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软起动控制器中PROFIBUS-DP通讯接口的硬件设计

在软起动控制器的PROFIBUS-DP硬件接口电路设计方案上，采用单片机+ 集成芯片SPC3 + RS485驱动的方案。

2.1 SPC3简述

SPC3（SIEMENS PROFIBUS CONTROLLER）为的智能PROFIBUS-DP从站，集成有PROFIBUS-DP物理层的数据收发功能，可处理PROFIBUS-DP协议。SPC3的内部有RAM、寄存器、状态寄存器、中断寄存器以及各种缓冲器指针和缓冲区等。SPC3有8根数据线和11根地址线，其中8根数据线与地址线复用，可以接80C32、80C166、80C196、HC196等单片机。SPC3内部集成了1.5KB的双口RAM作为SPC3与/程序的接口，能自动9.6K到12M波特率。

2.2 PROFIBUS-DP通信接口硬件设计

PIC16F877与PROFIBUS-DP网络的连接通过一个PROFIBUS-DP网络的协议芯片SPC3和RS-485驱动电路组成。PROFIBUS-DP接口主要由处理器接口和串行总线接口组成。

处理器接口电路如图1示：80C32通过P0口和P2口扩展外部存储器，将SPC3内部的双口RAM作为自己的外部RAM，通过对双口RAM的读写来完成对SPC3的初始化和有关数据的交换。图中P1是指用双PIC16F877设计的软起动控制器，作为通讯的从站，PIC16F877集成了SPI接口，可以和协议芯片SPC3结合，以及MAX485ESA完成到PROFIBUS-DP总线网络上的连接。

图1 处理器接口电路

图2串行总线接口电路

SPC3芯片通过请求发送（RTS），发送数据（TXD），接收数据（RXD）,通过高速光耦HCPL7720和总线收发器ADM1485相连，构成串行总线接口。如图2所示，尽管SPC3已经集成了物理层的数据传输功能，但它不具备RS-485的驱动接口，因此添置了RS-485的驱动电路。目前能12M波特率的驱动器芯片为数不多，有SN65ALS176，SN75ALS176，ADM1485等，本中选用的是ADM1485。另外为了避免总线上的对电路的影响，在SPC3与RS-485总线驱动电路之间采用光电隔离。TXD、RXD的隔离器件选用Hewlett Packar公司的12M高速光耦HCPL7720，RTS的隔离器件选用HCPL0601。

3 通讯接口的设计

PROFIBUS-DP的ASIC芯片SPC3集成了PROFIBUS-DP协议，能够处理PROFIBUS-DP状态机构，因此80C32不用参与处理PROFIBUS-DP状态机。80C32的主要任务是对SPC3进行合理的配置、初始化及对各种报文的处理。

对SPC3的操作主要包括两个部分：SPC3的初始化和SPC3的中断处理。主程序和中断程序流程图分别如图3和图4所示。

图 3 主程序流程图图4中断程序流程图

SPC3的初始化程序应主程序的前面，而中断处理程序完成CPU对SPC3中断输出的响应。 SPC3上电复位之后.在正常工作之前必须进行初始化，以配置各个寄存器。中断处理程序用于处理SPC3发生的各种事件，这些事件包括新的参数报文事件：全局控制命令报文事件，进入或退出数据交换状态事件，新的配置报文事件，新的地址设置报文事件，监测到波特率事件和看门狗溢出事件。SPC3在接收到由PROFIBUS主站传送的不同输出数据时会产生输出标志位，CPU通过在应用循环中轮询标志位来进行接收主站数据。对于特定应用的诊断信息需要实时传递到主站。主应用程序在应用循环中判断是否有可用的诊断BUF存在一当有空闲BUF时应用程序输入诊断信息，并请求更新。对于实时性要求严格的，应采用中断进行输出数据和诊断数据处理。

PLC开关量和模拟量如何转换
PLC开关量、模拟量转换，首先要明了三层含义:设备信号层、PLC软件应用层、PLC内部处理层。
设备层:开关量是通断信号，模拟量是线性电压信号或线性电流信号。
PLC软件应用层:开关量是0、1开关节点以二进制形式存放在PLC内部寄存器中，模拟量是工程量(如255、32767、65535)以16进制形存放在PLC用户寄存器中。
内部处理层:全部都是从寄存器中调出采取二进制运算。
开关量模拟量转换在PLC软件应用层只要利用相关指令(如三菱K1M0等)将开关量二进制转换成16进制存放在PLC用户寄存器就可以。
开关量和模拟量的转换一般都经过保持以及数字化的，比如开关量，有干扰吧，要排除这种干扰，可以软件排除干扰，比如隔几毫秒读取一次开关状态，两次都读到才认为开关关闭了，不然认为是干扰，当然干扰也可以用硬件排除干扰，如果施密特触发器等。
对于模拟量，也是经过量化的，比如0809AD转换，对于转换方法，在这里也说不清楚，可以查询芯片资料，0809芯片有控制转换引脚，使能引脚，转换地址等控制引脚，用8051单片机可以控制其转换，当然，还有**的单片机，如MSP430，AVR等单片机，更好的转换芯片，如DSP的STM32系列芯片，是专门的数模转换芯片。转换的原理是根据转换芯片的精度划分转换量，如，转换芯片的位数为8位，再假定转换的模拟量为5伏电压，那么还可以把5伏分为256(因为8位芯片只能是2的8次方)等分，这样就可以算出它的数字量了，反之亦然。
常见的模拟量信号有电压和电流信号，有输入信号对设备进行控制的，比如变频器的调速、气压比例阀等，输出信号多见与各种传感器和其他输出设备。它们之间的转换关系需要参考AD、DA模块与设备量程来确定。

