专利名称：基于profibus-dp通信接口的泵智能控制系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种基于PROFIBUS—DP通信接口的泵智能控制 系统，属于泵智能控制技术领域。
技术背景泵在工业控制系统中使用极为广泛，绝大多数流程工业都必须使 用泵。随着现场总线控制系统(FCS)在工业企业中的应用，原有的泵装 置直接用电控柜进行控制，没有参数监控功能、不能与现场总线控制 系统配套应用，己不能满足现代工业系统的要求。要使泵的性能能够 支持现场总线，并具有现场和远程参数的监控功能、智能控制功能， 使泵能够根据生产流程的工艺状况作自我调节，并处于高效率点运行， 必须研制泵智能控制系统。PROFIBUS现场总线是世界上应用最广泛的现场总线技术，其产品的 年增长率达25%，是增长最快的现场总线技术。然而，在国内市场上多 年来一直被国外公司的产品所主导，由于其高昂的价格和技术的垄断， 使国内企业的生产成本大大增加，从而降低了企业的竞争力。因此，开 发具有自主知识产权的带有PROFIBUS—DP通信接口的泵智能控制系统， 具有较大的现实意义。发明内容本实用新型的目的是提供一种基于PROFIBUS—DP通信接口的泵 智能控制系统，解决现有泵的电控柜不能与现场总线控制系统配套， 以及PR0FIBUS现场总线价格昂贵的不足，实现泵组及控制系统高速低 成本通信连接。本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的， 一种基于PROFIBUS—DP通信接口的泵智能控制系统，包括泵，驱动泵的电磁调 速电动机，控制电磁调速电动机的由三相整流电路、滤波电路和IPM 逆变器构成的主电路，其特征是所述的系统还设置PROFIBUS—DP总 线，接口电路和以DSP微处理器为核心的控制电路，PROFIBUS—DP 总线与接口电路中的总线收发器连接，DSP微处理器与接口电路中的 专用通信协议接口芯片SPC3连接，DSP微处理器中的PWM输出经光、 电隔离电路与主电路中的IPM逆变器连接。DSP微处理器为核心的控制电路由芯片TMS320F240、键盘及显示 器和提供模拟量输入的各测量元件和传感器组成。提供模拟量输入信号的是置于泵和电磁调速电动机中相关部位的 流量、扬程、转速、功率、效率、轴承温度、进口压力、出口压力测 量元件和传感器。接口电路由专用通信协议接口芯片SPC3、高速光耦和总线收发器 组成。本实用新型通过设置PROFIBUS—DP总线，接口电路和以DSP微 处理器为核心的控制电路，来自安装在泵及电动机中的测量元件和传 感器的模拟信号经放大处理后，由微处理器DSP转变成相应的模拟量 传给IPM逆变器，以改变电动机的转轴输出，在相关程序的支持下达 到控制泵的目的，同时，对于电动机的运转状态参数及反映环境特怔 的参数等进行定时采样分析，监测显示，如超出规定数值，则发出报 警信息，规定的参数数值可以通过键盘进行设计。另外，DSP微处理 器还内置了多路开关量的输入输出通道，以供LCD显示器显示，信号 的联锁保护等作用。在FCS系统中，泵智能控制系统以从设备的方式， 按规范与现场总线接口 (Anybus-s)进疔数据交换，并在现场总线组态 下运行具体的设备和进行监控。泵智能控制系统具有本地操作的人机 界面(操作键和LCD显示屏)，并能进行远程操作。本实用新型采用模，工作可靠，有利于现代工业系统的要求。
图l为本实用新型原理框图；具体实施方式
