冗余现场总线兼模拟量控制的智能电动控制执行系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种冗余现场总线兼模拟量控制的智能电动控制执行系统，包括两个微控制单元，主控微控制单元和辅助微控制单元之间通过RS232交换数据；4～20mA模拟量输入信号经过信号处理电路处理后送主控微控制单元，辅助微控制单元可选带一块或两块DP通信卡与ProfibusDP主站通讯，主控微控制单元输出控制信号到驱动电路控制三相电机运动，位置发送器检测三相电机运动信号再反馈回辅助微控制单元；人机界面设定参数输出到辅助微控制单元，辅助微控制单元输出状态值给人机界面显示。兼容原有ProfibusDP冗余通信协议功能，又可实现模拟量控制，提高了智能电动执行机构的高可靠性，实现了ProfibusDP现场总线兼模拟量控制系统的兼容。
【专利说明】冗余现场总线兼模拟量控制的智能电动控制执行系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种智能电动执行机构控制技术,特别涉及一种Profibus DP冗余现场总线兼模拟量控制的智能电动控制执行系统。
【背景技术】
[0002]电动执行机构是自动化领域三大主要仪表之一，广泛应用于电力、冶金、石化、轻纺、食品、医药等行业。随着现场总线技术在工业过程控制领域的应用，自动化系统的网络化，现场总线已经成为目前流行的自动化仪表控制技术。原有的Profibus DP智能电动执行机构采用Profibus DP现场总线后具有开放性，数字化，双向，多点通信等优点，但随着自动化控制系统对仪表可靠性要求的不断提高，均希望现场总线产品能实现冗余功能，与此同时，国内市场由于高可靠性的需求，希望执行机构产品在带冗余现场总线的同时，也能实现模拟量控制。
[0003]目前，国内市场开发过带现场总线的智能电动执行机构，也开发过模拟量控制的智能电动执行机构，但没有两者结合的产品，而且之前的现场总线模块结构复杂，成本高，维护困难，在实际工业生产中，开发现场总线兼模拟量控制的智能电动执行机构产品，成为了国内的一个流行趋势。因此研发具有自主知识产权的基于Profibus DP冗余通信技术兼模拟量控制技术的智能电动执行机构具有很大的现实意义。
【发明内容】
[0004]本发明是针对现有Profibus DP智能电动执行机构无法实现模拟量控制及高可靠性的问题，提出了一种冗余现场总线兼模拟量控制的智能电动控制执行系统，在智能电动执行机构Profibus DP冗余通信功能的基础上增加了模拟量控制，可以对模拟量控制信号和Profibus DP现场总线控制信号进行任意组合，典型设置为:控制部分通过传统模拟量实现，信息反馈及故障诊断等通过Profibus DP信号实现。该功能的实现严格按照<Profibus Specification:Slave Redundancy V1.2> (现场总线标准:从设备冗余的要求V1.2),同原有Profibus DP冗余智能电动执行机构一样,该标准型产品也可通过现场总线进行远程监控和设置，可通过红外遥控器设定全部的设置参数，如控制方式、比例远程控制和输出报警开关组态等；此外，模拟量控制技术是DCS系统成熟的控制技术，便于设计具有高可靠性的Profibus DP现场总线兼模拟量控制技术的控制系统。
[0005]本发明的技术方案为:一种冗余现场总线兼模拟量控制的智能电动控制执行系统，包括两个微控制单元，辅助微控制单元包括人机显示界面、位置发送器、DP通信卡、电源模块和低功耗处理电路；主控微控制单元包括驱动电路、信号处理电路和电子力矩检测电路；主控微控制单元和辅助微控制单元之间通过RS-232交换数据；4?20mA模拟量输入信号经过信号处理电路处理后送主控微控制单元，电子力矩检测电路输出信号送主控微控制单元，辅助微控制单元接收位置发送器送来的位置检测信号处理后送主控微控制单元，主控微控制单元输出控制信号到驱动电路，驱动电路输出控制三相电机运动，位置发送器检测三相电机运动信号再反馈回辅助微控制单元；人机界面设定参数输出到辅助微控制单元，辅助微控制单元输出状态值给人机界面显示；辅助微控制单元通过DP通信卡与Profibus DP主站通讯。