AD模块
在模块端10v模拟量对应4000数字量，按照此关系完成转换。在设施端例如位置传感器距离与模拟量电压信号之间的关系是：200mm量程对应10v模拟量输出，那里在PLC程序要得到准确的位置，位置与数字量之间的关系就是1mm=20数字量或者1数字量=0.05mm，加入我们检测了2000的数字量，经过换算就知道位置是100mm。

至于开关量与模拟量之间的转换关系，应该说是模拟量怎么控制开关量，比如说电机转速超过某值就要关掉电机、温度大于多少就要终止加热或小于多少要加热，此刻我们经过AD模块监控这些数据，在PLC中进行比较，根据比较结果来输出相应的开关动作。

4步教你轻松调试PLC控制系统
PLC控制系统
调试工作是检查PLC控制系统能否满足控制要求的关键工作，是对系统性能的一次客观、综合的评价。系统投用前必须经过全系统功能的严格调试，直到满足要求并经有关用户代表、监理和设计等签字确认后才能交付使用。调试人员应受过系统的专门培训，对控制系统的构成、硬件和软件的使用和操作都比较熟悉。
调试人员在调试时发现的问题，都应及时联系有关设计人员，在设计人员同意后方可进行修改，修改需做详细的记录，修改后的软件要进行备份。并对调试修改部分做好文档的整理和归档。调试内容主要包括输入输出功能、控制逻辑功能、通信功能、处理器性能测试等。
一、输入输出回路调试

(1)模拟量输入(AI)回路调试。要仔细核对I0模块的地址分配;检查回路供电方式(内供电或外供电)是否与现场仪表相*;用信号发生器在现场端对每个通道加入信号，通常取0、50%或*三点进行检查。对有报警、联锁值的AI回路,还要在报警联锁值(如高报、低报和联锁点以及精度)进行检查,确认有关报警、联锁状态的正确性。
(2)模拟量输出(AO)回路调试。可根据回路控制的要求，用手动输出(即直接在控制系统中设定)的办法检查执行机构(如阀门开度等)，通常也取0、50%或*三点进行检查;同时通过闭环控制,检查输出是否满足有关要求。对有报警、联锁值的AO回路，还要在报警联锁值(如高报、低报和联锁点以及精度)进行检查，确认有关报警、联锁状态的正确性。
(3)开关量输入(DI)回路调试。在相应的现场端短接或断开,检查开关量输入模块对应通道地址的发光二极管的变化，同时检查通道的通、断变化。
(4)开关量输出(DO)回路调试。可通过PLC系统提供的强制功能对输出点进行检查。通过强制,检查开关量输出模块对应通道地址的发光二极管的变化，同时检查通道的通、断变化。

二、回路调试注意事项
(1)对开关量输入输出回路，要注意保持状态的*性原则，通常采用正逻辑原则，即当输入输出带电时,为“ON"状态,数据值为“1";反之，当输入输出失电时,为“OFF"状态，数据值为“0"。这样，便于理解和维护。
(2)对负载大的开关量输入输出模块应通过继电器与现场隔离，即现场接点尽量不要直接与输入输出模块连接。
(3)使用PLC提供的强制功能时,要注意在测试完毕后，应还原状态;在同一时间内，不应对过多的点进行强制操作，以免损坏模块。
三、控制逻辑功能调试

控制逻辑功能调试，需会同设计、工艺代表和项目管理人员共同完成。要应用处理器的测试功能设定输入条件,根据处理器逻辑检查输出状态的变化是否正确，以确认系统的控制逻辑功能。对所有的联锁回路,应模拟联锁的工艺条件，仔细检查联锁动作的正确性，并做好调试记录和会签确认。
检查工作是对设计控制程序软件进行验收的过程，是调试过程中复杂、技术要求、难度大的一项工作。特别在有技术应用、软件等情况下，更加要仔细检查其控制的正确性,应留有一定的操作裕度，同时保证工艺操作的正常运作以及系统的安全性、可靠性和灵活性。

