如何基于RS485總線設計小型集散系統(tǒng)？

1.前言

集散控制系統(tǒng)是一種價格昂貴的自動化控制裝置，國內(nèi)外集散系統(tǒng)制造公司，在生產(chǎn)大型集散系統(tǒng)的同時，都推出了同系列的小型集散系統(tǒng)，即使這樣，其價格對國內(nèi)小企業(yè)而言仍然偏高。我們從我國中小企業(yè)的實際情況出發(fā)，以個人計算機做操縱站，通過RS-485總線與多臺DCS基本控制器組成了一種簡易集散系統(tǒng)，經(jīng)濟實用。

2.系統(tǒng)的組成及其框圖

整個系統(tǒng)包括一臺PC或者IPC作為操縱站用于組態(tài)、實時監(jiān)控，多個DCS基本控制器(最多32個)負責現(xiàn)場控制，操縱站和基本控制器之間通訊采用RS-485總線標準。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。操縱站可選用帶有RS-485串行通訊接口工控機，或者選用一般PC機，但要在RS-232接口上增加一個RS-232/RS-485接口轉(zhuǎn)換器。我們采用Atronix的ADC-106接口轉(zhuǎn)換器可將RS-232C串行口的數(shù)據(jù)發(fā)送(TD)和數(shù)據(jù)接收(RD)信號轉(zhuǎn)換成兩線平衡的半雙工RS-485信號。每個控制器也配有相應的RS-485接口，我們采用MAXIM的MAX485收發(fā)器。

圖1. 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.系統(tǒng)通訊

3.1 通訊網(wǎng)絡的硬件構(gòu)成

3.1.1 RS-485簡介及系統(tǒng)連接圖

整個系統(tǒng)采用的RS-485總線標準進行數(shù)據(jù)傳輸。RS—485總線速度快(最大10MB/S),傳送間隔遠(90KB/S下可傳1200米), 以差分平衡方式傳輸信號，具有很強的抗共模干擾的能力，答應一對雙絞線上一個發(fā)送器驅(qū)動多個負載設備。因此產(chǎn)業(yè)現(xiàn)場控制系統(tǒng)中一般采用該總線標準進行數(shù)據(jù)傳輸。通訊網(wǎng)絡各節(jié)點均帶有RS-485串行通訊接口。在總線末端接一個匹配電阻，吸收總線上的反射信號，保證正常傳輸信號干凈、無毛刺。匹配電阻的取值應該與總線的特性阻抗相當(120歐)。整個通訊系統(tǒng)具體連接如圖2。

圖2 通訊網(wǎng)絡連接圖

3.1.2 ADC-106接口轉(zhuǎn)換器先容

該轉(zhuǎn)換器可直接插進標準的DB9針RS-232C串口，并從其中的TXD、DTR、RTS信號供電、并且供電信號電平應大于+5V、RS-485接口端通過自制DB9孔連接器連接。

3.1.3 MAX485收發(fā)器先容

基本控制器的網(wǎng)絡接口均采用了MAXIM公司的半雙工485總線收發(fā)器MAX485。其控制十分簡單，RE為接受控制端，DE為發(fā)送控制端。用 80C196KC的一個輸出口P1.0與兩個控制端相連，平時置P1.0為低，使控制器串口處于偵聽狀態(tài)，當要發(fā)送數(shù)據(jù)時使P1.0為高。收發(fā)器的網(wǎng)絡連接，如圖3。

圖3 MAX485連接示意圖

3.2 網(wǎng)絡通訊協(xié)議

PC 與各下位機實行嚴格的廣播式的主從通訊方式。從機不主動發(fā)送命令或數(shù)據(jù)，一切都由主機控制。從機之間通訊不能直接進行，而必須由主機中轉(zhuǎn)。數(shù)據(jù)通訊波特率為9600b/s。每個控制器都有唯一的地址號，此地址號唯一區(qū)別各控制器。幀格式為8位數(shù)據(jù)位，無奇偶校驗位，1位停止位。 數(shù)據(jù)格式采用數(shù)據(jù)包的形式，數(shù)據(jù)包格式如下：

PC(或 IPC)通過RS-485網(wǎng)絡廣播自己所要求的下位機地址，所有下位機都收聽廣播，記下廣播地址。各下位機把收到的地址與自己的地址進行比較，地址相同的下位機為被選中的下位機，其余下位機皆為未選中的下位機，暫時從網(wǎng)絡上隔離。網(wǎng)絡上只剩下主機與選中的下位機，按主從式雙機的通訊過程進行通訊。下位機通訊流程如下：

圖4 下位機通訊流程圖

4 基本控制器的設計及功能

基本控制器是控制的軟硬件核心，它設計的好壞將直接影響系統(tǒng)的可用性、實時性和可靠性。為滿足實時性高，數(shù)據(jù)處理量大的要求。選用intel公司的16位單片機80C196KC作為控制器的CPU。整個控制器采用雙CPU結(jié)構(gòu)，一個CPU主管數(shù)據(jù)采集、實時控制，一個CPU主管數(shù)據(jù)通訊，它們之間數(shù)據(jù)交換通過雙端口RAM(IDT7132)。整個控制用具有8路模擬量輸進通道，6路模擬量輸出通道(其中兩路為PWM輸出)，16路開關(guān)量輸進，16路開關(guān)量輸出，2個脈沖量輸進。其結(jié)構(gòu)如圖5所示：

主控CPU主管數(shù)據(jù)采集以及信號的處理，接受上位機發(fā)來的組態(tài)程序進行現(xiàn)場的控制。

由于采用了整個組態(tài)程序完全由上位機下傳至控制器的RAM中執(zhí)行的方式，使得控制非常靈活，主控CPU除了能進行基本的控制之外，還能進行先進的控制算法。另外還具有在線調(diào)整控制參數(shù)功能、多種報警功能。

通訊CPU的功能主要有：

完成串并行數(shù)碼的互換。

2.用串行通訊方式發(fā)送本地信息，識別本地地址并接受通訊數(shù)據(jù)。

3.對發(fā)送數(shù)據(jù)加上檢驗段，并檢查接收數(shù)據(jù)的檢驗段。

4.利用地址譯碼ROM把高速數(shù)據(jù)通道的目的地址和存儲器目的地址翻譯成對應的內(nèi)部存儲器地址。

5.通過向主CPU發(fā)出中斷，完成數(shù)據(jù)的內(nèi)部傳送，并產(chǎn)生讀寫脈沖，地址和各數(shù)據(jù)位。

6.數(shù)據(jù)通道電平和內(nèi)部TTL電平的匹配。

圖5 控制器結(jié)構(gòu)框圖

5 結(jié)論

通過以上的討論，可以看出整個系統(tǒng)有如下特點：

1)構(gòu)建系統(tǒng)本錢低廉，連接方便。

2)采用雙INTEL 80C196KC微控器協(xié)同處理控制任務，功能更強，速度更快。

3)利用80C196KC同一編址方式方便實現(xiàn)組態(tài)程序下載，使控制更靈活，更可靠。

4)具有獨立于CPU的WDT電路—MAX705，監(jiān)視CPU的程序運行情況，同時還能處理控制器的電源波動。