[0006]所述辅助微控制单元选用PIC18F87K90，带两个增强型USART串行通信模块，可接一块或两块DP通信卡。所述DP通信卡由AT91SAM7SE256处理器，SPC42，串口控制电路，RS485驱动电路构成，两块DP通信卡通过串口控制电路协调交换数据，RS485驱动电路与Profibus DP主站连接。
[0007]本发明的有益效果在于:本发明冗余现场总线兼模拟量控制的智能电动控制执行系统，首先，兼容原有Profibus DP冗余通信协议功能；其次，智能电动执行机构也可实现模拟量控制，可以对模拟量控制信号和Profibus DP现场总线控制信号进行任意组合。对于原有的Profibus DP冗余控制系统而言，可基本不用改动系统布线，维护原有投资；再次，模拟量控制是DCS系统成熟的控制技术，提高了智能电动执行机构的高可靠性，从而进一步提高了 Profibus DP现场总线兼模拟量控制系统的可用性。
【专利附图】
【附图说明】
[0008]图1为本发明冗余现场总线兼模拟量控制的智能电动控制执行系统原理框图；
图2为本发明冗余现场总线兼模拟量控制的智能电动控制执行系统通信框图；
图3为本发明双通道DP冗余+4-20mA输入示意图；
图4为本发明单通道DP通信+4-20mA输入示意图；
图5为本发明双通道DP通信示意图；
图6为本发明单通道DP通信示意图；
图7为本发明4-20mA输入示意图；
图8为本发明Profibus DP冗余通信接口上电启动示意图；
图9为本发明Profibus DP从站初始化过程图。
【具体实施方式】
[0009]如图1所示冗余现场总线兼模拟量控制的智能电动控制执行系统原理框图。整个控制分2个微控制单元来实现，主控微控制单元8负责系统的控制和保护部分，辅助微控制单元9负责显示、操作、计数和低功耗控制。主控微控制单元8和辅助微控制单元9之间通过RS-232交换数据。辅助微控制单元9与DP通信卡6之间用RS-232来交换数据。辅助微控制单元9包括人机显示界面2、位置发送器4、Profibus DP通信卡6、电源模块7和低功耗处理电路11 ;主控微控制单元8包括驱动电路3、信号处理电路10和电子力矩检测电路12 ;驱动电路3还包括固态继电器及其组成的控制电路；Profibus DP通信卡6由AT91SAM7SE256处理器，SPC42，串口控制电路，RS485驱动电路构成。电源模块7为主控微处理器8和辅助微处理器9提供电源，来自信号处理电路10的信号与来自位置发送器4的模拟信号经过主控微控制单元8进行比较运算，根据两者偏差输出控制信号到驱动电路3，驱动电路3输出控制三相电机5运动，三相电机5的行程同时通过位置发送器4反馈到辅助微控制单元9形成闭环控制。同时，外界信号还可通过Profibus DP通信卡6处理后送入辅助微控制单元9，人机界面2设定参数输出辅助微控制单元9，该辅助微控制单元9输出状态值给人机界面2显示。
[0010]本发明通过设置Profibus DP通信卡6、主控微控制单元8，辅助微控制单元9，4?20mA模拟量输入信号经过信号处理电路10送主控微控制单元8与来自辅助微控制单元9接收的位置发送器4送来的位置检测信号经过主控微控制单元8处理，进行比较运算，根据两者偏差输出控制信号到驱动电路3，实现智能电动执行机构的定位并带动电机5运动，电机5的行程同时通过位置发送器4反馈到辅助微控制单元9形成闭环控制；同时，PiOfibusDP通信卡6通过处于工作状态的Profibus DP冗余通信接口接收来自Prof ibus DP主站的数据，转发给智能电动执行机构本体上辅助微控制单元9进行处理；处理的结果经过处于工作状态的Profibus DP冗余通信接口发送给Profibus DP主站。本发明中，远程控制源设置为Profibus DP通信时，主要变量，控制信息，其他过程参数、设备组态、校准和组态信息都由智能电动执行机构本体上辅助微控制单元9通过Profibus DP冗余通信接口收发，Profibus DP通信卡6负责实现两路Profibus DP接口在工作状态与备用状态之间自动切换。
[0011](I)主控微控制单元8
主控微控制单元8内部集成8通道12位ADC转换器、2通道电压型12位DAC转换器、高达62KB片内FLASH/EEROM存储器、4KB片内FLASH/EERAM存储器以及2KB片内数据XRAM存储器可以节省许多外围芯片，大大简化硬件电路设计。
[0012](2)辅助微控制单元9