四、处理器性能测试

处理器性能测试要按照系统说明书的要求进行，确保系统具有说明书描述的功能且稳定可靠，包括系统通信、备用电池和其他特殊模块的检查。对有冗余配置的系统必须进行冗余测试。即对冗余设计的部分进行全面的检查，包括电源冗余、处理器冗余、I0冗余和通信冗余等。
(1)电源冗余
切断其中一路电源，系统应能继续正常运行，系统无扰动;被断电的电源加电后能恢复正常。
(2)处理器冗余
切断主处理器电源或切换主处理器的运行开关，热备处理器应能自动成为主处理器,系统运行正常，输出无扰动;被断电的处理器加电后能恢复正常并处于备用状态。
(3)I0冗余
选择互为冗余、地址对应的输入和输出点，输入模块施加相同的输入信号,输出模块连接状态指示仪表。分别通断(或热插拔，如果允许)冗余输入模块和输出模块,检查其状态是否能保持不变。
(4)通信冗余
可通过切断其中一个通信模块的电源或断开一条网络，检查系统能否正常通信和运行;复位后，相应的模块状态应自动恢复正常。
冗余测试,要根据设计要求,对一切有冗余设计的模块都进行冗余检查。此外,对系统功能的检查包括系统自检、文件查找、文件编译和下装、维护信息、备份等功能。对较为复杂的PLC系统，系统功能检查还包括逻辑图组态、回路组态和特殊I0功能等内容。

PLC中的开关量、模拟量指的是什么
开关量和模拟量是大家学习PLC初期使用多的两种输入输出方式。什么是开关量？什么是模拟量？这个问题有必要弄清楚。
图1是一个典型能输出开关量信号的器材。压力高时C和B两个触点闭合接通，输出压力高信号，压力低时C和A两个触点闭合接通输出压力低信号。有了这样的信号就完成把就地的压力信号，远传到远处的电气控制柜去参加主动远程控制了，其间C和B是一个开关量，C和A也是一个开关量。所以一个开关触点就是一个开关量，它的特性是同一时间要么接通要么断开。接通就是1，代表有有信号，断开就是0，代表没有信号。这就是所谓的开关量信号。
压力表虽然能把压力信号传到远处，但它传输的只是有无压力这样的信号，无法知道实时压力值究竟是多少。
PLC
图2中的器材叫压力变送器。压力变送器的内部就是一块电路板，电路板连接着一个压力传感器F。它的作业原理是压力传感器F把检测到的压力传到电路板的C，检测信号进入电路板后，经过电路板的转化与核算，把这个压力信号转化成一个电流信号由A和B这两个点输出。图中右边就是转化进程的示意图，它能够把一个0-10kpa的压力信号转化成一个4-20mA的电流信号，由A和B这两个点输出。这时咱们就说A和B这两个点输出的就是一个模拟量信号。模拟量信号的特点是它的值是在一个数值范围内是连续可变的。
下面看一下模拟量信号是如何进行远距传输的。
咱们管道上安装一块量程为0-10kpa的压力变送器，电源正极接压力变送器的B点，负极串联一块万用表到压力变送器的A点，并将万用表打到电流档。当压力变送器C点的压力是5kpa时，万用表的的电流读数是12mA。正好是4-20mA的电流信号的中间值，而5kpa也正好是0-10kpa压力值的中间值。当压力变送器C点的压力是10kpa时，万用表的的电流读数正好是20mA。这样0-10kpa压力值就对应了4-20mA的电流信号值，咱们只要在远方经过一个接受设备把这个4-20mA的电流信号值提取出来，再经过一定的核算，就能知道就地的压力值是多少了。
为什么要把压力信号转化成4-20mA的电流信号，而不是0-20mA的电流信号或0-10V的电压信号？
1.0-10V的电压信号简单遭到外界的电磁搅扰，特别是电缆长度很长时搅扰更显着。
2.用0-20mA的电流信号的话，就无法判别在电流信号是0mA时，究竟是电缆断线引起的毛病0mA，还是压力本身就是0kpa而输出的正常的0mA。
图4是使用西门子S7-200 PLC读取压力变送器压力值的接线图例，这是一种基本的使用方法，左面是开关量的，右边是模拟量的，不同的信号类型要接到PLC不同输入端

　功率分析仪通常指适用于复杂变频电量测量分析的仪器，是功率表或功率计的升级换代产品。功率分析仪对传统的电压、电流和功率进行了重新定义。其测量参数除了传统功率表或功率计的电压、电流和功率外，还包括电压、电流的基波、谐波及各种谐波特征值。

　　本文罗列了适用于变频电量测量的功率分析仪的基础测量参量的相关计算公式，供功率分析仪研发及功率分析仪原理学习参考。

　　周期信号的数学模型：

功率分析仪研发必备_周期信号数学模型