结合附图和实施例进一步说明本实用新型，如图1所示，本实用 新型由主电路、控制电路、PROFIBUS—DP总线和PROFIBUS—DP接口 电路组成。主电路由三相整流器、滤波器和逆变器组成控制电路由 DSP芯片TMS320F240、键盘及显示器和模拟量输入组成，其中模拟量 包括泵的主要参数如流量、扬程.转速、功率.效率、轴承温度、进 口压力、出口压力等PROFIBUS—DP接口电路由专用通信协议接口芯 片SPC3、高速光耦和总线收发器组成。其中DSP芯片TMS320F240既 是泵智能控制系统的控制单元，又是PROFIBUS—DP接口的一部分。1)、主电路(含主电路和基于DSP系统的主站控制电路)如图1所示，泵智能控制系统主机电路为采用正弦波电源驱动的 变频调速电机作为执行部件的变频调速驱动系统，主要包括控制电路、 主电路和泵电动执行件，其中主回路由三相全波整流器，储能滤波电 容Cl、 C2和IPM三相逆变器等电路构成。DSP芯片TMS320F240包含 有双10位模拟转换器和基于PWM控制的管理器(6个比较单元、9路 P丽输出、2路光电编码器接口的编码单元)。图中的IPM为智能功率 模块，这里采用的是三菱电子的智能功率模块PM15RSH120，它不仅把 功率开关器件和驱动电路集成在一起。而且内部藏有电机电压、电流、 泵和电机轴承温升及流量、扬程、转速、功率、效率、进出口压力等 性能检测和监控电路。并可将检测信号送入CPU。即使发生负载事故 或使用不当，也可保证IPM自身不受损坏。PM15RSH120器件是先进的混合集成功率器件。它将三相逆变器的 6个IGBT单元功率器件全部集成在一个器件内，同时它对分离的驱动电路进行优化，将驱动电路和保护电路也集成到一个器件内.极大的方便了驱动电路的设计。PM15RSH120的控制输入可以和光耦合晶体管 相连，特殊设计的门极驱动电路不再需要使IGBT关断的负电源，这样 就简化了驱动电路。TMS320F240是TI公司专门为满足复杂电机高速数字控制要求而 设计的一种新型、廉价、高效、低功耗的DSP芯片，它将一个高性能 的16位DSP核和许多功能外设集成在单一芯片上，提供了较高的集成 度和较强的运算能力，同时，使目标系统的成本得到极大降低。与传 统的由8位或16位微控制器构成的系统相比，这种强大的处理能力和 专用外设电路的组合使所实现的目标控制系统效率更高、能量消耗更 低、可靠性更高。TMS320F240在片上还集成了多通道AD转换电路、 CAN控制器模块、串行通信接口电路、锁相环时钟产生电路等功能外 设。特别值得一提的是它内部集成的事件管理器模块是专门用于电机 控制的其中3个通用定时器除了用于产生周期信号外.还作为正交 脉冲编码单元(QEP)、捕获单元、P丽模块的时基信号比较单元和PWM 控制部分提供了多达9路比较/ P丽输出端，其中的6路PWM输出由 一个空间矢量模块控制.并具有死区逻辑，不需程序过多的干预就能 够方便地产生用于三相全桥逆变器6个功率开关元件的PWM触发信 号.从而实现对三相交流电机的控制；捕获单元(CAP)可用于及时地捕 捉电动机磁极位置信号的上升/下降滑，并通过查询相关计数器的值 来确定电机的转速正交编码器(QEP)可以对与电机同轴的光电编码 器、磁编码器所产生的正交编码信号进行计数，继而判断电机的转速、 位置和转动方向。2)、 PROUFIBUS-DP通信接口该接口直接用DSP和西门子公司的ASIC芯片SPC3来开发带 ROFIBUS—DP接口的泵智能控制系统，实现简单、方便，同时节约了成本，縮小了体积。SPC3集成了 PROFIBUS—DP物理层和数据链路层 的完整协议，能自动检测波特率(9. 6K 12M)，集成了 1. 5K的双口 RAM，它本身具有地址锁存功能和片选功能，上电后自动执行PROFIBUS —DP的从站状态机。PROFIBUS—DP接口主要由DSP接口和串行总线接口两部分组成，由 于DSP芯片TMS320F240在片内集成了 16K的Flash EEPR0M和544字 节的MRAM.完全能满足泵组系统及PROFIBUS—DP接口的需要.因此 无需外扩存储器，从而大大简化了硬件电路的设计。