PIC18F87K90具有一系列串行通信外设，其中包括两个增强型USART串行通信模块；24路12位A/D转换器；LP看门狗定时器(WDT);带IXD驱动器；高达128KB的FLASH存储器、4KB的RAM存储器可以节省许多外围芯片，大大简化硬件电路设计。
[0013](3) Profibus DP 通信卡 6
考虑到原先DP通信卡的开发方案中处理器资源很有限，而且现场编程不方便，因此这次采用AT91SAM7SE256处理器+SPC42的设计思路。该Profibus DP通信卡6由AT91SAM7SE256处理器，SPC42，串口控制电路，RS485驱动电路构成。采用AT91SAM7SE256后，该芯片内部集成256kB Flash和SRAM，只需少许外围器件即可运行，且支持JTAG在线编程，同时也可以利用该芯片丰富的外设资源，UARTO作为与执行机构主板进行数据交换的通道，UARTl作为两个DP通信板之间冗余数据交换通道。每块DP通信卡除实现标准的Profibus DPVOjDPVI功能外，还通过双口 RAM这个冗余通道与另一块DP通信卡交换数据。如图2所示两块DP通信卡与电动执行机构本体之间通过串口交换数据。因此通过串口控制电路在两个通信卡之间进行协调，保证数据交换快速有效。每块DP通信卡通过看门狗监控程序运行，一旦超时即自动重启。在DP通信卡与Profibus DP网络之间通过RS-485驱动电路实现电气隔离和RS-485驱动。
[0014]关于模拟量通信卡和DP通信卡我们都是采用模块化的设计思路。图2中DP_Board_A和DP_Board_B硬件完全一样，只是通过跳线配置为不同功能；4_20mA InputBoard—方面作为4-20mA信号模拟量输入板，另一方面作为DP通信卡的转接板。从执行机构外部的接线盘接入的信号首先接到4-20mA Input Board,然后通过该板上的接插件再连到DP_Board_A或者DP_Board_B。可以根据实际工程的需要选择仅焊接4_20mA信号输入板器件或者DP通信卡转接板器件，或者都焊接上去，实现不同的功能组合。[0015]DP_Board_A或者DP_Board_B可以根据实际需要选择放置一块还是两块。通过DP_Board_A、DP_Board_B和4_20mA Input Board的不同的组合，可以实现下列功能:
I)双通道DP冗余+4-20mA输入，如图3所示；
2 )单通道DP通信+4-20mA输入，如图4所示；
3)双通道DP通信，如图5所示；
4)单通道DP通信，如图6所示；
5)4-20mA输入，如图7所示。
[0016]在正常上电时，两块DP通信卡和4_20mA模拟量输入卡分别初始化，如果控制方式为远程Profibus DP通信,接下来两块DP通信卡通过冗余通道协调工作状态,两块DP通信卡将分别处于以下两种状态之一:
S_Primary:此DP通信卡与Profibus DP主站建立数据交换关系，实现Profibus DP总线通信；
S_Waiting:此DP通信卡始终处于初始化状态，没有实现Profibus DP总线通信。
[0017]两块DP通信卡中，有一块进入S_Primary状态,按Profibus DP从站状态机进行顺序启动，一旦接收到正确的SET_PRM报文，即认为此DP通信卡启动成功，并已经与ProfibusDP主站建立通信关系。如果在预定启动时间(Start_Up_Time)内，没有按正常顺序启动，处于S_Primary状态的DP通信卡会通过冗余通道通知处于S_Waiting状态的DP通信卡，即认为该DP通信卡故障，要求进行冗余切换，此时处于S_Primary状态的DP通信卡切换到S_Waiting状态,而处于S_Waiting状态的DP通信卡切换至S_Primary状态，刚切换到S_Primary状态的DP通信卡继续等待主站初始化命令。一旦主站将处于S_Primary状态的DP通信卡初始化成功，并进入数据交换状态。则该DP通信卡就一直保持S_Primary状态，同时通过冗余通道通知处于S_Waiting状态的DP通信卡。两块DP通信卡启动过程如下图8所示。
