结晶器钢水液位现场总线控制系统

编号：

题 目： 结晶器钢水液位现场总线控制系统

学院：

专业： 过程装备与控制工程

目 录

摘要................................................................................................................................ 1 Abstract .......................................................................................................................... 2 第一章 绪论................................................................................................................ 3

1.1 连铸工艺技术的发展和现状......................................................................... 3 1.2 连铸工艺过程概述......................................................................................... 3 1.3 连铸自动化控制技术的发展趋势................................................................. 5 1.4 我国连铸自动化控制技术现状..................................................................... 6 第二章 结晶器液位控制系统的方案设计................................................................ 7

2.1 液位控制方法的选择..................................................................................... 7 2.2 结晶器液位检测方法及其选择..................................................................... 8 2.3 执行机构要求及其选型............................................................................... 10 2.4 液位控制器的选择....................................................................................... 11 2.5 现场总线的选择........................................................................................... 12 2.6 工控机监控软件的选择............................................................................... 13 第三章 结晶器液位检测系统的设计........................................................................ 16

3.1 电涡流传感器简介....................................................................................... 16 3.2电涡流传感器线圈激励信号电路设计........................................................ 16 3.3 检测信号接收电路设计............................................................................... 19 3.4 模拟电路温控系统设计............................................................................... 22 3.5 检测系统电源模块设计............................................................................... 24 3.6 检测信号数据采集及通信电路设计........................................................... 25 第四章 结晶器钢水液位检测PROFIBUS DP总线从站接口设计.......................... 28

4.1 现场总线概述............................................................................................... 28 4.2 PROFIBUS-DP从站开发方案........................................................................ 30 4.3 结晶器钢水液位检测智能从站设计方案................................................... 31 4.4智能从站接口硬件电路设计........................................................................ 32 4.5 SPC3与MPU接口电路设计.......................................................................... 34 4.6 GSD文件编制................................................................................................ 41 第五章 液位控制策略算法研究................................................................................ 44

5.1 结晶器液位控制系统模型分析................................................................... 44 5.2 PID控制策略................................................................................................ 45 5.3 结晶器液位控制仿真实验及结果............................................................... 46

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5.4 智能化液位控制策略简介........................................................................... 48 第六章 结晶器钢水液位现场总线控制系统的工程实现........................................ 50

6.1 可编程控制器概述....................................................................................... 50 6.2下位机系统设计............................................................................................ 50 6.3 STEP 7程序编制.......................................................................................... 52 6.4 WinCC监控软件介绍.................................................................................... 57 第七章 结束语............................................................................................................ 60

7.1 小结............................................................................................................... 60 7.2 展望............................................................................................................... 60 参考文献（References） ............................................................................................ 61

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结晶器钢水液位现场总线控制系统

摘要

结晶器液位是钢铁连铸生产中极为重要的工艺参数，直接关系到铸钢的品质和生产安全，本文针对某钢厂连铸设备结晶器对象，设计研发一套基于SIMATIC S7 300 PLC的PROFIBUS DP现场总线液位控制系统，以实现对结晶器液位的稳定可靠控制，保证连铸生产工艺质量，同时为整套连铸控制系统信息集成提供便捷的总线集成接口。

本结晶器液位控制系统，采用SIMATIC S7 314C-2DP PLC为PROFIBUS DP总线主站控制器，以钢水液位检测系统为DP智能检测从站，其间实现总线通信，以塞棒与电动伺服缸为执行机构，构建一套SISO闭环负反馈控制系统，实现钢水液位值的实时检测与控制。

文中针对高温钢水液位检测问题，在比较多种检测方案的基础上，提出涡流检测方案，进行了传感器信号模拟调理与数据采集系统的设计与研究，完成了一套完整的电涡流钢水液位检测系统，该系统实现了钢水液位的线性测量，并提供RS485与4~20mA两种标准输出信号。继而针对这两种标准信号，以SIEMENS SPC3 ASIC为核心，完成一整套PROFIBUS DP智能从站接口硬件电路与软件系统设计，从而实现结晶器钢水液位检测PROFIBUS DP智能总线从站功能。

同时，文中针对液位控制系统各环节对象进行了机理建模研究，采用常规PID算法对系统进行了Simulink仿真实验，为改善结晶器液位控制中PID策略的某些问题提出了理论研究方向。

最后，采用S7 300 PLC编程组态软件STEP 7，进行了结晶器液位总线控制系统的硬件组态和软件控制程序编制，完成了该系统的工程应用实现，达到了要求的控制效果，并提出了使用上位机监控组态软件WinCC实现上位机监控系统的设计方法。

关键词：结晶器，PLC，PROFIBUS，SPC3，电涡流，PID

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Mold steel level fieldbus control syste

Abstract

Mould level is an important parameter in the continuous steel slab casting process, which is directly related to the quality of the steel and the safety of

production. This paper designs and develops a set of mould level control system based on fieldbus to realize the steady and reliable control on the mould level so as to ensure the process quality and provide a convinient interface of the fieldbus-integration for the integration of the whole system information.

This system uses SIMATIC S7 314C-2DP PLC as the main station controller of the PROFIBUS DP fieldbus and intelligently detects the slave station with the molten steel level detection system as DP. And it organizes a set of SISO closed-link negative feedback control system through the stopper and servo cylinder in order to accomplish the real-time detection and control of the molten steel level.

