e196voltageeurrentmeasurement行eldbusinstrumentforexamPle,tellsthe们eldbusteehnologyintheaPPlieationoftraditionalinstruments. Keywords:FieldbusteehnologyInstrument80e196mieroProeessorFieldbus一instrument [中图分类号]TP336[文献标识码]B文章编号1606一5123(2012)10一0084一051引言随着微电子技术的出现和发展,计算机技术芯片技术的高度发展,代传统的模拟仪表控制系统直接数字控制系统和集散控制系统,并从根本上改变了传统控制系统的结构和控制方式,对自动化产品及控制系统的设计方法也产生了巨大冲击,也为自动化系统的终端用户带来了更大的实惠与方便使得自动化领域中的设备制造控制方式系统集成系统维护等方面发生了深刻的变革,并直接导致了现场总线技术日益成为国内外仪表界的关注焦点现场总线技术作为一种新型的网络集成式全分布控制技术,以其数字化分布式开放性互操作性双向串行传输等优点迅速现场总线这一新技术的产生和发展它的出现,标志着自动化领域的控制系统步入一个新的时代现场总线技术以其鲜明的特性和优点很快进入控制界各个领域国外各大控制设备制造商也相继开发了不同的现场总线,但这些现场总线难以构成统一的规范,这从一定获得了广泛的应用随着现场总线技术的迅猛发展,传统的自动化仪表受到严重挑战,取而代之的将是具有开随着市场需求的急剧增长和包括智能仪表在内的现场总线产品的大量呈现,现场总线技术在工业控制领域将会扮演越来越重要的角色放性的现场总线仪表现场总线仪表具有精度高稳定性好可靠性高抗干扰能力强通讯速率高维护成本低等优点因此,研究现场总线技22技术现场总线的原始设计思想非常简单,就是想用一个开放的可互操作水平上影响了现场总线的推行应用此外,现场总线技术给工业控制领域带来的革新是前所未有的,因为它们改动的不仅是设备系统或者技术,而是人们做事的方法和做事所需要术在传统仪器仪表中的应用具有非常现实的意义的多点的数字通信系统代替已使用很久的4一20mA标准国际权威组织国际电工委员会早在1984年就对现场总线进行了定义定义如下:在生产现场的测量控制设备之间实现双向串行多点数字通2 现场总线概述测量与控制技术通信网络技术的工具2.1概述时至今日,建立在现场总线基础上的现场总线控制系统,正在逐步取84 尸LeaF^!l 氏C&F朴012年10月2信的系统称为现场总线,也被称为控制领域的计算机局域网还增加了运算和控制功能在每台现场总线仪表中都内嵌有PID控制逻辑运算算术运算累加等模块,用户通过组态软件对这些功能模块进行任意调用,以实现参数的现场控制由于现场总线仪表就安装在生产设备附近,使信号传输的距离大大缩短,提高了回路的控制质量,降低了回路的不稳定性现场总线是一直延伸到现场测控设备的通信总线,它使得许多现场设备(如变送器调节阀PLC便携式终端等)与控制室自动化设备可以在同一总线上进行双向多信息数字通信可以说,现场总线是用全数字化双向多变量的通信方式代替了之前普遍使用的4一0mA单变量23)真正的互操作性(现场总线通信方式正在向国际标准化推进,标准化确保了互操作性的实现所谓互操作性是指来自不同厂家的单向模拟传输方式 现场总线控制系统(FCS,FieldControlSystem)是指建立在现场总线基础上的控制系统,是指现场仪表和数字控制系统输入/输出之间的全数字化双向多站的通信系统FCS是一种新型的网络集成式全分布控制系统现场总线作为设备的联系纽带,把挂在总线上的作为智能节点的智能设备连接成网络系统,并通过组态进一步成为控制系统,实现基本控制补偿计算参数修改报警显示监控优化以及测控管一体化的综合自动化功能现场总线控制系统将原来封闭专用的系统变成开放设备可以互相通信,并且可以具有在多种不同的环境中完成任务的能力互操作性使不同厂家的设备可以互相使用,其控制系统的组成是自由的凡是符合现场总线国际通信标准的现场总线设备,不论是哪一家生产的,都可以互相交换信息这样,用户就不必围绕着某一家仪表公司选择设备,控制系统的自由度大大增加,用户能够以最优的性能/价格比构成符合自己要