应用时TMS320F240 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。SPC3芯片的请求发送信 号(RTS)，发送数据信号(TXD)，接收数据信号(RXD)，通过高速光耦 6N137和总线收发器SN75ALS176B相连，构成串行总线接口。 光、电隔离电路采用现有成熟电路。控制系统软件采用功能模块的方法。系统软件主要由主程序， PROFIBUS—DP接口程序，中断服务程序，显示子程序，PI控制子程序 和有关子程序组成。PROFIBUS—DP接口程序，由于SPC3内部集成了完整的PROFIBUS 一DP协议，因此TMS320F240的主要任务是根据SPC3产生的中断，对 SPC3接收到的主站发出的数据转存，组织要通过SPC3发给主站的数 据，并根据要求组织外部诊断.因此，PROFIBUS—DP接口程序包括SPC3 初始化程序和具体的I / 0应用程序两部分。其中SPC3初始化程序包 括设置SPC3允许的中断，写入从站识别号和地址.设置SPC3方式寄 存器，设置诊断缓冲区、参数缓冲区、配置缓冲区、地址缓冲区初始 长度，并根据以上初始值求出各个缓冲区的指针及辅助缓冲区的指针 根据传输的数据长度，确定输出缓冲区、输入缓冲区及指针。中断程 序主要用来处理Pfm、 Crg和Ssa等报文。
权利要求1. 一种基于PROFIBUS-DP通信接口的泵智能控制系统，包括泵，驱动泵的变频调速电动机，控制变频调速电动机的由三相整流电路、滤波电路和IPM逆变器构成的主电路，其特征是所述的系统还设置PROFIBUS-DP总线，接口电路和以DSP微处理器为核心的控制电路，PROFIBUS-DP总线与接口电路中的总线收发器连接，DSP微处理器与接口电路中的专用通信协议接口芯片SPC3连接，DSP微处理器中的PWM输出经光、电隔离电路与主电路中的IPM逆变器连接。
2、 根据权利要求1所述的基于PROFIBUS—DP通信接口的泵智能 控制系统，其特征是DSP微处理器为核心的控制电路由芯片 TMS320F240、键盘及显示器和提供模拟量输入的各测量元件和传感器 组成。
3、 根据权利要求2所述的基于PROFIBUS—DP通信接口的泵智能 控制系统，其特征是提供模拟量输入信号的是置于泵和变频调速电动 机中相关部位的流量、扬程、转速、功率、效率、轴承温度、进口压 力、出口压力的测量元件和传感器。
4、 根据权利要求1所述的基于PROFIBUS—DP通信接口的泵智能 控制系统，其特征是接口电路由专用通信协议接口芯片SPC3、高速光 耦和总线收发器组成，其中SPC3通过高速光耦总线收发器与 PROFIBUS-DP总线连接。
5、 一种基于PROFIBUS—DP通信接口的泵智能控制系统，其特征 是所述系统中的IPM逆变器采用智能功率模块PM15RSH120。
专利摘要本实用新型涉及一种基于PROFIBUS-DP通信接口的泵智能控制系统，属于泵智能控制技术领域，本实用新型通过设置PROFIBUS-DP总线，接口电路和以DSP微处理器为核心的控制电路，在相关程序的支持下对电动机的各参数进行定时采样分析，监测显示，如超出规定数值，则发出报警信息，规定的参数数值可以通过键盘进行设计，在FCS系统中，泵智能控制系统以从设备的方式，按规范与现场总线接口(Anybus-s)进行数据交换，并在现场总线组态下运行具体的设备和进行监控，泵智能控制系统具有本地操作的人机界面(操作键和LCD显示屏)，并能进行远程操作，本实用新型采用模块化结构，结构简单，工作可靠，有利于现代工业系统的要求。
文档编号H04L29/02GK201114166SQ20072003946
公开日2008年9月10日 申请日期2007年6月7日 优先权日2007年6月7日
发明者董洪志, 进 陈 申请人:江苏迎浪科技集团有限公司