Profibus2PA现场仪表接口开发与应用

　　目前,可用于本质安全区域的现场总线设备协议有HART、FF和Profibus2PA。其中,HART总线只包括物理层协议; FF是一种高成本的现场总线; Profibus2PA总线系统将过程控制系统与现场设备(如压力、温度和液位变送器等)连接起来,代替了4~20mA模拟信号传输技术,应用于过程控制的PA仪表是现场总线控制系统中的关键设备,有着很大的市场需求。

　　1　PA产品开发的关键技术

　　1.1　采用IEC61158-2传输技术

　　物理层协议是网络中最低层协议,为链路层透明位流传输提供所必须遵循的规则,即物理接口。Profi2bus2PA所执行的IEC61158-2标准的传输技术是一种位同步协议,其传输技术原理是:每段只有一个电源和供电装置,站发送信息时不向总线供电,每站现场设备所消耗的为常量稳态基本电流,现场设备的作用如同无源的电流吸收装置。通信信号采用曼彻斯特编码,它是通过对基本电流在±9mA范围内进行适当的调制而获得的。在Profibus2PA系统中,总线上电压范围为9~32V,电流范围为4~40mA,波物率固定为31.25 kbps。在实际系统中所测量的未经调制的发送信号TXD曼彻斯特编码波形如图1中通道2所示。

　　为实现PA设备的总线供电,曼彻斯特编码与一个18.4V左右的直流电压经调制后在总线上的波形如图1中通道1所示。

　　1.2　DP扩展功能

　　Profibus自问世以来,一直在不断地发展与完善。对于主站和从站间的循环数据交换通过DP基本功能(版本DP-V0)来规定。依据各种应用领域的特殊需求,这些DP基本功能已经逐步地进行了扩展,所以现在有3种版本:DP-V0提供DP基本功能,包括主站与从站间循环的数据交换,以及站诊断、模块诊断和特定通道的诊断;DP-V1包含依据过程自动化的需求而增加的功能,特别是用于参数赋值、操作、智能现场设备的可视化和报警处理等非循环的数据通信,从而允许用工程工具在线访问从站;DP-V2主要包括根据驱动技术的需求而增加的其它功能,解决了从站之间的通信与时间同步等一系列重大的问题。

　　DPV1的优越性主要是增加了非循环服务和扩大了同二类主站的通信。PA产品的开发作为现场智能仪表至少应实现到DPV1的基本功能,使总线系统能够利用循环服务周期地从现场PA仪表接收测量值和状态信息,利用非循环服务对所连接的PA仪表的所有参数和功能进行访问。在一个循环周期内,交换现场仪表和一类主站动态信息,多数信息只传输一个动态值,即每台仪表每次循环交换5 Byte有效数据。PA段的循环时间直接与连接仪表的数量和被传输值的数量有关,对于比较复杂的仪表,循环时间相应地延长。在执行非循环服务时,每次循环要为传输各种参数数据提供一个时间窗口,这要在网络组态时确定。

　　1.3　Profibus2PA设备行规

　　PA行规是专为过程自动化制定的行规,采用国际公认的功能块模型来描述设备功能和参数,支持不同制造商生产的PA现场设备的可互换性和可互操作性。依据功能块技术,包括对所有类型现场设备都有效的一般定义和设备数据单(如温度、压力、液位、流量变送器和定位器等),另外还包括个别设备类型专用信息的设备数据单。既适用于只有一个被测变量(单变量)的设备描述,也适用于有若干个被测变量(多变量)的多功能设备描述。

　　一个应用包含若干个功能块,这些功能块由设备制造商集成到现场设备中。除了应用专用的功能块外,还有物理块(physical block)和转换块( transducerblock)两个功能块供设备专用特性使用。

　　2　可能的实现方案

　　目前支持PA协议的Profibus从站智能协议芯片,有西门子的SPC4和DPC31。它们都具有低功耗管理系统,因此特别适用于本质安全场合,都具有曼彻斯特编码解码器,可以通过3线(TXS, RXS, TXE)或2线(TXSD,RXS)方式与调制解调器SIM1相连,使传输符合IEC61158-2标准,并通过SIM1分离传输信号和为整个设备供电的3.3V/5V电源实现总线供电。

　　2.1　SPC4+SIM1+uP

　　SPC4协议芯片支持DP、DPV1和PA协议,既可用于DP也可用于PA从站设备中。它可以处理profibus国际标准EN50170所规定的1~2层协议,但必须通过8位并行数据总线与一个微处理器结合才能进行工作。由于SPC4仅集成了部分的从站状态机,只有数据交换和一些输入缓冲区(如Read Input,Read Out2put,Diag, Get Config)的处理被集成,而其它报文(如Set Prm,Check Cfg)则要由软件进行处理,因此需要非常复杂协议处理软件。所有数据的处理都是采用轮询列表的方式由软件实现,并要完全遵照协议要求,其缓冲区需要动态分配。为了与报文处理同步, SPC4还必需有一个确定的最小速率。