求的控制系统4)多变量测量(标准的系统使得不同制造商的产品可以互连,大大简化系统结构,降低成本,更好地满足了实时性要求,提高了系统运行的可靠性所谓多变量测量是指一台仪表可以同时测量多个过程变量由于每台现场总线仪表内配有多个感测元件,他就可以同时测量多个过程变量,并通过现场总线传输出去(5)高精度和高抗干扰能力由于现场总线仪表的智能化和数字化,与模拟信号相3现场总线仪表现场总线仪表是指至少内置有一个专用的嵌入式微处比,它从根本上提高了测量与控制的精确度,减少了传输误差同时,由于系统的结构简化,设备与连线减少,现场总线内部功能增强,减少了信号的往返传输,提高了系统的工作可靠性此外,由于它的设备标准化,功能模块化,因而还具有设计简单,易于重构等优点(6)高速通信和网络连接理器,并且具有数字计算数字通信等功能的设备它由系统硬件和系统软件组成,新型的现场总线仪表系统不同于以往的仪器仪表系统,它的组成和功能更为复杂,在系统结构数据处理方式和系统的控制方式等方面都有了根本性的改变它在系统编程技术现场总线接入和嵌人式操作系统等方面将仪表应用的功能进一步扩大,使仪表不仅具有自动化测量数据处理和模拟人工智能的功能,而且还具备了远程测量远程下载软件(升级)组态和硬采用双绞线作为串行数据通信总线,把每个测量控制仪表执行器PLC和上级计算机连接成网络系统,构成了全分布式的网络控制系统按照现场总线通信协议,位于工业或工程现场的每个嵌入式传感器测量仪表控制设备专用数据存储设备和远程监控计算机都通过一条现场总线在任意单元之间进行高速数据传输与信息交换(7)系统综合成本低件重构等功能3.1现场总线仪表的特点现场总线仪表与目前广泛使用的现场仪表相比具有以下特点:(l)全数字性现场总线系统的接线十分简单,一对双绞线或一条电缆上通常可挂接多个仪表,因而电缆端子槽盒桥架现场总线作为一种数字式通信网络从控制室一直延伸到生产现场,使过去采用点到点式的模拟量信号传输变为多点一线的串行数字传输数字传送比模拟信号传送的距离远并且可靠性高现场总线仪表的全数字性能使得其结构更加简单,其分辨率测量速度稳定性都比较高2)内嵌控制功能(的用量大大减少由于现场总线仪表具有极性自动识别功能,连线设计与接头校对的工作量也大大减少当需要增加现场总线仪表设备时,无需增设新的电缆,可就近连接在原有的电缆上,既节省了投资,也减少了设计安装的工作量现场总线仪表除了保持传统仪表优良的测量性能外,.2现场总线仪表的硬件结构3 训WW,CA168.COM85柳翻翻晰阳侧.瀚.佃加甸侧脚的 现场总线仪表的硬件结构是完成现场总线仪表任务主要支撑体系现场总线仪表的硬件系统包括传感器信号处理现场总线通信CPU控制存储器液晶显示器cbTaltcbaI侧侧何匹回何电l匕卜i片Li)抽抽Jillll匕罕罕欠欠8仪)1%%劝C322光 JlSP33祸{和,总全戈戈驱一力控制输出接口和电源等几大模块现场总线仪表的一般硬件结构图如图1所示 4现场总线仪表案例设计电压电流测量现场总线仪表硬件结构如图2所示主4.1硬件设计要由以下几个部分组成:数据采集单元数据预处理单元微处理器单元现场总线通信模块存储单元传感器信号转换单元显示单元等鲤!二洲洲曹曹丢二曹丢丢lA1∀JR图2电压电流测量现场总线仪表硬件结构(3)现场总线仪表的存储单元因为SOC196KC内部没有程序存储器(ROM)和只有512字节内部数据存储器(RAM),所以需要在单片(l)现场总线仪表的微处理器单元电压电流测量现场总线仪表采用双CPU处理技术, 两个微处理器分别是soC196和8oC32soez96专注实现对采集进来的电压电流信号和频率信号的数字滤波谐波分析其他相关参数处理及与80C32进行数据交换80C32单片机负责与80C196交换数据LED显示数据存储与PROFIBUS现场总线协议芯片SPC3通信机外部对存储器进行扩展程序存储器选用EPROM,型号为M27C256B,数据存储器选用静态RAM,型号为IS6lC256,地址锁存器选用MC74HC373N4)传感器信号转换单元(在测量交流较高电压和较大电流电路中的各种参数时,常使用仪表用的互感器将高压信号或大电流信号转换成低压信号或小电流信号进行测量,同时起到电气隔离作用(5)现场总线仪表显示单元仪表采用了2组8位LED进行显示,如果采用并行等功能的实现在现有的现场总线标准中,PRoFIBus 