摘要：针对印刷机外围设备分散、数据传输信息量大、实时性和可靠性要求高等问题，设计了一种基于PROFIBUS-DP协议的I/O从站，用于BF4250B表格印刷机的分布式控制系统。控制系统由监控计算机运行的软PLC程序，通过PROFIBUS通信卡与现场I/O从站进行通信，形成分布式控制网络。介绍了分布式控制系统的整体结构、工作原理及特点；分析了PROFIBUS-DP协议、详细说明了采用C8051F020和SPC3的开发I/O从站的硬件电路、软件设计流程；给出了基于PROFIBUS现场总线的分布式控制系统网络组态与调试的方法。经系统测试和实际运行表明，I/O从站与监控计算机通信可靠、准确，实时性满足了印刷机控制系统的要求，具有一定的参考价值和广阔的应用前景。
关键词：PROFIBUS；软PLC；印刷机；分布式控制系统；SPC3
0 引言
印刷机由不同的机组构成，通常包括：给纸机组、胶印机组、柔印机组、张力控制机组、折页机组、裁单张机组，收卷机组等，各机组中存在大量的I/O信号，如何保证外围设备与控制主机之间的实时通信，使得印刷机可靠运行，目前采用的控制方式主要有2种：1）采用传统的PLC构成集散型控制系统（DCS）；2）采用基于现场总线的分布式I/O系统。采用前一种方式存在系统不开放、硬件投资大、布线复杂、维修不便的缺点，具有明显的局限性。而采用第二种方式基本局限于国外产品，如西门子公司的基于PROFIBUS分布式I/O控制系统，WAGO公司基于CANbus、DeviceNET、PROFIBUS分布式I/O控制系统，但价格较高。因此我们设计了基于PROFIBUS现场总线技术与软PLC的印刷设备分布式控制系统，用自行开发的PROFIBUS-DP I/O从站代替进口产品用于BF4250B表格印刷机中。
1 印刷机控制系统的整体方案设计
BF4250B表格印刷机的控制系统由内置主站通信适配卡的监控计算机和自行开发的PROFIBUS-DP从站构成，并由PROFIBUS专用电缆连接构成分布式总线网络，其总体结构如图1所示。分布在现场的I/O从站连接印刷机组的外围设备，并通过PROFIBUS总线通信接口与总线网络相连；监控计算机运行软PLC程序并通过PROFIBUS主站适配卡和连接在总线网络上的各个I/O从站之间进行实时通信，从而实现整个印刷机组的分布式控制和集中监管监控功能。控制系统中的监控计算机选用的研华公司的工控机（IPC）；软PLC选用德国3S公司的CoDeSys ；总线适配卡选用的是德国西门子公司的CP5613，用来完成现场总线和监控计算机之间的协议转换。各个I/O从站之间通过专用屏蔽电缆互联构成PROFIBUS总线网络，总线两端连接PROFIBUS总线终端器，用来提高系统的稳定性、增强系统的抗干扰能力。
图1 印刷机分布式控制系统总体结构
2 PROFIBUS I/O从站的设计
PROFIBUS是开放的，与制造厂商无关，无知识产权保护的国际标准（德国标准DIN19245、欧洲标准EN50170 、中国标准GB/T20540-2006），任何组织和个人都可以获得这个标准并设计各自的软、硬件解决方案。目前，开发PROFIBUS-DP从站有两种方法：1）利用微控制器，通过软件编程实现PROFIBUS-DP协议功能；2）利用微控制器，通过专用芯片（ASIC）实现PROFIBUS-DP协议功能，利用己固化协议的芯片来实现协议功能。比较两种设计方案：第一种方案硬件设计相对较简单，成本较低，但要求开发人员透彻了解PROFIBUS-DP的技术细节，程序编写工作量较大，开发周期长，传输速率低于500K bit/s。第二种方案利用硬件实现协议功能，硬件成本有所增加，但可以降低开发难度、缩短开发周期，传输速率12M bit/s，可靠性高，是目前普遍采用的方法。经综合考虑，采用第二种方案实现PROFIBUS I/O从站的设计。
2.1 I/O从站的硬件设计
各个印刷机组中有几个通用的按钮，分别是准备、点动、运行、停止和急停，方便操作工在各个机组上都可以对整个印刷机进行控制；每个印刷机组都有一部分自己单独的印刷控制按钮，只对当前机组有效，其中胶印机组主要有着水辊、着墨辊、合压、给墨、匀墨和水辊等；柔印机组主要有版辊气缸、合压和匀墨等；印刷机组的不同工作状态由相应的指示灯显示；除此之外每个印刷机组I/O还包括控制气缸的电磁换向阀和行程开关。I/O从站除了满足印刷机组上述的控制要求外，还要具备PROFIBUS-DP通信接口，因此在硬件设计上采用了模块化结构，由微控制器C8051F020、协议的芯片SPC3、以及输入/输出接口模块、通信接口模块、从站地址设定模块和电源模块组成，其整体结构如图2所示。
图2 PROFIBUS-DP从站硬件结构图