To solve the problems in the hi-temp molten steel level detection, the paper proposes a program for eddy current testing, stimulates the regulation of the sensing signals, develops the system of data collection, and finally produces a set of complete system of the eddy current testing which can realize the linear measurement of the molten level and provide the two standard output signals: RS485 and 4~20mA. And then according to the two signals, it focuses on SIEMENS SPC3 ASIC and completes set of intelligent PROFIBUS DP Slave interface hardware circuitry and software system design, in order to achieve the crystallization of molten liquid level detection device PROFIBUS DP slave function of the smart bus.

Meanwhile, this paper makes a stimulated experiment on level control system in the regular way , as well as points out the reseach direction against some problems in the improvement of mould level control system.

At last, this paper makes the composition of the hardware situation and software program of this control system with the help of the program compositon software STEP 7 of S7 300 PLC. So far, this system has been applied and achived the expected effect. Finally , the paper proposes some design means on the application of WinCC to realize the main frame monitor system.

Keywords：mould，PLC，PROFIBUS，SPC3，electric eddy current，PID

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第一章 绪论

1.1 连铸工艺技术的发展和现状

在钢铁生产过程中，钢液成型的方法有两种：模铸法和连续铸钢法。模铸一般是先将钢水浇到钢锭模内凝固成钢锭，然后再将其加工成要求的钢坯尺寸，是钢水凝固成形的基本方法，其典型特征是生产过程的间续化。而连续铸钢工艺是把液态钢水用连铸机浇注、冷凝、切割而直接得到铸坯的新工艺。它是连接炼钢和轧钢的中间环节，是关系到整个钢铁生产过程的一个重要工序。连铸技术经过几十年的发展已经成为冶金领域最活跃的一个分支，目前己逐步走向成熟，其标志是在生产上以质量和品质为中心，在研究和控制上以全新的现代计算机技术为手段。与传统的模铸相比，连铸技术的应用不仅彻底改变了炼钢车间的生产流程和物流控制，为车间生产的连续化、自动化和信息技术的应用以及大幅度改善环境和提高产品质量提供了条件，而且金属收得率较高、能耗和生产成本也大大低于模铸。此外，连铸技术的发展，还会带动冶金系统其他行业的发展，对企业组织结构和产品结构的简化与优化有着重要的促进作用。1933年，连铸的先驱者德国人S.Junghans建成了第一台1700吨／月立式带振动结晶器的连铸机，首先浇铸铜铝合金获得成功，使连续浇铸用于有色金属生产。1943年，S.Junghans在德国建成第一台浇铸钢水的试验性连铸机，当时就提出了振动的水冷结晶器、浸入式水口、结晶器上部加保护渣等技术，为现代连铸机的形成和发展奠定了基础。1952年，英国巴罗钢厂将这个概念引入炼钢领域，当时使用的是德国曼内斯曼提供的直结晶器立式连铸机。在50年代，连铸技术进入工业应用阶段。60年代，弧形连铸机的出现使连铸技术在世界范围内得到推广。70年代以后，连铸进入大发展时期，连铸设备和工艺技术日益完善，从而促进了连铸的迅速发展。 1.2 连铸工艺过程概述

连铸是炼钢和轧钢的中间环节，是炼钢生产厂(或车间)的重要组成部分。连铸生产的正常与否，不但影响到炼钢生产任务的完成，而且也影响到轧材的质量和成材率。

连铸机主要由大包、中间包、结晶器、结晶器振动装置、液位控制装置、二次冷却装置、拉坯（矫直）装置和切割装置等部分组成。连铸过程中，钢液凝固成型要经过以下环节。如图1.1所示。

浇钢时，把装有钢水的大包，通过大包运载装置，运送到连铸机上方，经大包底部的流钢孔把钢水注入到中间包内。打开中间包塞棒(或滑动水口)后。钢水流入到下口用引锭杆头堵塞并能上下振动的结晶器中。钢液沿结晶器周边冷凝成

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坯壳。当结晶器下端出口处坯壳有一定厚度时，带有液心并和引锭装置连在一起的铸坯在拉坯机驱动下，离开结晶器沿着由弧形排列的夹辊支撑下移。与此同时，铸坯被二次冷却装置进一步冷却并继续凝固。当引锭装置进入拉矫机后脱去引锭装置，铸坯在全部凝固或带有液心状态下被矫直。随后在水平位置被切割成定尺长度，置于运坯装置上运送到规定地点。上述整个过程是连续进行的。弧型连铸机的主要设备包括：

（1）钢液供应设备：炼钢炉炼出供连铸用的合格钢水流入大包，经吹氢调温或真空脱气处理后，将大包送到中间包上方，准备浇注。

（2）中间包：中间包首先接受大包中的钢液，然后再对准结晶器中心进行浇注，中间包的冶金作用主要是减压、稳流、除渣、贮钢和分流。

1.盛钢桶(大包) 2.塞棒 3.中间包 4.一次冷却装置 5.结晶器 6.振动器 7.二次冷却装置 8.辊列 9.拉坯矫直机 10.切割装置 11.铸坯传送装置

图1.1 连铸机结构示意图

(3)结晶器及其振动装置：结晶器是连铸设备的心脏，它是一种水冷的特殊钢锭模。钢液通过结晶器后，要凝固成坚固的硬壳，形成所需断面的铸坯，并被连续拉出进入二次冷却区。结晶器的形式按连铸机形式不同，结晶器可分为直的和弧形的两大类。按铸坯规格和形状来分，有小方坯、大方坯、板坯和异形坯结晶器。结晶器振动的目的，是为了防止铸坯在凝固过程中与铜板粘结而发生粘挂拉裂或拉漏事故，以保证拉坯顺利进行。

