CN101770239A - 基于Profibus DP冗余通信技术的智能电动执行机构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于Profibus DP冗余通信技术的智能电动执行机构，来自采样电路的信号与来自阀位反馈单元的模拟信号经过微处理器进行比较运算，根据两者偏差输出控制信号到驱动模块输出控制电机运动，电机的行程同时通过阀位反馈单元反馈到微处理器，外界信号通过Profibus DP冗余通信接口处理后送入微处理器，人机界面设定参数输出到微处理器，微处理器输出状态值给人机界面显示。在智能电动执行机构基础上增加了ProfibusDP冗余通信功能，可基本不用改动系统布线，维护原有投资，冗余接口保证了智能执行机构的高可靠性，进一步提高了Profibus DP现场总线控制系统的可用性。

Description

基于Profibus DP冗余通信技术的智能电动执行机构

技术领域

本发明涉及一种电动执行机构控制，特别涉及一种基于Profibus DP冗余通信技术的智能电动执行机构。

背景技术

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，总线化是大趋势。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，但是在实际工业生产中，Profibus DP现场总线控制系统的各个部分都可能发生不同种类的故障，对现场总线控制系统而言，系统可靠性成为一个关键的设计目标。单靠Profibus DP总线协议本身不能完全保证可靠性，网络通信线路，节点连接块或连接器及位于智能设备上的总线收发模块都是影响Profibus DP现场总线控制系统可靠性的瓶颈之一。因此在设计Profibus DP现场总线控制系统时需要考虑故障预防，故障容错及失效安全技术。作为重要的控制元件，具有Profibus DP冗余通信功能的智能电动执行机构是具有高可用性的Profibus DP现场总线控制系统的重要组成部分。

符合Profibus Specification：Slave RedundancyV1.2标准要求的Profibus DP冗余电动执行机构，无论Profibus DP主站是否支持ProfibusDP从站冗余功能，都可实现两路Profibus DP通信链路之间自动切换.能够兼容原有Profibus DP控制系统。因为符合国际标准，协议一致性和互操作性得到保证。

目前基于Profibus DP冗余通信技术的智能电动执行机构在国内市场上一直被为数不多的国外公司产品所垄断，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，降低了企业的竞争能力，因此研发具有自主知识产权的基于Profibus DP冗余通信技术的智能电动执行机构具有很大的现实意义。

发明内容

本发明是针对现有Profibus DP智能电动执行机构无法实现冗余及高可用性的问题，提出了一种基于Profibus DP冗余通信技术的智能电动执行机构设计方案并完成了产品开发。在智能电动执行机构基础上增加ProfibusDP冗余通信功能，该功能实现严格按照<Profibus Specification：SlaveRedundancy V1.2>，同原有Profibus DP智能电动执行机构一样，可选择地实现组态、调试、诊断和数据管理等功能，如查看执行机构特性、动态偏差、阶跃响应等信息。此外，作为基本执行元件，Profibus DP电动执行机构具有从站冗余功能，便于设计具有高可用性的Profibus DP现场总线控制系统。

本发明的技术方案为：一种基于Profibus DP冗余通信技术的智能电动执行机构，包括以微处理器为核心的MCU控制单元、阀位反馈单元、驱动模块和Profibus DP冗余通信接口，MCU控制单元包括微处理器CPU、电源模块、采样电路、显示器人机界面和常规的红外遥控接收器、故障检测、报警输出，阀位反馈单元包括位置检测电路，驱动模块包括固态继电器驱动，电源模块为微处理器提供电源，来自采样电路的信号与来自阀位反馈单元的模拟信号经过微处理器进行比较运算，根据两者偏差输出控制信号到驱动模块，驱动模块输出控制电机运动，电机的行程同时通过阀位反馈单元反馈到微处理器，外界信号通过Profibus DP冗余通信接口处理后送入微处理器，人机界面设定参数输出到微处理器，微处理器输出状态值给人机界面显示或报警输出。

