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阐述SUPMAX800集散控制系统内部通讯的原理及采用方法
作者: 来源: 发布时间:2019-03-02
    摘要:DCS控制系统应用于化工、电力、水泥等各个行业,要求其运行平稳、高效。集散控制系统内部通讯质量对系统稳定等起着决定性的作用。上海远东仪表厂就开发集散控制系统内部通讯的原理及采用的方法,做了详细的阐述。
    1.引言
    集散控制系统Distributed control system是以微处理器为基础的对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控制的集中分散控制系统,即所谓的DCS系统。在工业生产过程中,对安全提出严格的要求。控制系统要及时、迅速对现场的状态进行测量,采取相应的策略把系统的控制及时准确下达到生产的现场。不论是测量的数据还是控制的结果,都需要通过控制系统内部得以实现。所以在开发控制系统过程中,优先考虑DCS系统内部通讯的问题。本文中的通讯是以本公司远东厂的SUPMAX800系统为基础。
    2.集散控制系统内部通讯的实现策略
    集散控制系统内部包括主控制器和各种I0卡件。主控制器为系统的核心单元,它主要包括与上位机通讯,接收组态和操作员的控制;与I0模块通讯,把生产现场的数据采集上来,控制的结果下发给现场;完成控制算法,即控制策略的实现。I0卡实现了直接与各种传感器、变送器和执行器相连,进行模拟量和数字量的数据采集,完成控制算法的各种运算,对输入和输出量进行相关的软件滤波及其他一些运算。
    通常控制系统需要提供与其他系统进行通讯的接口。由于生产的现场,不仅仅是一套DCS控制系统,还包括其他厂家的控制系统,往往这些系统之间需要数据交换,而系统之间的标准也不统一。控制系统生产产家提供通过标准协议的接口与其他控制系统进行数据交换。SUPMAX800的通讯形式见图1。
    主控制器与I0模块或者与其他控制系统接口卡通讯采用RS485的方式进行数据通讯。RS485作为一种多点、差分数据传输的电气规范现已成为业界应用最为广泛的标准通信接口之一。这种通信接口允许在简单的一对双绞线上进行多点、双向通信。它所具有的噪声抑制能力、数据传输速率、电缆长度及可靠性是其他标准无法比拟的。正因为此,许多不同领域都采用RS485作为数据传输链路。
通讯方式:主控制器与I0卡件通讯方式采用9位的数据通讯方式,其中8位为数据位,构成一个字节,第9位为地址和数据识别标志。在发送地址时,第9位要求为1,发送数据字节时,第9位为0。I0卡件上的单片机多采用具有地址自动识别功能的芯片。在芯片内部,有寄存器可以设置通讯时要求接收的地址。
SUPMAX800集散控制系统内部通讯结构图
 