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（4）二次冷却系统：从结晶器拉出来的铸坯凝固成一个薄的外壳(8～15mm)，而中心仍然是高温钢水，边运行边凝固，结果形成一个很长的液相穴。为使铸坯继续凝固，从结晶器出口到拉矫机长度内设置一个喷水冷却区。在二次冷却区设有喷水系统和按弧形排列的一系列夹辊，起支承铸坯和导向作用，使铸坯沿一定弧形轨道运行时，不致产生鼓胀变形。

（5）电磁搅拌器：结晶器电磁搅拌的作用是钢水运动可清洗凝固壳表层区的气泡和夹杂物，改善铸坯表面质量。同时有利于过热度的降低，可适当提高钢水过热度，有利于去除夹杂物，提高铸坯清洁度。钢水运动可把树枝晶打碎，增加等轴晶核心，改善铸坯内部结构。结晶器钢一渣界面经常更新，有利于保护渣吸收上浮的夹杂物。

（6）拉坯矫直机：拉坯矫直机是弧形连铸机的重要设备。它是布置在二次冷却区导向装置的尾部，承担拉坯、矫直和送引锭杆的作用。

（7）切坯装置：从拉矫机连续不断拉出的铸坯，应按成品规格及后步工序的要求切成定尺长度。由于铸坯的剪切是在浇注过程中进行的，因此剪切机必须和铸坯同步进行。

（8）引锭装置：引锭杆的引锭头用来堵住浇注前结晶器的下口，在开浇时使钢水不会漏出。钢水在结晶器中和引锭杆上端的引锭头凝结在一起，通过拉辊的牵引，使铸坯向下运行，当引锭杆拉出拉矫机后，完成引锭的工作，就把引锭杆脱去，进入正常拉坯状态。 1.3 连铸自动化控制技术的发展趋势

近年来随着网络技术的发展，国外一些先进的连铸生产国更进一步发展了管理级控制系统，统一管理和调度连铸及其相关生产工序，使各工序协调运行，并保存连铸生产的历史数据和提供连铸关键控制环节。要实现整个企业的信息集成和综合自动化，就必须设计出一种能在工业现场运行的、性能可靠的、造价低廉的通信系统，形成现场的底层网络，完成现场自动化设备之间的多点数字通信。 这就发展出了现场总线技术，现场总线控制系统是计算机技术、通信技术、控制技术、显示技术和转化技术的综合和集成。Profibus现场总线是近年来最为流行的现场总线，也是数据传输率最快的一种现场总线，目前已广泛应用于各大钢厂的过程控制系统中。

在工业控制中采用计算机控制，可以提高产品的产量和质量，节省能源和人力，提高收得率，降低成本。由于连铸过程对钢水质量要求高，连续作业设备操作难度大，再加上凝固过程的复杂性，在连续铸钢过程中引入计算机控制迟于其他类型机组。近年来，由于操作经验的逐渐积累及对连铸过程解析的深入，开始

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逐步采用计算机控制对整个连铸过程进行监控和管理。

但是连铸过程控制中也存在许多难题，这是由连铸过程本身的复杂性决定的。其复杂性主要体现在以下几个方面：(1)存在着可测或不可测的扰动和未建模动态问题；(2)具有时变性和非线性特性；(3)过程本身和执行机构常有较大的滞后；(4)用于过程测量的传感器也常常受到高频测量噪声的影响；(4)连铸过程各环节之间相互耦合；(5)连铸与炼钢和连轧之间需要协调控制和调度。

由于上述复杂性，目前对于连铸过程建模和控制方面的研究成果虽然较多，但还不能很好地应用到实际生产之中，而常用的PID控制方法也不能实现令人满意的控制。因此，国内外一些控制学者和专家正在探讨将自适应控制、预测控制、模糊专家系统等智能控制方法并结合现场总线技术用于连铸生产过程中的各环节。由于连铸在钢铁工业生产中有着十分重要的作用，因此连铸过程控制已成为目前国内外自动控制领域的研究热点之一。 1.4 我国连铸自动化控制技术现状

总体上讲，我国的连铸自动化水平与欧、美、日等发达国家相比还相当落后。发达国家的连铸机正朝着全自动、智能化、无人浇铸的方向发展。连铸机的操作人员越来越少。国内除了少数引进和近年来新建的连铸机自动化水平较高以外，其它连铸机基本靠常规仪表和一般电气设备进行控制，计算机控制的项目较少，很多靠手动控制。从普及的程度来看，二冷自动配水已为国内大多数铸机所采用，其次为结晶器液面检测与自动控制。近年来，已有少数连铸机采用中间包连续测温技术，但其它如钢流夹渣检测、结晶器热流监测与漏钢预报、铸坯表面缺陷自动检测、铸坯质量跟踪与判定系统等则很少被采用。从总体趋势看，连铸机的产量越来越高，铸坯质量也越来越好，但连铸机的操作人员却越来越少，这是实现自动化控制的必然结果。因此，如何提高连铸机的自动化水平是摆在国内钢铁企业面前的一个不容忽视的问题。

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第二章 结晶器液位控制系统的方案设计

连铸机结晶器液位控制系统的实现方案框图如图2.1所示，主要由液位检测传感器、执行机构、工控机、液位控制器和现场总线五部分组成。

图2.1 结晶器液位控制系统的实现方案框图

2.1 液位控制方法的选择

连铸的发展过程中，结晶器液位控制大致有三种方法:

第一:速度型，即用拉速去控制结晶器液位。这种方法喷溅较少，主要用于小方坯连铸。在这种方法中，固定中间包流入到结晶器中的钢液量，根据液位变化修正拉坯控制系统的设定值，以使结晶器液位保持恒定。用拉速控制结晶器液位是通过改变拉坯速度来控制液位，其控制特性曲线是线性的。因此，从理论上说其控制精度是很高的。拉速是连铸过程中的一个重要参数，它取决于下列因素：

1) 铸坯的质量、拉速应按凝固理论的要求来设计；不同的钢种、断面尺寸、钢液过热度，就决定了相应的冷却度和拉速。因此，在保证铸坯质量的前提下，拉速应有一个上限值；

2) 为提高铸坯生产效率，拉速应有一个下限值；

为满足上述两个基本要求，拉速应限制在一定范围内；同时，为满足结晶器液位控制的精度要求，拉速应动态地跟踪液位进行调节。因此，拉速的调节范围应限制在一个较小的动态范围内。由于拉坯速度的变化会引起铸坯凝固制度、二次冷却制度、定长切割系统等一系列环节的修正。而合适浇注温度与合适拉速的配合是连铸稳定生产和取得高质量铸坯的前提，拉坯速度不应该成为控制手段而应该把拉速稳定作为工艺目标。因此，用调节拉速的方式保持结晶器液位稳定的这种做法己经逐渐被淘汰。

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第二:流量型，结晶器液位是通过调节中包的水口开度来调节中间包到结晶器的钢液流量，使结晶器液位稳定，这种控制方式可以保证拉坯速度恒定，恒拉速对铸坯质量的稳定作用很大。流量式控制允许根据工艺要求选择合适的拉速，在液位的调节过程中把拉坯速度作为扰动，这种调节过程一般比较平稳，给系统的稳定运行带来很多方便，已经成为当今结晶器液位控制方式的主流。当浇注普通炭钢或对质量要求不高的钢种，两种控制方法均可采用。浇注特殊钢种应综合采用两种控制方法。因为此时连铸工艺既要求液位稳定，也同时要求拉速稳定。

第三:混合型，即一般控制拉坯速度来保持液位稳定，但是当拉速超过某一百分比仍不能保持给定液位时，则控制塞棒或滑动水口，或者两者均控制，以控制流量为主。这种方法也主要用于小方坯连铸。

在连铸结晶器液位控制中，由于流量型液位控制方法应用的比较多、比较成熟，所以本系统采用流量型控制结晶器内的液位。 2.2 结晶器液位检测方法及其选择

结晶器液位检测技术是制约我国连铸过程自动化和生产自动化的瓶颈之一。液位检测器作为结晶器液位控制系统的眼睛，在整个液位控制中占有举足轻重的地位。液位检测系统的精度和性能在一定程度上决定了整个控制系统的品质。总体来讲，对结晶器钢水液位检测的要求是安全、稳定、可靠、便于维护、耐高温、抗干扰，最好是保护渣对测量无影响。目前，结晶器钢水液位检测的方法有放射

60137法(Co)、浮子法、热电偶法、电磁法、激光法、红外法、电视法、SETRBPZXY,Cs和涡流法等。它们各有特点，在国内外使用效果也都较好。

下面就几种常用的液面方法简要介绍其原理和特点： 1）放射型

原理：根据辐射的穿透、衰减、吸收理论及距离因素，综合考虑了铜管壁、导流水套及水层厚度，制造出能测量射线数量的仪表；根据射线数量的多少来精确的测量液面高度；

特点：信号稳定，受干扰少，灵敏度高，使用维护方便，但精度不高，且辐射对人体有害； 2）红外型

原理：红外摄像机可感知钢水液面热信号的强度并将处理后的电信号送给主机，主机根据热信号的强度来计算液面的高度；

特点：抗干扰能力强，安装方便，图像直观，但仅适合于不加保护渣的任何类型的铸机；

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3）电磁型

原理：传感器安装于结晶器导流水套上，感应面与导流水套内表面齐平；传感器发射电磁信号并接受返回的涡电流，其强度与钢水液面成正比，主机根据涡电流信号强度读取液面高度。 4）涡流型

原理：包括激励线圈和感应线圈，利用电流进行激励。在结晶器钢水液面上方安装一个高频激励线圈，它产生的高频磁场在钢水液面感生电涡流。钢水液面的感生电涡流又产生磁场，由于该磁场与高频线圈产生的磁场方向相反，因而使高频线圈的阻抗发生变化。线圈阻抗变化，在线圈材料及结构、钢种及温度等不变的情况下，只与钢水液面高度成单值函数关系，只要检测出高频线圈阻抗的变化，就可转换结晶器钢水液面位置的变化。由于高频线圈阻抗的变化与线圈到钢水液面的距离的变化不是线性关系，电涡流式钢水液面计采用互感差动式测量线圈。

特点：灵敏度高，测程长，信号线性度好，安装方便，环保，特别适合于板坯，镭目涡流型传感器测程300mm，且不需要现场放大器就可以将涡流信号传送到100m远处的处理机；

常用的结晶器钢水液位检测方法的主要特性如下表：

内容 测量范围 精度 响应时间 安全性 液位测量 可靠性 维护方式 应用范围 安装范围 安装难易 操作要求 投资 运行成本 投资回收 放射法 50~200 电磁法 20~600 电视法 按安装 红外法 按安装 （3~5） ?<0.3 高 半渣面 易维护 可在线 均可 结晶器外 易 简单 中 较低 较易 涡流法 0~150 （0.5~1） ?<0.05 高 钢水面 易维护 可在线 均可 结晶器外 易 简单 中 中 中 ?3 1 辐射污染 渣面 中维护 停产 板、小方坯 结晶器内 较难 简单 较低 高 难 ?3 <0.3 高 钢水面 中维护 停产 大方坯 结晶器上 较易 较难 高 高 中 ?0.6 <0.04 高 渣面 易维护 可在线 板、大方坯 结晶器外 易 简单 中 较低 中 9