2.1.1 微控制器与协议芯片接口电路设计
微控制器是I/O从站的核心，应能够通过输入/输出接口与印刷机组的现场设备相连，并能够通过协议芯片与PROFIBUS主站进行实时通信。经综合考虑，选择美国Cygnal公司的C8051F020作为微控制器。它内含CIP-51的CPU内核，其指令系统与MCS-51完全相同，具有64kB片内FLASH程序存储器、128B的非易失性存储器。C8051F020的片上资源很丰富，包括：8组I/O端口、A/D和D/A转换器、多个中断源、增强型UART、支持JTAG调试功能，能够满足单个印刷机组的控制要求。采用这种系统级SOC芯片，在很大程度上减少了外围元器件的数量，从而减少了元器件间的走线，有利于提高I/O从站的可靠性和稳定性。
协议的芯片选择封装了PROFIBUS-DP协议的SPC3，其最大传输速率可达12Mbps，能够自动检测总线上传输速率，内部具有1.5K字节的双口RAM。SPC3从初始化到正常工作，都由芯片内部集成的状态机来控制，不需要微控制器过多干预。SPC3支持所有8位处理机和微处理器，只要按正确方法对SPC3中的寄存器和数据区进行初始化后，对其双口RAM进行数据的读写操作即可完成从站与主站间的通信。微控制器C8051F020与协议芯片SPC3的接口电路设计参考SPC3芯片手册的标准电路设计完成。
2.1.2 输入/输出接口电路设计
每个印刷机组的PROFIBUS I/O从站要求具有16路开关量输入和16路开关量输出功能。输入接口用于连接各种按钮和行程开关。按钮的触点为干接点，气缸的行程开关和传感器选用的是PNP型（共源型），工作电压为直流24V，所以输入接口电路设计为触点共源型，即多个开关的公共端连接到24V电源的正极，开关闭合后，电流从开关流入DI光耦（TLP512）接口，经光耦隔离后接入微控制器的输入端口。输出接口用于控制各种状态指示灯和电磁换向阀，工作电压均为直流24V。为了和输入接口保持一致，输出接口也设计为共源结构。为了提高I/O从站的稳定性和抗干扰能力，输出接口也采用光电耦合器TLP512， 将微控制器C8051F020输出端口与现场的负载完全隔离。在输出通道与光电隔离电路之后，还使用输出驱动芯片UDN2981来增强输出接口的驱动能力。输出接口的具体电路设计如图3 所示。
图3 PROFIBUS-DP从站输出接口电路
2.1.3 总线通信接口电路设计
PROFIBUS-DP的数据传输通过RS-485接口实现，为了消除来自总线的干扰，需要采用了双路电源供电，对通信信号的输入/输出通道进行光电隔离。协议芯片SPC3的数据发送请求（RTS）、数据输入（RXD）、数据输出（TXD）引脚经隔离后与总线驱动器相连。若采用SPC手册推荐的电路需要2片HCPL7721隔离TXD、RXD；1片HCPL0601隔离RTS，匹配电阻、电容较多，电路复杂。所以在设计中采用AD公司的ADUM1301芯片，该芯片拥有iCoupler隔离技术，与传统的光耦器件相比优势非常明显：完全满足工业现场宽范围的温度（-40℃~105℃）要求；低功耗；最高可达90Mbps的传输速率；可以隔离3路信号，所需的外围元件少。总线驱动器选用PROFIBUS网络优化的RS-485发送接收器SN75176，其符合EN50170标准，信号传输速率高达40 M bit/s，接收器在总线开路、断路、空闲时有故障安全保护功能。PROFIBUS-DP总线通信接口的电路设计如图4所示。
图4 PROFIBUS-DP从站总线通信接口电路
2.2 I/O从站的软件设计
在PROFIBUS-DP从站设计中，硬件的选择与电路设计直接影响从站性能的稳定和通信速度。I/O从站要完成与主站的通信任务和控制功能，还需要设计相应的配套软件。由于PROFIBUS-DP协议的状态机集成在SPC3中，使得C8051F020的主要任务在于初始化和启动SPC3、数据的发送和接收、诊断事务及中断事务处理等。
2.2.1 I/O从站的软件的整体结构
在I/O从站中微控制器C8051F020需要通过SPC3协议芯片读入总线上发来的数据并通过总线把数据发送给主站，还需根据系统要求组织外部诊断和处理中断任务等。这些功能是通过DPS2固件的不同程序模块来实现的：1）主程序USERSPC3.c，主要完成SPC3初始化、启动、发送和接收数据以及诊断功能；2）中断模块INTSPC3.c，主要完成分配从站参数、组态数据检查和从站地址设定等功能；3）DPS2SPC3.c模块，主要完成计算数据长度、辅助缓冲区分配、缓冲区初始化、设置I/O数据长度及缓冲区数据更新等功能；4）DPS2USER.h模块，主要用来定义变量和宏接口，使用户可以方便访问SPC3的寄存器。
