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Profibus DP 从站冗余技术及其在智能电动执行机构中的应用(下)

来源:本站 编辑:admin 发布时间:2020-05-18 16:39:43 文章点击数:65
4  Profibus DP从站冗余规范 根据 PNO 的规范〈Specification Slave Redundancy 乂1.2>的规定,冗余的DP从站具有下述通信模型:具 有两个独立通信组件并且提供一个接口给从站应用程 序作为IO模块。两个接口之间通过RedCom通道作 为联系纽带。根据实现的要求,可以设计为紧耦合系 统,也可以设计为松耦合系统。

结合 Profibus 规范 EN50170,PNC)的 Specification Slave Redundancy给出了冗余从站的通信模型如下图, FSPMS层根据MS0,MS1提供的服务生成相应的 服务给冗余从站应用使用,冗余从站根据FSPMS层提 供的事件,RedCom事件,内部运行情况产生事件进行 处理,主要事件有

RedC_Check.req/ind/res/ cnf,RedC_Switchover. req/ind/res/cnf,FSPMS Reset.req/cnf,FSPMS Set Slave Diag.req/cnf,FSPMS Set Output.req/cnf,FSPMS Get In­put.req, FSPMS Abort.req, FSPMS Prm Cmd.ind,FSPMS Stopped.ind, FSPMS_New_Output.ind.

所有这些事件G处理可以通过规范中定义的状态 机进行处理。

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具体而言,在实现时按下述状态进行跳转,在图5中, 对状态跳转作了简单介绍,在上电初期,两个从站接口通 过竞争关系确定两个状态;S_Prima ry,S_Waiting。一个从 站接口处于S_Priimry状态,另一个处于S_Waiting状态。 处于S_Primary状态的从站接口准备好与Profibus DP主 站建立通信连接,而处于^Waiting状态的从站接口则处 于复位状态,不能与Profibus DP主站建立连接。在启动时 I司(Start_Up_Time)内处于S_Primary状态的从站接口按 照标准从站状态机启动,一旦收到正确的SET_PRM, SET_CFG报文,从站将进入数据交换状态,此时如果主站 发送PRM_CMD命令过来,则该从站接口的冗余状态机 会进入第一从站状态。如果在启动时间内S_Primary状态 的从站接口没有被主站正确参数化并进入数据交换状态, 那么该从站接口会主动发起切换,从S—Primary状态切换 到S_Waiting状态。另一个处于S_Waiting状态的从站接 口切换$IS_Primary状态。如果两个从站接口一直都没有 被正确参数化,那么启动时间以2S的倍数增加,直到32S 为止。在任何'状态,一旦接收到二类主站的读写请求,都予 以响应,进入C_Configure状态


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5基于DPC31的冗余Profibus DP智能电动执 行机构实现

根据Profibus DP冗余规范定义,可以发现,冗余从站比单一通道从站复杂,在实现形式上有两种,一种是采用单CPU+双链路层控制器,在单CPU中实现两个协议栈并构成软件形式的冗余通道;另一种是采用双CPU+双链路层控制器的方式,这种形式下一般CPU和链路层控制器集成在一起,每个CPU内部实现一个协议栈,两个CPU之间采用专用硬件实现冗 余通道。从可靠性来说,后一种方案高于前一种方案,从实现难易程度来看,前一种方案优于后一种方案。我们采用后一种方案实现了冗余Profibus DP智能电动执行机构。如框图6.

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5.1硬件方案

在图6的实现方案中,选用Siemens公司DPC31作为核心CPU,DPC31(集成8031内核的DP控制器)是一款高度集成的Profibus从站芯片。它可以用于 Profibus DPV0/DPV1以及PA应用中。该芯片具有广泛的用途,一方面,可以用于需要集成的C31内核的简单、智能应用中。另一方面,也可用于有增强通讯要 求的高性能从站方案中。增强的通讯要求可以借助达 6k字节内部RAM来实现。大约有5.5k字节的通讯存储空间供用户使用。DPC31具有8位并行可扩展微处理器接口,可连接Siemens,Intel,Motorola的处理器;SPI接口可扩展EEPROM,掉电时存储用户参数;内部集成的C31核可以完成预处理;多达40位的I/O 接口;支持同步曼彻斯特编码,可实现PA设备开发。

冗余通道采用FPGA实现,可以针对冗余从站的 冗余信息交换需要随时定制接口,提高交换效率,避免使用双口 RAM等昂贵器件,另一方面可以大量集成 冗余从站中其他数字逻辑,节省电路板空间。

IM执行机构本体是公司目前正常生产的执行机构,接口统一,在IM执行机构本体与Profibus DP冗余 通信板之间通过串行通信方式交换数据。

由于Profibus DP从站物理层是RS485接口,因此在驱动电路部分按照Profibus规范进行设计,采用光电隔离和RS485驱动芯片实现底层信号传输,通过设置终端电阻,保证信号阻抗匹配。

5.2软件设计

由于软件主要分为三个部分:DPC31链路层控制器的初始化及中断处理,Profib us DP从站状态机,冗余协议栈实现。其中DPC31链路层控制器在上电复 位后即进行初始化,配置各个寄存器。中断处理程序 中处理DPC31发生的各种事件,包括参数化,全局控制命令,进入/退出数据交换状态事件,配置下载,设置从站地址,t佥测到波特率,看门狗溢出等等。Profibus DP从站状态机严格按照Profibus DP协议要求实现, 见图7。

由于DPC31内部集成了状态机,需要用户程序 对各种事件进行处理并控制状态机跳转。冗余协议栈 软件实现中主要考虑冗余状态机跳转及冗余通道设 计,其中冗余状态跳转同Profibus DP从站状态机及冗 余通道数据交换联系紧密,在系统设计时采用单CPU 方案,用软件实现冗余通道,可以保证冗余数据交换的 实时彳生。试验证明冗余数据交换的实时彳生及冗余状态 机的及时切换是冗余电动执彳亏机构可靠运行的前提。

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5.3 GSD文件设计要点

除了在协议实现方面要符合冗余从站规范要求, 在GSD中需要增加一些关键字: Prm_Block_Structure_supp = 1 PrmCmd一 supp        = 1

Slave 一Max一 Switch一 Over一Time = 5 Slave 一 Redundancy一supp = 8

这样冗余DP主‘才能配合从站的切换,及时发 出切换报文PRM一CMD。

6结论

从站冗余作为一种可靠彳生技术,随着S7-400H冗 余控制系统的大规模应用,在电厂等需要高可靠性的 场合必然形成对符合从站冗余规范要求的冗余从站的 迫切需求,本文以双CPU方案为例,探索了 Profibus DP冗余从站的实-问,,开发出具有自仪@色的 Profibus DP冗余电动执行机构,并在S7-400H系统下 通过集成测试,有部分产品成功运用到污水处理厂等 典型工业控制现场。




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