    通讯协议可表示如下:
    地址 长度 数据0 数据1 数据2 数据N 校验
    在一祯数据中,第一个字节为地址字节,它的第9位为1。其余的数据,它的第9位为0。第9个数据位为1时表示此数据是地址,如果为0时表示此数据为纯数据。这一位的修改可以通过软件来控制它。校验一般采用异或的方式。
    主控制器采用主动方式按照时间上的轮询与IO卡件进行数据通讯。每块IO卡件在每块主控制器下具有单独的地址,地址范围从0-255。主控制器以主动轮询的方式与每块IO通讯,把上位机的指令或者运算后的结果输出卡;获得输入卡的信息并保存在双口RAM中,供控制运算芯片使用。主控制器在发送数据给IO卡件时,在一祯的数据中,地址为发送数据的第一个字节。
    IO卡件上CPU以中断的方式接收DPU的数据。因为一个主控制器带了大量的IO卡件,而控制系统要求现场反应速度要快,故采用中断的方式。当主控制器发送的数据是本地址的数据,IO卡件上CPU就触发中断,接收数据;不是发送给本地址的数据,则忽略,不响应,进而提高了通讯速率。
    3.硬件设计
    硬件设计方面以STM32系列MCU为例,主控制器和I0卡件均采用同系列的单片机芯片,这样可以保证匹配性,同时也提高软件开发的效率。
    主控制器中STM32通过串口将数据发送给485转换芯片,由485转换芯片将通讯数据转换为标准的485信号在485的网络中进行数据传输;同时把485的标准信号接收发送给STM32。在IO件上,由485转换芯片将485的标准信号转换为STM32接收的信息,同时把STM32发送的数据转换为标准的485信号。硬件结构见图2。
 硬件结构图
    STM32系列MCU采用了基于ARM7-Cor-tex-M3的内核,其内部的通用同步异步收发器(US-ART)模块具有多处理器通讯Multiprocessor commu-nication)功能。如果接收帧的地址与本机地址不匹配,则收发器处于静默状态(mute mode),并且忽略随后的数据帧;如果接收帧的地址与本机地址匹配成功,则收发器被激活产生中端,并且接收随后的数据帧交由MCU处理。
    STM32系列MCU采用了正CMOS逻辑电平,和RS-485总线定义的电平不匹配,所以主控制器和IO卡件的接口部分都需要进行电平转换,这项工作一般由专用的RS-485芯片完成,现在比较常用的RS-485驱动器有MAX485, DS3695, MAX 1488/1489以及和利时公司使用的SN75176A/B等。
    RS-485总线一般最大支持32个节点,如果使用特制的485芯片,即驱动能力大并且负载阻抗高的芯片,可以达到128个或者256个节点,最大的可以支持到320个节点,如美国德州仪器公司的SN65HVD1780和SN65HVD1781,完全可以满足profibus协议最大节点127个的需求。一般485总线随着传输距离的延长,会产生回波反射信号,如果485总线的传输距离超过100米,建议施工时在485通讯的开始端和结束端120欧姆的终端电阻,以保证485总线的稳定性。
    4.软件设计
    主控制器中通讯的设计:主控制器主动发送数据给IO卡件,发送完数据以后,在规定的时间内等待对方的应答数据。具体通讯流程见图3。
    IO卡件/与其他系统的接口卡的通讯设计:IO卡件或者与其他系统的接口卡都带有卡件地址的。主程序在进行一系列初始化以后,采集卡件地址,把通讯中断多机通讯地址识别寄存器设置成卡件本身的地址。在通讯过程中,只有主控制发送的地址字节为IO卡件的地址,同时第9位为1的情况下,才触发IO卡件的通讯中断。IO卡件的通讯中断程序,在可以进入通讯中断程序以后,接收的第1个字节为卡件的地址,为了提高程序的健壮性,加入了与地址是否相同的判断。在规定的时间内接收完通讯数据并进行校验。通讯中断流程见图4。
 主控制器通讯流程图
图3  主控制器通讯流程图
 通讯中断流程图
图4  通讯中断流程图
 
    5.影响通讯效率的因素
    (1)通讯的波特率。通讯的波特率可以是百Kbps级别,但是随着单片机的升级换代,通讯波特率可以到达Mbps。
    (2)通讯协议。工业控$i1系统中,需要连续不间断的运行,这样就需要数据大量地传输。与其他系统通讯时,为了对接容易,都采用标准的通讯协议,这时不能修改通讯协议。但是在系统内部,为了提高效率,在能够到达准确的前提下,尽量缩短通讯协议,特别是对响应时间要求严格的核电等系统中,协议的效率显得尤为重要。
    (3)单片机本身的执行效率。不同的单片机执行的速度大不相同,8位、16位、和32位运行速度截然不同,加上单片机能够适应的的晶振范围不同,导致每条指令执行需要的时间不同。意法半导体生产的STM32系列的单片机专门为工业控制、汽车系统和无线网络等对功耗和成本敏感的嵌入式应用领域实现高性能而设计的。Cortex-M3处理器的核心是基于哈佛架构的3级流水线内核,该内核集成了分支预测,单周期乘法,硬件除法等众多功能强大的特性,采用新型ThumbR一2指令集架构。与执行Thumb指令的ARM7TDMI-SR处理器相比,每MHz的效率提高了70%。
    6.结论
    上海远东仪表厂采用以上通讯方法设计的SUPMAX800控制系统,已经成功应用于多个工程,现场反应运行平稳、高效、安区、可靠,是禁得住现场恶劣环境的考验的成功方法。
 

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