所述Profibus DP冗余通信接口由两块DPC31芯片，串口控制电路，双口RAM，RS485驱动电路构成，两块DPC31芯片通过双口RAM冗余通道交换数据，两块DPC31与电动执行机构本体之间通过串口控制电路交换数据，每块DPC31通过看门狗监控程序运行，在DPC31与Profibus DP网络之间通过RS485驱动电路实现电气隔离和RS485驱动。所述两块DPC31芯片中任意一块出现故障，将通过双口RAM冗余通道或Profibus DP网络主站命令进行工作状态切换。

本发明的有益效果在于：本发明基于Profibus DP冗余通信技术的智能电动执行机构，首先，兼容原有Profibus DP协议；其次，两路冗余链路可共存与同一Profibus DP网络，也可分别接入两个Profibus DP网络，对于原有Profibus DP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，冗余接口保证了智能执行机构的高可靠性，进一步提高了Profibus DP现场总线控制系统的可用性。

附图说明

图1为本发明基于Profibus DP冗余通信技术智能电动执行机构原理框图；

图2为本发明基于Profibus DP冗余通信技术智能电动执行机构中ProfibusDP冗余通信接口上电启动示意图；

图3为本发明基于Profibus DP冗余通信技术智能电动执行机构中ProfibusDP从站初始化流程图。

具体实施方式

如图1所示基于Profibus DP冗余通信技术的智能电动执行机构原理框图和结构示意图，包括以微处理器12为核心的MCU控制单元、阀位反馈单元、驱动模块9和Profibus DP冗余通信接口1，MCU控制单元除了微处理器CPU外还包括电源模块7、采样电路11、显示器人机界面2和常规的红外遥控接收器10、故障检测3、报警输出4；阀位反馈单元包括位置检测电路5和力矩开关6；驱动模块9还包括固态继电器及其组成的控制；Profibus DP冗余通信接口1由两块DPC31低功耗的智能从站协议芯片，串口控制电路，双口RAM，RS485驱动电路构成。电源模块7为微处理器12提供电源，来自采样电路11的信号与来自阀位反馈单元5的模拟信号经过微处理器12进行比较运算，根据两者偏差输出控制信号到驱动模块9，驱动模块9输出控制电机8运动，电机8的行程同时通过阀位反馈单元5反馈到微处理器12形成闭环控制，外界信号通过Profibus DP冗余通信接口1处理后送入微处理器12，人机界面2设定参数输出微处理器12，微处理器12输出状态值给人机界面2显示。

本发明通过设置Profibus DP冗余通信接口1、MCU控制单元，4～20mA模拟输入信号与来自阀位反馈单元5的位置检测信号经过MCU控制电路单元，进行比较运算，根据两者偏差输出控制信号到驱动模块9，实现智能电动执行机构的定位并带动电机8运动，电机8的行程同时通过阀位反馈单元5反馈到MCU控制单元形成闭环控制；同时，Profibus DP冗余通信接口通过处于工作状态的Profibus DP通信接口接收来自Profibus DP主站的数据，转发给智能电动执行机构本体上微处理器MCU进行处理；处理的结果经过Profibus DP冗余通信接口的处于工作状态的Profibus DP通信接口发送给Profibus DP主站。本发明中，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MCU通过ProfibusDP冗余通信接口收发，Profibus DP冗余通信接口负责实现两路ProfibusDP接口在工作状态与备用状态之间自动切换。

(1)MCU控制单元

MCU控制单元内部集成12位AD转换器、12位DA转换器、高达60KB的FLASH存储器以及2KB的RAM可以节省许多外围芯片，大大简化硬件电路设计。

(2)Profibus DP冗余通信接口

该接口用Profibus DP协议专用芯片DPC31和串口控制电路，双口RAM，RS485驱动电路共同构成。每块DPC31上除实现标准的ProfibusDPV0，DPV1功能外，还通过双口RAM这个冗余通道与另一块DPC31交换数据。两块DPC31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DPC31之间进行协调，保证数据交换快速有效。每块DPC31通过看门狗监控程序运行，一旦超时即自动重启。在DPC31与Profibus DP网络之间通过RS485驱动电路实现电气隔离和RS485驱动。