从上表不难看出涡流法的综合性能较好，因此，本系统采用涡流法，选用电涡流传感器对液位进行检测。 2.3 执行机构要求及其选型

在结晶器钢水液位自动控制系统中，执行器是很关键的一环，和其它控制系统一样，往往系统无法运行的原因全在执行器。对连铸结晶器液位自控系统；由于温度高、环境恶劣；情况更加严峻。对执行器的要求大致是：

1）能适应连铸的恶劣环境，包括粉尘与高温； 2)易于安装、更换和维护；

3)具有极小的死区，滞后时间要小，响应要快； 4)具有较好的线性度。 目前，有4种执行器方式:

1）液压执行器方式。它速度快、线性好，国外及进口的连铸结晶器钢水液位控制系统，大多采用这种方式。由于中间包的移动，而油箱和油泵等在地面，虽然使用软管连接，但终究不方便。为了实现位置控制，需要位置传感器(一般为差动变压器)，且大都是模拟量，数字控制时需要变换，会带来误差。

2)电气交流无刷伺服电机执行装置方式。它是近年来发展起来的，兰州钢厂薄板坯连铸的结晶器钢水液位自控系统就是采用这种方式。但由于有减速机，难以做到体积小、重量轻(也有使用低速交流电动机，VVVF变压变频装置，从而取消减速机的)，且会堵住而易损坏电动机。

3)高精度气动数字缸方式。这是最近我国开发的一种新型连铸结晶器钢水液位自控执行器，它是将机床的气动数字缸技术用于连铸，其优点是全数字、脉冲控制，精度高，不怕堵住和损坏设备，并且是开环的，因此速度快，无位置测量装置，所以结构简单、便于维护。它己成功地用于重钢的板坯连铸，液面控制精度已稳定在?（1~2）mm上，超过了目前国外某些发达国家此类技术控制精度普遍为?(3~4)mm的水平。

4)低惯量交流无刷伺服电动缸方式。这是一种由法国SETR公司开发的新型的电动缸，将交流伺服技术和气动缸技术用于连铸，目前国内已有很多钢厂采用这种方式，它机构简单，安装维护方便。

本系统选用亿美博科技有限公司的数字电动缸，该电动缸的定位精度为 0.001 毫米，响应时间小于10 毫秒，推力达到1000 公斤，不需要位置传感器。它具有精心设计的数字电动缸的控制软件、检测、传动等环节，可以适应钢铁生产高温、多尘的工作环境和相对粗放的操作维护管理；同时它的大推力可以适应污浊和锈蚀严重的塞棒机构；且具有优秀的数字抗干扰能力，可以适应强烈电磁

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污染的现场环境；精确的定位能力可以满足1-2 毫米液面控制精度的要求；快速的反应可以使得铸机在高效化生产中保证稳定的钢水液面；不使用有寿命问题的检测元件，即使受到高温烘烤也不会出现伺服缸那样的内部传感器信号放大并损坏传输板的现象。 2.4 液位控制器的选择

关于液位控制器，由于连铸车间条件恶劣，现在国内外几乎都采用可靠性很高的PLC作为控制器，而且西门子的PLC几乎占绝对统治地位，为了使选用的PLC能与西门子视窗控制中心的监控软件SIMATIC WINCC相匹配，本系统选用西门子S7-300的PLC作为该系统的液位控制器。

可编程序控制器是专为在工业环境下应用而设计的，具有面向工业控制的鲜明特点：

（1）可靠性高、抗干扰能力强。可编程序控制器与传统的继电器控制系统相比，减少了大量的外部接线，因接线接触不良造成的故障大为减少。由于可编程序控制器采取了一系列硬件和软件抗干扰措施，具有很强的抗干扰能力，平均无故障时间达到数万小时以上，可以直接用于有强烈干扰的工业生产现场，可编程序控制器已被广大用户公认为最可靠的工业控制设备之一。

（2）通用性强、灵活性好、功能齐全。可编程序控制器通过软件实现控制，实现程序软件化，因而对于不同的控制对象都可采用相同的硬件进行配置。目前，可编程序控制器产品已经系列化、模块化、标准化，能方便灵活的组成大小不同、功能不同的控制系统，通用性强。

（3）编程简单、使用方便。可编程序控制器在基本控制方面采用“梯形图”语言进行编程，这种梯形图与继电器控制电路图相呼应，形式简练、直观性强，广大电气工程人员易于接受，此外梯形图、流程图、语句表之间可以有条件的相互转换，使用极其方便。

（4）模块化结构。可编程序控制器的各个部件，包括CPU、电源、I/O等均采用模块化设计，由机架和电缆将各模块连接起来。系统的功能和规模可根据用户的实际需求自行配置，从而实现最佳性能价格比。由于配置灵活，使扩展、维护方便。

（5）安装简便、调试方便。可编程序控制器安装简便，只要把现场的I/O设备与可编程序控制器相应的I/O端子相连就完成了全部的接线任务，缩短了安装时间。调试工作大都分为室内调试和现场调试。室内调试时，用模拟开关模拟输入信号，其输入和输出状态可以观察可编程序控制器上的相应发光二极管。可以根据发光二极管和编程器提供的信息方便地进行测试、排错和修改。室内模拟