模拟信信号处理理l月数模转换换口进行数据传输,则占用的接口多而且连线复杂由于该设计对显示并没有很高的速度要求,因此采用的是串行口数据传输方式,接口芯片采用的是带有高速串行接口的8位LED控制驱动器MAX72196)微处理器与总线通信控制器的连接(INTEL微处理器80c32的主要任务是采集数据完成温度控制,同时组织采集到的现场数据可通过SPC3发给主站,可根据SPC3产生的中断对SPC3接收到的主站数字址联联 数字信信号处理理和接n匕一丈丈 微处理器器图1现场总线仪表的一般硬件结构发出的输出数据转存协议芯片SPC3可以使作为从站的仪表与PROFIBuS一DP现场总线连接,从而使数据能在主站与从站之间传递总线是一种比较流行的现场总线标准,用于控制系统的PROFIBUS一DP现场总线是市场占有率较高的现场总线技术电压电流测量现场总线仪表采用PRoFIBus一DP通信接口,能够连接到PROFIBUS现场总线网络控制系统中.从而得到现场总线仪表的重要功能(2)现场总线通信模块采用的是PROFIBUS标准通信芯片SPC3SPC3协议芯片是SIEMENS公司为优化智能PROFIBUS一DP从站.2软件设计4现场总线仪表硬件结构是软件设计的基础,现场总线仪表系统软件是基于硬件系统基础上实现的从硬件结构的角度出发,软件系统主要由三个部分组成第一部分是仪表的传感器信号处理前端控制软件,它主要由数字处理器来完成执行;第二部分是单片机控制软件,它主要由单片机控制执行第三部分是现场总线通信软件,可以直接利用协议芯片实现,也可以编程实现(1)现场总线仪表控制主程序在现场总线仪表系统中单片机或CPU是系统核心,用来实现主要的控制运算转换和处理任务在电压提供的专用芯片,集成了DP协议中的MAC和FDL两层,能够承担通信部分的微处理器负载,支持PRoFIBus一DP通信协议,可独立完成PROFIBUS一DP通信功能世界上任何采用PROFIBUS标准的软硬件解决方案,原则上都可以在任何微处理器上按协议编程实现,或采用SPC3系列芯片实现电流测量现场总线仪表中,对应的控制主程序是单片机 86(PLC&FA! 代以FA!2012年10月I8OC196主程序单片机80CI%负责对采集进来的电压电流信号和频率信号的数字滤波谐波分析电量参数的 置从一令设\"A刁数翔一c置H一声从支沁一潮深研州游通尉眯据各妇t次一如0毛创琏泽\"除蒯目丈洲,DA喇俨吟l\"r,十矣尽澎圳朔课一址数据.)一糊?浏补寸撇溅啼涵麒 一一置一次采集的通道数数通道数增l通道数见减1处理及与80C32交换数据80C196主程序如图3所示2)仪表传感器信号处理程序(在电压电流测量现场总线仪表中,对应的传感器信号处理程序是A/D转换程序,如图4所示在该程序中, 用8OC196单片机巡回检测各参数,经内部模/数转换器变换后,其七组数据分别存入首地址为8000H8040H8080H80C0H8100H8140H8180H的片外数据存储各通道采样次数减l器内,供数据处理程序调用处理完的数据存放在首地址 调用数据处理子程序序i恢复现场场返回修改存储单元地址址图4NO转换程序为90o0H的片外数据存储器内3)双CPU串口通信子程序(电压电流测量现场总线仪表采用的是双CPU结构,在两个CPU之间交换信息时,就需要考虑两个CPU的速度是否匹配,信号电平信号格式时序是否匹配等80C196发送数据流程如图5所示4)仪表显示处理程序(刀复位硬件看门狗If(oPsZ-poLL_I)ID_DX_oUT()//是否有数据输出刀处理输出数据If(DPSZ_REQUEST_DX_IV_)ID_DX_OUT()//多数现场总线仪表都有参数显示模块,用于实时显示测量的参数和仪表的状态参数显示模块一般可以采用LED或LCD实现仪表显示数据要先由处理器向显示单既中晰服务祖序入口是否主站要求数据输人刀处理输入数据If(user_diag_flag)ID_DX_OUT()//是否有诊断数据 关∀}∀断应应一应诞如兰命画盖丽 设置堆丰封片针针丫J一关寄存器洁零零串行日初始化化刀处理诊断数据<碗>\\-两箭下赢-不赢了~}5结束语把现场总线技术应用于传统的仪器仪表中,形成的现场总线仪表与传统的仪器仪表相比,在功能上发生了飞跃, J卜#},i匆i 