作者：李祖林1, 2，桂卫华1    1中南大学信息科学与工程学院，2湖南建材高等专科学校
摘　要：介绍了基于PROFIBUS现场总线的控制系统设计方法，利用ASIC芯片SPC3和双单片机AT89S52与AT90S8515设计了DP总线的接口电路和回转窑主电机控制系统，给出了其硬件及软件实现。
关键词：PROFIBUS；现场总线；过程自动化；回转窑；
中图分类号：TP273          文献标示码：A
Application of Rotary Kiln Control System Based on FieldBus Technique
LI Zu-lin ,GUI Wei -hua
Abstract: This paper introduces design means of control system based on profibus fieldbus，DP bus interface and rotary kiln master motor  control circuit is designed by using SPC3 chip, dual  single  Micro-chip AT89s52 and AT90S8515，and designed rotary kiln temperature measurement and control system. It  provides hardware and　software based on　bus system. 
Key words: PROFIBUS；fieldbus；process  automation；rotary kiln 
 
1引言
现场总线控制系统FCS(Fieldbus Control System)将传统系统的集中控制转换为现场分散控制，实现功能集中、危险分散，形成开放性的控制网络。将其应用在过程自动化系统PAS（Process Automation System）中，将解决传统DDC控制系统和DCS系统因采用专用通信协议而带来“自动化孤岛”的问题。本文应用PROFIBUS现场总线技术设计了水泥回转窑智能化、网络化的控制系统。
2        PROFIBUS现场总线技术
2.1概述
PROFIBUS在加工制造自动化、生产过程和楼宇自动化等领域己经得到了广泛的应用。从 PROFIBUS的应用范围看，它不仅负责控制器与现场装置之间的信息传送，而且还负责控制器与控制器、控制器与操作站之间的信息传送。PROFIBUS现场总线由PROFIBUS-DP (Decentralized Periphery) ,PROFIBUS-PA(Process Automation)和PROFIBUS-FMS(Fieldbus Message Specification)三个兼容部分组成。
2.2 PROFIBUS现场总线协议结构
PROFIBUS可使分散式数字化控制器从底层到车间级网络化，该系统分为主站和从站。主站决定总线的数据数据通信，当主站得到期总线控制权（令牌）时，没有外界请求也可主动发送信息。从站为外围设备包括：输入输出装置、阀门、驱动器和测量变送器，没有总线控制权，仅对接收到的信息予以确认或当主站发出请求时发送信息。PROFIBUS协议结构是根据ISO7498国际标准以开放系统互联网络OSI为参考模型，协议结构如图1所示。
­­湖南省教育厅青年资助项目　04C035
2.3 PROFIBUS现场总线存取协议
PROFIBUS-PA、FMS和DP 均使用单一的总线存取协议，通过OSI参考模型的第2层实现，包括数据的可靠性、传输协议和报文处理。在PROFIBUS中，第2层称为现场总线数据链路层（FDL，fieldbus data link）。介质存取控制MAC（medium access control）具体控制数据传输的程序，MAC必须确保在任何时刻只能有一个站点发送数据。因此，PROFIBUS总线存取协议包括主站之间的令牌传递方式与从站之间的主从方式。
令牌传递程序保证了每个主站在一个确切规定的时间内得到总线存取权（令牌），令牌是一条特殊的电文，它在所有主站循环一周的最长时间是事先规定的，在PROFIBUS中，令牌只在各主站之间通信时使用。
令牌调度原理是在多主网络中令牌调度必须确保每个主站有足够的时间完成它的通信任务，用户组织全部目标令牌循环时间(TTR) 进入所有主站的通信任务帐户，每一个主站根据下式计算它接收令牌后完成它的通信任务的时间(TTH):
TTH = TTR- TRR
其中，TTH为持有令牌时间，TTR 为目标令牌循环时间，TRR为实际令牌循环时间。
3基于PROFIBUS DP总线协议的水泥回转窑传动控制实现
通过对PROFIBUS现场总线的协议结构和总线存取协议时间的分析，因此，采用基于PROFIBUS现场总线协议专用芯片SPC3和双单片机实现回转窑传动控制，并完成与PROFIBUS现场总线的接口通信。
3.1 PROFIBUS DP总线接口电路设计
PROFIBUS DP接口主要由微处理器AT89S52接口和串行总线接口两部分组成。微处理器接口电路如图2所示。AT89S52通过P0口和P2口扩展外部存储器,P0口既作为SPC3的数据信号也作为外部RAM的地址信号线，P2口作为SPC3的地址信号线。SPC3 芯片通过请求发送信号(RTS),发送数据信号(TXD),接收数据信号(RXD) 通过高速光耦和总线收发器相连, 构成串行口。在本文中，AT89S52单片机的资源分别如下： P0口是双向8位并行I/O口，通称数据口，因为只有该口能直接用于对外部存储器的读写操作，它可以作为访问外部存储器时的地址总线低8位输出，由于分时输出，故在外部加地址锁存器74LS244将此数据地址锁存，地址锁存信号为ALE。P2口是内接上拉电阻的准双向I/O口，主要作为地址总线的高八位。P3口P3口是内接上拉电阻的准双向I/O口，主要作为第二功能使用，本系统中P3.2（12脚）的第二功能 用于连接SPC3的X/INT中断信号。

3.2回转窑主电机控制电路设计
AT90S8515是Atmel公司生产的RISC单片机，具有4K/8K字节FLASH， 256/512字节E2PROM，256/512 字节SRAM，32个通用I/0口，32个通用工作寄存器，具有比较模式的灵活的定时器/计数器，内外中断源，可编程的UART，可编程的看门狗定时器，SPI口以及两种可通过软件选择的省电模式。工作于空闲模式时CPU将停止运行，而寄存器定时器/计数器看门狗和中断系统继续工作。掉电模式时振荡器停止工作，所有功能都被禁止，而寄存器内容得到保留，只有外部中断或硬件复位才可以退出此状态。其中A口、B口、C口和D口是8位双向I/O口，并能通过定时器产生SPWM脉冲信号。回转窑主电机的三相同步信号经调理电路和A/D转换输入到单片机ATmeaga8515的PA口，利用此信号判断相序、缺相并在显示模板上显示，单片机PC口通过8155读取键盘按钮和正转、反转等开关信号；单片机的PB口输出经SLE4520产生SPWM调制信号，作为窑主电机主回路可控硅的触发信号，从而控制回转窑转速。SLE4520 是一个可编程三相PWM集成电路, 它能把3个8位数字量同时转换成三路相应脉宽的矩形波信号, 可产生三相逆变器所需的6路控制信号, 输出的SPWM波的开关频率达2 kHz。 ATmeaga85