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调试后，即可以到现场进行调试。

（6）网络通信。可编程序控制器提供标准接口，可以方便地进行网络通信。 （7）可编程序控制器体积小，能耗低，便于实现机电一体化。 2.5 现场总线的选择

国际上有几种代表性的现场总线：基金会现场总线、PROFIBUS现场总线、Lonwork现场总线、CAN总线 、HART总线、PROFInet总线。以下对上述现场总线进行简要的介绍：

2.5.1基金会现场总线 (Foundation Fieldbus)：

在现场总线标准的研究制订过程中，出现过多种企业集团和组织，通过不断的竞争，到1994年在国际上基本形成了两大阵营，一个以Fisher-Rosemount公司为首，联合Foxboro、衡和、ABB、西门子等80多家公司制订的ISP协议；另一个以Honeywell公司为首，联合欧洲150家公司制订的 world FIP协议。这两大集团于1994年合并，成立现场总线基金会 (FieldbusFoundation，FF)，致力于开发国际上统一的现场总线协议FF协议符合IEC1158-2标准，也称为SP50标准。

2.5.2 PROFIBUS现场总线：

它是作为德国国家标准和欧洲国家标准的现场总线标准。英文缩写为Process Fieldbus，该技术是由西门子公司为主的十几家德国公司、研究机构共同推出。他采用OSI模型的物理层、数据链路层。现场总线信息规范(FMS)型则只隐去了OSI标准的地三至六层，采用了应用层。目前，世界上许多自动化生产厂家都为他们生产的设备提供PROFIBUS接口。

2.5.3 Lonwork现场总线(Local Operating Network 局部操作网)：

它是由美国Echelon公司于1990年正式推出的。他采用ISO/OSI的全部7层协议，才用了面向对象的设计方法，通过网络变量把网络通信设计简化为参数设置，其最大传输速率为 1.5MbPs，传输距离为2700m，传输介质可以是双绞线、光缆、射频、红外线和电力线等。

2.5.4 CAN总线 (Control Area Network，CAN)与DeviceNet总线：

最早由德国BOSCH公司推出，用于汽车内部测量和执行部件之间的数据通信。CAN结构模型取ISO/OSI模型的第1、2、7层协议。它解决了现代汽车中众多的控制与测试仪器之间的数据交换串行数据通信。通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光导纤维。通信速率可达1MBPS。CAN总线通信接口中集成了CAN协议的物理层和数据链路层功能，可完成对通信数据的成帧处理，包括位填充、数据块编码、循环冗余检验、优先级判别等项工作。DeviceNet是美国Rockwell

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公司1994年提出的基于控制器局域网(CAN)技术的一种现场总线，用于实现低成本、高性能的设备层的网络互连。DeviceNet总线是建立在控制器局域网(CAN)总线之上的。

2.5.5 HART总线，可寻址远程传感器数据公路：

它是由美国ROSEMOUNT公司最早推出的一种兼容4~20mA模拟信号和调制数字信号的现场总线协议。其数字通信由于采用调制/解调的方式，属于模拟系统向数字系统转变过程中的过渡产品。 2.5.6 PROFInet总线：

PROFInet源自于PROFIBUS现场总线国际组织(PI)的开放的自动化总线标准，是新一代基于以太网技术的工业通信解决方案，它实现了从现场控制层到管理层的无缝集成，并提供了一个开放的基础构架。作为连接生产现场的仪表、控制器等自动化装置的通信网络，现场总线是九十年代在国际兴起的新一代全分布式控制系统的核心技术。伴随着数字化时代的来临现场总线控制系统必将成为工业自动化的主流。

考虑到整个连铸自动控制系统的结构，我们选用Profibus现场总线，完成PLC与液位检测仪之间的高速数据传输。Profibus作为业界最成功、应用最广泛的现场总线技术，除具有一般现场总线的一切优点外还有许多自身的特点，具体表现如下几点。

（1）最大传输信息长度为255B，最大数据长度为244B，典型长度为120B。 （2）网络拓扑为线型、树型或总线型，两端带有有源的总线终端电阻。 （3）传输速率取决于网络拓扑和总线长度，从9.6Kb/s到12Kb/s不等。 （4）站点数取决于信号特性，如对屏蔽双绞线，每段为32个站点（无转发器），最多127个站点（带转发器）。

（5）传输介质为屏蔽/非屏蔽式光缆。

（6）当用双绞线时，传输距离最长可达9.6km，用光缆时最大传输长度为90km。

（7）传输技术为DP和FMS的RS-485传输、PA的IEC1158-2传输和光缆传输。

（8）采用单一的总线访问协议，包括主站之间的令牌传递方式和主站与从站之间的主从方式。

（9）数据传输服务包括循环和非循环两类。 2.6 工控机监控软件的选择

80年代中后期，随着个人计算机的普及和开放系统概念的推广，基于个人

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计算机的监控系统开始进入市场。作为监控系统重要组成部分的监控软件，也随着计算机技术的发展而快速发展起来，监控软件的功能在不断改进和增强。尤其在微软公司的Windows操作系统普及之后，由于windows操作系统直接支持多任务，支持CMO，CDCB(开放数据库互联，Open Database Connectivity)，ADO(活动数据对象，Active Data Object)和Internet等多种技术，并具备VB，VC等多种软件开发工具，研究监控软件的公司越来越多，德国的西门子公司、ABB公司，美国的GE公司、西屋公司等都开发了自己的监控组态软件，国内也有很多公司研究和开发了监控组态软件，如北京昆仑通态的MCGS，亚控科技开发的组态王，广州粤控的迅控Qu1ek Control等等。