4川数据采集r程序ji序调川串日通信J毛程序序图38oC196主程序丫应不仅能够实现传统仪器仪表的功能,而且精度高稳定性好可靠性高抗干扰能力强通讯速率高维护成本低,并且具有开放性实时性双向数字通信等功能,在自动控制领域得到了较广泛的应用现场总线技术在电压电流图580C196发送数据流程测量仪表中的应用表明,现场总线仪表具有高度智能处理水平,测量精度高,通用互换性好,功能强大可变,是未元发出指令,初始化后再传送显示数据因此,现场总线仪表需要有相应的仪表显示处理程序,如图6所示(5)现场总线通信程序来现场仪表和控制设备的发展方向现场总线仪表的总线协议通信程序是仪表功能的重要组成部分,一般可以利用现场总线协议组织提供的标作者简介孟祥忠(1964一)男教授,研究方向为电气控制及电力电子准芯片来实现,如采用SP3实现PROFIBUS协议,采用F3050实现FF协议等为了建立自主产权通信模块,也可以根据标准组织提供的协议文本进行编程实现从站主程序流程如图7所示它的工作过程如下:刀复位SPC3的看门狗李文涛(1987一)男在读硕士,现就读于青岛科技大学自动化与电子工程学院,研究方向为电气控制与仪器仪表参考文献 WWWCA168.COM87 显示处理程序序∃1韩兵,火长跃.现场总线仪表%M].北京:化学工业出版社,2的7(5).]邹益仁,马增良,蒲维,等.现场总线控2[置指针指向显示折存区区制系统的设计和开发∃M].北京:国防工业出版社,2((&j3.1.显小的数据转换幼段码了r弱泪1数扣;?3∋张凤登.现场总线技术与应用∃[M].北京:输日}数扣}到川)∀系绍己科学出版社,2008.调数招移动子程序l1∀甘永梅等.现场总线技术及其应用∃M].北京:机械工业出版社,2以又(5).数据传月讥忆口219∃]任波,乔莉,李环,等.现场总线技术及5女上士,{.夕卜州生诊l匆矛应用∃M(.北京:航空工业出版社,2008(7).I邻宽明现场总线技术应用选编36[[M&.北返回图6仪表显示处理程序图7从站主程序流程京:北京航空航天大学出版社,2005(8),(上接100页)sTRS种叭透择一八月确P旧地眯间以时间表4流且计地址%R只一吸定格误..........................过柑设定位起蛤饭(I昌咯亡代全.用日个班右路姗咖0o遥度俘点翻弓d盆甩通#.O∗240卿哪aPx闹0#7000甲喃转件一曰川甩一l限手六PRoPtD愉目口存器号分毛压力工况澳纽标况流皿浮点型浮点虽钾点型根据口径根据口视心作左l可一∃)之以一卜成,告今效设定位起蛤愧泞昌号码l姐,于.川7个沈,I日 陌斌门蔽斌,1.一WR:本折令所龙佗用的1作翻介吕拐坛兮码.介洛田从#,:川5个邃1#它地厅∋汗,工暇红叮史 二:二L鱼_}匡二巨川}川厂门门一卜菊翔翔{翻}厂下+了勺勺+价刃刃一标哩积流∗盆度压力咖毗 }._]]广门门厂勺勺尸门门一一{阳}厂门厂勺勺爪节节一一工况雄纽标祝滚且标况鹅农珠且浮点型 }.厂勺厂勺}勺l,门}}注释:通过流量计传输过来的压力值和压力设定值进行比较,控制电动执行阀的开度,从而对管道压力进行调节,使压力保持在某一区域里图5泛用PIO指令的应用自:衍定通讯瑙l!,,4通过该通iR埃#1.以ModBus通讯协汉作标脚里栅磷助+翻匡习肠心鲤王缈工娜卿皿O如7标醉筑攀娜倪玛积泥即叫加娜盆(娇况娜和加时积摊遥为压缩砚璐码)如上执行控制一曰八亡,一通讯恨专怕盈招传恤.SR存放通讯性序起始饭介寮折令址作的起始瑰存路.1毛占月&8个组存路卜兀它程邝不胜电女便用.田R一过讯姗误WR成弃控制一八日下酬一通讯完硬 ∃洲.#Jll&#.,..一一 片!!了丫丫r了,l,一刁}}竺口万竺口万注释流量计的参数采用l曰王决鸿浮点物尿佳,并不是以十进制方式来丫料撇勺 图6modbus通讯图7主要画面表3流且计通讯参数卑.似盔486邻005结束语运行过程按照客户要求来执行,比之前用继电器运镇特率丈珍如祠取喧吵−妙撰一 琳如班动停止彝铭瀚石参警动攘缝为式汇p睑炭妒厂通讯协饮一碗d幻咖协1non眼行效果好,现已通过绍兴质监局验收,将会在绍兴地二区推广抽乙dbus丑TUO盆01#血ff参考文献(略)88PLC&FA