[0018]Profibus DP主站与Prof ibus DP冗余通信接口中DP通信卡交换数据前,主站必须定义从站参数并组态此从站，即完成对从站(DP通信卡)上电初始化过程。从站(DP通信卡)初始化过程如图9所示:Profibus DP主站首先检查Prof ibus DP冗余通信接口的DP通信卡(从站)是否在总线上，如果该DP通信卡处于工作状态，则主站通过请求从站诊断数据来检查DP通信卡准备情况，当处于工作状态DP通信卡报告它已准备好时，主站将从站参数数据和组态数据发送给该DP通信卡，主站再请求从站的诊断数据以确信该DP通信卡是否准备就绪。完成参数化和组态数据对比后，主站开始与处于工作状态的DP通信卡循环交换用户数据。此时处于工作状态的DP通信卡通知处于备用状态的DP通信卡当前状态信息，实现信息冗余。
[0019]Profibus DP冗余通信接口的两块DP通信卡会再下面两种情况下进行冗余切换，使处于备用状态的DP通信卡切换到工作状态，处于工作状态的DP通信卡切换到备用状态。
[0020]I) Profibus DP冗余通信接口一直保持对其内部状态的监视，一旦检测到某种故障发生(故障类型按〈Profibus Specification:Slave Redundancy V1.2> 要求定义)，如看门狗定时器溢出，则Profibus DP冗余通信接口中两块DP通信卡进行工作状态切换。
[0021]2)主站检测到与处于工作状态的DP通信卡之间通信线路发生故障或者无故障，但是出于其他目的的情况下，主站向该DP通信卡发送状态切换命令，该DP通信卡接收到主站冗余切换命令后将进行工作状态切换。
[0022]在冗余切换过程中，规定Profibus DP冗余通信接口在进行工作状态切换过程中不能改变从站输出信号，当处于备用状态的DP通信卡切换到工作状态后，它首先采用此前处于工作状态的DP通信卡通过冗余通道传递过来的输出数据作为它的当前值，只有在冗余切换后的第一个数据交换过程完成后，刚切换到工作状态的DP通信卡才可以向其输出缓冲区写入新的输出值。这样就保证了输入输出信号的稳定性和连续性。
[0023]处于工作状态的DP通信卡在正常通信时，会启动内部看门狗Twd对通信过程监视，一旦Twd溢出，表示该DP通信卡通讯出现故障，此时一方面将该DP通信卡的输出切换到失效安全模式下，另一方面开始冗余切换。在Profibus DP冗余通信接口的每块DP通信卡内部增加一个定时器Toh监视冗余切换后处于工作状态的DP通信卡与Prof ibus DP主站建立正常通信的时间，一旦Toh超过预设值而刚处于工作状态的DP通信卡未能与ProfibusDP主站建立通信关系，则整个Profibus DP冗余通信接口进入失效安全模式，组态设定的安全输出值将作为Profibus DP冗余通信接口输出值传给智能电动执行机构本体，实现电机保护。如果在Toh溢出前收到主站数据请求，则停止Toh计时。
【权利要求】
1.一种冗余现场总线兼模拟量控制的智能电动控制执行系统，其特征在于，包括两个微控制单元，辅助微控制单元包括人机显示界面、位置发送器、DP通信卡、电源模块和低功耗处理电路；主控微控制单元包括驱动电路、信号处理电路和电子力矩检测电路；主控微控制单元和辅助微控制单元之间通过RS232交换数据；4?20mA模拟量输入信号经过信号处理电路处理后送主控微控制单元，电子力矩检测电路输出信号送主控微控制单元，辅助微控制单元接收位置发送器送来的位置检测信号处理后送主控微控制单元，主控微控制单元输出控制信号到驱动电路，驱动电路输出控制三相电机运动，位置发送器检测三相电机运动信号再反馈回辅助微控制单元；人机界面设定参数输出到辅助微控制单元，辅助微控制单元输出状态值给人机界面显示；辅助微控制单元通过DP通信卡与Profibus DP主站通τΗ ο
2.根据权利要求1所述冗余现场总线兼模拟量控制的智能电动控制执行系统，其特征在于，所述辅助微控制单元选用PIC18F87K90，带两个增强型USART串行通信模块，可接一块或两块DP通信卡。
3.根据权利要求2所述冗余现场总线兼模拟量控制的智能电动控制执行系统，其特征在于，所述DP通信卡由AT91SAM7SE256处理器，SPC42，串口控制电路，RS485驱动电路构成，两块DP通信卡通过串口控制电路协调交换数据，RS485驱动电路与Profibus DP主站连接。
【文档编号】G05B19/418GK103744387SQ201310741543
【公开日】2014年4月23日 申请日期:2013年12月30日 优先权日:2013年12月30日
【发明者】丁戍卫, 杨英翠, 赵勇, 王伟 申请人:上海自动化仪表股份有限公司