在正常上电时，两块DPC31分别初始化，接下来两块DPC31通过冗余通道协调工作状态，两块DPC31将分别处于以下两种状态之一：

S_Primary：DPC31与Profibus DP主站建立数据交换关系，实现

           Profibus DP总线通信；

S_Waiting：DPC31始终处于初始化状态，没有实现Profibus DP总线通信。

两块DPC31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DPC31启动成功，并已经与Profibus DP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状态的的DPC31会通过冗余通道通知处于S_Waiting状态的DPC31，即认为该DPC31故障，要求进行冗余切换，此时处于S_Primary状态的DPC31切换到S_Waiting状态，而处于S_Waiting状态的DPC31切换至S_Primary状态，此时刚切换到S_Primary状态的DPC31继续等待主站初始化命令。一旦主站将处于S_Primary状态的DPC31初始化成功，并进入数据交换状态。则该DPC31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DPC31。两块DPC31启动过程如图2所示。

Profibus DP主站与Profibus DP冗余通信接口中DPC31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(DPC31)上电初始化过程。从站(DPC31)初始化过程如图3所示：

Profibus DP主站首先检查Profibus DP冗余通信接口的DPC31(从站)是否在总线上，如果该DPC31处于工作状态，则主站通过请求从站诊断数据来检查DPC31准备情况，当处于工作状态DPC31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DPC31，主站再请求从站的诊断数据以确信该DPC31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DPC31循环交换用户数据。此时处于工作状态的DPC31通知处于备用状态的DPC31当前状态信息，实现信息冗余。

Profibus DP冗余通信接口的两块DPC31会再下面两种情况下进行冗余切换，使处于备用状态的DPC31切换到工作状态，处于工作状态的DPC31切换到备用状态。

1)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 RedundancyV1.2>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DPC31进行工作状态切换。

2)主站检测到与处于工作状态的DPC31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DPC31发送状态切换命令，该DPCD31接收到主站冗余切换命令后将进行工作状态切换。

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DPC31切换到工作状态后，它首先采用此前处于工作状态的DPC31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DPC31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。

处于工作状态的DPC31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DPC31出现故障，此时一方面将该DPC31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DPC31内部增加一个定时器Toh监视冗余切换后处于工作状态的DPC31与Profibus 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DPC31未能与Profibus DP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。

Claims (2)

1.一种基于Profibus DP冗余通信技术的智能电动执行机构，包括以微处理器为核心的MCU控制单元、阀位反馈单元、驱动模块和ProfibusDP冗余通信接口，MCU控制单元包括微处理器CPU、电源模块、采样电路、显示器人机界面和常规的红外遥控接收器、故障检测、报警输出，其特征在于，阀位反馈单元包括位置检测电路，驱动模块包括固态继电器驱动，电源模块为微处理器提供电源，来自采样电路的信号与来自阀位反馈单元的模拟信号经过微处理器进行比较运算，根据两者偏差输出控制信号到驱动模块，驱动模块输出控制电机运动，电机的行程同时通过阀位反馈单元反馈到微处理器，外界信号通过Profibus DP冗余通信接口处理后送入微处理器，人机界面设定参数输出到微处理器，微处理器输出状态值给人机界面显示或报警输出。2、根据权利要求1所述的基于Profibus DP冗余通信技术的智能电动执行机构，其特征在于，所述Profibus DP冗余通信接口由两块DPC31芯片，串口控制电路，双口RAM，RS485驱动电路构成，两块DPC31芯片通过双口RAM冗余通道交换数据，两块DPC31与电动执行机构本体之间通过串口控制电路交换数据，每块DPC31通过看门狗监控程序运行，在DPC31与Profibus DP网络之间通过RS485驱动电路实现电气隔离和RS485驱动。

3.根据权利要求2所述的基于Profibus DP冗余通信技术的智能电动执行机构，其特征在于，所述两块DPC31芯片中任意一块出现故障，将通过双口RAM冗余通道或Profibus DP网络主站命令进行工作状态切换。

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