　　2.2　DPC31+SIM1+uP

　　DPC31协议芯片主要由SPC3加上更多的RAM和一个集成的8031内核组成,支持DP、DPV1和PA协议。如果将DPC31用于DP从站的设计,由于其集成了8031内核,较大的优势就是可大大节省硬件成本。但在设计中如果采用DPC31,由于PA要涉及到对行规的处理,要求更为苛刻,需要更大量的原代码,集成的8031并不能满足需求,因此还需用户另外选择低功耗的微处理器,通过8位并行数据总线相连接,比如可以选择日本三菱公司的M16C62/M16C60。总线存取采用硬件驱动,其串行Profibus接口有同步和异步两种。异步接口用于Profibus2DP从站,连接时使用带隔离的RS-485驱动。同步接口用于Profibus2PA从站,有专门的接收发送器进行串并行转换,包括曼彻斯特编解码器和CRC校验,通过SIM1接入PA系统。

　　2.3　方案评价

　　若要开发PA设备,采用方案1并不是一个很好的选择。现在虽然有TMG2itec公司可提供SPC4的驱动程序来处理DPV0/DPV1,但价格极为昂贵,并非一般个人或公司能够承担;而在方案2中,DPC31完全集成了DP状态机,允许采用非常低速的微处理器进行驱动,也不必象SPC4必须考虑从站最小时间间隔MSI(min slave interval)。其软件部分可采用西门子的fmi2wareVISL作为驱动程序,用户只需要对其接口宏进行操作,并根据实际需要更改参数,准备向主站发送循环、非循环数据,处理从主站接收到的数据。

　　3　硬件设计

　　利用DPC31设计的且能够实现总线的PA设备接口卡结构如图2所示。

　　由于本安要求,设计中需要通过SIM1分离出3.3V/5V输助电源(最大250mW)为整个PA现场仪表供电,因此所有器件均要考虑低功耗。如功耗较大的电源、复位指示灯(发光二极管)等在实际应用中最后不要出现。从站地址通过拨码开关进行设定,注意要与GSD文件一致。模拟量输入模块部分采用三线串行SPI接口,可与DPC31通用的同步串行(SSC)接口模块直接相连,初始化时将对应寄存器正确配置后即可进入正常通信。

　　4　软件设计

　　在西门子的DP/PA开发包中尽管提供了DPC31驱动程序V1SL C原码,但由于外围电路的不同,如是否有光电隔离电路、是同步传输还是异步传输以及外部时钟值等都需与DPC31中相应的寄存器参数单元一致,而V1SL原码与实际的电路可能并不一致,因此用户还需要在DPC31初始化时更改相应的参数,屏蔽不需要的中断等。要真正读懂庞大的V1SL C原码,对用户而行,不仅需要对每项程序本身的理解,还需要有对协议、报文结构、从站状态机、资源管理等的深刻理解作为基础。

　　另外对于非循环的数据,考虑到不同制造商之间的可互换性和可互操作性,用户还需要根据行规进行设定,如数据的长度、名称、顺序等。在处理与二类主站的非循环数据通信时,每次读写数据前,二类主站都要发送一个建立连接的请求(SAP49),为每个SAP(SAP48,..., SAP0)服务建立虚拟的专用通道,服务完成后还要中断连接。

　　V1SL C原码主要流程如图3所示。在V1SL多个头文件中,定义了许多结构体,如DPC31的内部结构、初始化所需参数、过程状态参数以及各种用户数据单元等都分别定义了各自的结构体。理解这些结构体变量的含义对于整个程序的理解是至关重要的,因为在整个程序中所有的硬件接口部分都是经过相应的结构体变量间接面向用户的。

　　5　应用

　　如果系统不需要与二类主站进行非循环通信,直接用Step7工程工具加载每个PA设备的GSD文件,经配置后下载到PLC(如S7-300/S7-400)即可以实现DP的基本功能。依据过程自动化的需求,有必要利用非循环服务对所连接PA仪表的所有参数和功能进行访问,这就需要另外安装PDM软件完成对二类的配置。在工程工具STEP7中,双击PA设备的图标,集成在STEP7中的PDM将会自动运行。在实际应用中,包括了DP和PA设备的完整系统如图4所示。

　　PA现场设备的被测值和状态在控制系统(DPM1)与设备间用快速DP基本功能以高优先权循环地传输,这就保证在自动化系统中总是具有最新的、有效的当前被测值和相关状态;另一方面,对于可视化、运行、维护和诊断的设备参数由工程工具(DPM2)通过C2连接以低优先权非循环的DP扩展功能传输。

　　6　结束语

　　由于V1SL C原码程序相当复杂,因此对开发者而言,必须有足够的耐心和充分的监测手段能够单步跟踪,同时观察主站和从站的状态和数据的变化。笔者在不断探索中已经开发出PA接口卡原理型样机,在用正确的GSD文件通过工程工具进行系统配置后下载到主站PLC,经过DP/PA coupler将PA接口卡接入总线系统可与主站实现正确的通信,并实现了总线供电。