微控制器C8051F02需要对SPC3进行合理的配置、初始化及对各种总线报文的处理。在初始化SPC3后，启动SPC3从站开始工作，主程序进入无限循环。主程序流程如图5所示。
图5 I/O从站主程序流程图 图6 SPC3初始化流程图
2.2.2 SPC3的初始化
在SPC3正常工作之前，微控制器需要对其进行初始化以配置所需要的寄存器，SPC3的的初始化流程包括：设置协议芯片的中断允许、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、初始化长度，并根据以上初始值得出各个缓冲区的指针和辅助缓冲区的指针。根据传输的数据长度，确定输出缓冲区、输入缓冲区及指针。SPC3的初始化流程如图6所示。
由于SPC3内部集成了完整的PROFIBUS-DP协议，因此用户不用参与处理PROFIBUS状态机制，SPC3可以自主实现从站状态机的转换，同主站进行通信。主站可以读取SPC3输入缓冲区的数据或向输出缓冲区内写入要输出的数据。只有当SPC3进入了数据交换状态，对其输入输出缓冲区的读写才有意义。SPC3处于数据交换状态时，除了同主站进行输入输出数据交换外，还可以接收新的参数化报文、组态报文、从站地址设置报文以及全局控制命令报文等，这些报文的到来都可以触发一个公用的中断，当中断到来时应用程序通过读取SPC3的中断寄存器来判断触发中断的原因并进行相应的中断处理。
2.3 I/O从站的调试
I/O从站电路板焊接完成后，首先需要进行硬件电路的测试，检查电路是否正常，芯片是否正常工作；然后通过JTAG接口连接仿真器，通过编写测试程序对C8051F020的外围电路进行功能检查。当测试硬件电路达到设计要求后，重要的工作就是软件的调试工作。调试I/O从站之前必须组建PROFIBUS总线网络，并在计算机上进行网络组态。采用基于PC+软PLC构成的PROFIBUS-DP一类主站的网络结构进行调试，总线系统网络结构如图1所示。I/O从站的调试分三步进行：第一步用德国WAGO公司的PROFIBUS I/O从站建立一主+一从的总线网络，编写PLC测试运行程序，利用RS485-232转接模块与串口调试助手软件监测PROFIBUS总线上的报文，并记录；第二步用自行开发的I/O从站替换WAGO公司的I/O从站，运行相同PLC测试程序并监测总线上的报文，并与第一步监测到的报文进行对比、找出不同之处进项分析、修改I/O从站软件，直到总线上的报文与第一步监测到的报文相同；第三步把自行开发的I/O从站和WAGO公司的I/O从站连接到同一总线网络中进行兼容性测试。
3 I/O从站在BF4250B表格印刷机中的应用
I/O从站进行兼容性测试后，需要根据电气接线图把印刷机各个机组的现场信号连接到I/O从站的输入输出端，印刷机组的I/O外部接线示意图如图7所示。每个机组完成现场接线后，再根据图1所示的网络结构用PROFIBUS专用电缆把所有机组的I/O从站和监控计算机连接，构成基于PROFIBUS总线的分布式控制系统。监控计算机运行德国3S公司的CoDeSys软PLC软件，作为PROFIBUS总线网络的主站（相当于一台高性能可编程控制器）。分布式控制系统正常工作前还要进行PROFIBUS–DP总线网络的硬件组态，其过程包括：1）加载CP5613通信卡建立网络的主站；2）加载从站设备的GSD文件；3）设置PROFIBUS总线相关参数（如通信波特率，从站ID号等）；4）组态整个PROFIBUS–DP总线网络，将组态好的信息和编写好的PLC控制程序下载到软PLC实时运行环境RTE中。
图7 PROFIBUS-DP从站I/O外部接线示意图
4 结论
（1）基于C8051F020和SPC3的PROFIBUS I/O从站设计方案合理，I/O从站能够实现与主站之间的正常通信。
（2）自行开发设计I/O从站能够应用于基于PROFIBUS现场总线的分布式控制系统中，并能与其它公司的PROFIBUS I/O从站在同一总线网络中运行，具有很好的兼容性。
（3）基于PROFIBUS现场总线与软PLC的分布式控制系统在BF4250B表格印刷机上成功试运行表明，所设计的I/O从站能够满足印刷设备控制系统的要求。
参考文献：
[1] 阳宪惠．现场总线技术及其应用[M]，清华大学出版社，1999年
[2] 孙鹤旭，梁涛，云利军．PROFIBUS现场总线控制系统的设计与开发[M]，国防工业出版社，2007年
[3] 王永华，A.Verwer（英）．现场总线技术及应用教程[M]，机械工业出版社，2006年
[4] SIEMENS．DPC31 HARDWARE DESCRIPTION[Z]，2002年
[5] 新华龙电子．C8051F020/1/2/3混合信号ISP FLASH微控制器数据手册[Z]，2002年