监控组态软件产品于80年代初出现，并在80年代末期进入我国。在1995年以后，组态软件在国内的应用逐渐得到了普及。下面就对几种组态软件分别进行介绍：

（1）In Touch：英国Wonder ware公司的In Touch组态软件是最早进入我国的组态软件。In Touch HMI软件用于可视化和控制工业生产过程。它为工程师提供了一种易用的开发环境和广泛的功能，使工程师能够快速地建立、测试和部署强大的连接和传递实时信息的自动化应用。InTouch软件是一个开放的、可扩展的人机界面，为定制应用程序设计提供了灵活性，同时为工业中的各种自动化设备提供了连接能力。

（2）MCGS：全中文工控组态软件MCGS(Monitor and Control Generated System)是由北京昆仑通态自动化软件科技有限公司开发的组态软件，是一套基于Windows平台的，用于快速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统，可运行于MieorsotfWindwos95/98/Me/NT/2000等操作系统。MCGS为用户提供了解决实际工程问题的完整方案和开发平台，能够完成现场数据采集、实时和历史数据处理、报警和安全机制、流程控制、动画显示、趋势曲线和报表输出以及企业监控网络等功能。使用MCGS，用户无须具备计算机编程的知识，就可以在短时间内轻而易举地完成一个运行稳定，功能成熟，维护量小并且具备专业水准的计算机监控系统的开发工作。MCGS具有操作简便、可视性好、可维护性强、高性能、高可靠性等突出特点。

（3）组态王：组态王是国内第一家较有影响的组态软件开发公司亚控科技开发的。组态王提供了资源管理器式的操作主界面，并且提供了以汉字作为关键字的脚本语言支持。组态王也提供多种硬件驱动程序。

其他常见的组态软件还有罗克韦尔自动化公司的R S View，GE Fanuc的i FIX软件以及国内一些软件公司开发的组态软件，如华富计算机公司的力控

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Controx2000，它们也都各有特色。

虽然在国内外已有这么多监控软件，但是它们一般价格比较贵，在具体的应用中也不一定能满足系统的特殊要求，而且没有源代码支持。因此，考虑到本系统选用的大部分控制器件均为西门子公司的产品,为了提高系统的无缝隙组态和抗干扰性。所以本课题选用了西门子视窗控制中心SIMATIC WINCC作为控制系统的监控软件。

整个控制系统概述：涡流传感器将测得到的实际液位信号通过Profibus现场总线送到控制器PLC，PLC将实际测得到液位信号与系统给定的液位信号进行比较，得到偏差e，执行PID控制算法并输出控制量u，执行机构根据输出的控制量u驱动塞棒的上下位移，从而实现对液位的调节。整个动态过程可以通过工控机对其进行实时监控，并可以通过对P3箱进行操作实施控制决策。

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第三章 结晶器液位检测系统的设计

3.1 电涡流传感器简介

近年来，涡流式钢水液位计的实用化进展很快，具有反应速度快，测量精度高，不需特殊的安全防护，安装维护方便等显著优点。电涡流式传感器基本原理如图3.1所示：

图3.1 电涡流式传感器基本原理示意图

电涡流式传感器是利用电涡流效应，将位移、温度等非电量转换为阻抗的变化（或电感的变化，或Q值的变化）从而进行非电量电测的。

如图3.1所示，一个通有交变电流I1的传感器线圈，由于电流的变化，在线圈周围就产生一个交变磁场H1,当被测导体置于该磁场范围之内，被测导体内便产生电涡流I2,电涡流也将产生一个新磁场H2,H2和H1方向相反，因而抵消部分原磁场，从而导致线圈的电感量、阻抗和品质因素发生改变。

一般来说，传感器线圈的阻抗、电感和品质因素的变化与导体的几何形状、电导率、磁导率也有关，也与线圈的几何参数、电流的频率以及线圈到被测导体间距离有关。如果只控制上述参数中一个变化，其余皆不变化，就可以构成侧位移、测温度、测硬度等各种传感器。 3.2电涡流传感器线圈激励信号电路设计

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根据电涡流感应原理进行结晶器钢水液位测距，被测距离实际为钢水液面至电涡流传感器探头位置处的距离值，距离大小会直接导致涡流效应的变化，从而改变涡流输出信号，当然，此原理性输出信号完全取决于电涡流物理原理，所以必然会是一个非线性信号模型，在实际显示和控制过程中必须对其进行线性化。下面就具体设计思想和设计细节做简要阐述。

首先，为了探测涡流现象，必须给电涡流探头上下对称线圈提供传感器线圈励磁信号，采用时钟发生器，按照其50KHz工作方式电路进行设计，可以产生50KHz标准方波激励信号，随后利用阻抗器件和放大器组成的有源滤波电路产生50KHz正弦波激励信号，进行必要的信号放大和功率放大后供给传感器线圈作为正弦激励。电路设计如图3.2所示：

图3.2 激励信号产生电路示意图

一级方波信号放大，采用增益可调正相比例电路，通过调整滑阻与接地电阻比例调节放大电路增益，时钟发生器产生的脉冲信号幅值较为微弱，经简单高通RC无源滤波，粗滤高次谐波，而后进行约20dB幅值放大，可由滑阻调整至期望幅值，电路阻抗特性约束关系为：

UUO?iW4?UURiOW4?43 ? A=1~11.6 （3-1） ??FRUR43i43可见该放大电路的频率特性呈现全通特性，则需对此幅值整定信号进行带通滤波，选通方波信号中的50KHz频率分量以获取要求的传感器线圈正弦励磁信号。考虑通带特性，采用TL084集成运放构建有源二阶带通滤波器，选通中心频率为f0=50KHz，通带增益KF=1，即只选频不放大，设计方案如下：

二阶带通滤波器可分为压空电源型（VCVS）和无限增益多路反馈型（MFB），

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前者由同相端输入，应用广泛，后者由反相端输入，有倒相作用，使用查表计算，设计方法简捷，此处选用MFB带通滤波器设计，其电路基本关系式为：

CCC1?2? （3-2）

?(R?W)/(R*W*R*C) ? （3-3）

025413541360?R/(2R)F6054 K （3-4）

1/2Q?(1/2)[R(R?W)/(RW)]6054135413 （3-5）

45选取C f0?C102[10,10]Hz?1?2?通带增益KF=1，且要求滤波器通带频率尽可能窄，即有较好的选频性?品质因数Q>10，直接查取MFB二阶带通滤波器元件参数，或带入公式求解

R?2Q/(?C)600 （3-6） R?Q/(?KC) 540F （3-7）

2W?Q/[(2Q?K)?C]13F0 （3-8）

R54=32K，R60=64K，W13=200 可调 ?实际过程中，由于距离远近对涡流信号的影响巨大，通常在钢水离探头较远处涡流现象微弱，而钢水逼近探头出钢水信号巨大，以至于超出测量极限，所以在此处考虑实用恒幅值激励信号检测效果问题较大，且线性化处理极为困难，故而提出一种变激励的测量励磁信号提供方法。电路设计如图3.3所示：

图3.3 变激励的测量励磁信号产生电路示意图

探头励磁信号的变激励法核心思想即为对恒幅值激励信号进行变幅值调制，

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本设计采用MAX543，以调理获取的50Hz正弦信号作为DA基准信号，以MPU输出的数字信号作为数字变激励幅值，进行数值幅值调制，其后经运放放大、隔离、阻抗匹配，最后经由功放提供实际输出励磁信号——50Hz调幅正弦信号，较好地解决了测量范围限定和线性化等关键技术问题。

MAX543是12位串行输入，电流输出，乘法DAC，采用CMOS工艺。DA基准电压采用50KHz正弦波信号，CLK/SRI/LOAD端作为调制幅值数字输入端的数据、时钟和控制端口，与主MPU AduC812 IO口相连，给定12位调制幅值。

Iout与Rfb及TL084运放组成I-V转换电路，经一级电压跟随做阻抗匹配，由功

放OPA554输出50KHz调制正弦大功率激励信号。输入输出信号数学约束为：

DATAin U??VoutREF4096 （3-9）

3.3 检测信号接收电路设计

对于上下对称线圈的励磁相应，由物理学原理可知，在无涡流信号时，输

出应和输出激励是同频率、幅值稍小的正弦信号，当有涡流现象产生时，其输出会存在差值，以此差值作为测量信号可以得到较好的测量信号特性，故对接收信号S1 S2进行差分放大，设计采用典型仪用放大器AD620。电路设计如图3.4所示：

图3.4 典型仪用放大器电路示意图

仪用放大器AD620采用经典的三运放结构，可以有效地减少共模信号的干扰，适用于传感器微弱信号的前置放大，采用15V供电电压，以保证AD620处在较宽的线性区，以保证放大信号的精确和线性，调整增益阻值可以改变AD620的信号放大增益1~1000倍，电涡流线圈信号进行适当处理和差分放大获得微弱

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差分信号。

获得微弱差分测量信号，经TL084放大电路，将测量信号进一步放大，同时也将噪声杂波引入，设计一套有源滤波电路，针对50KHz测量信号进行带通滤波，即通带频率设定为50KHz左右，其总体设计方法类似激励信号发生电路中滤波器设计，采用MFB式二阶带通滤波电路，如图3.5所示：

图3.5 MFB式二阶带通滤波电路示意图

R?R1047全通放大电路采用同相比例电路，增益取K=20 ?FR47带通滤波电路设计指标：通带频率为f0=50KHz，

通带增益KF=7 要求一定的放大增益 品质因数Q?10 要求较窄选频特性

45f0?选取C C102[10,10]Hz?1?2?通带增益KF=7，

且要求滤波器通带频率尽可能窄，即有较好的选频性?品质因数Q=10 直接查取MFB二阶带通滤波器元件参数，或带入公式求解

R?2Q/(?C)580 （3-10） R?Q/(?KC)520F （3-11）

2W?Q/[(2Q?K)?C]11F0 （3-12）

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R52=4.7K ? R58=64K W11=200 可调

对放大滤波后的50Hz测量信进行整流处理，将正弦信号变换为直流信号，经最后滤波和缓冲阻抗匹配后输出供ADuC812用于AD转换用的标准直流电压模拟信号。整流电路如图3.6所示：

图3.6 整流电路示意图

设计全波整流正极性输出电路实现检测信号AC-DC转换，电路输出电压是输入电压的绝对值，又称绝对值电路。电路参数计算：

?fcU选择运放，确定电源电压：2 TL084 P ??0.01/f选择整流高速二极管： t ? 1N4148 rrc?BW/100检验最高工作频率是否大于输入信号上限频率：f maxG选择各阻抗值：阻抗基本关系为

?R?R R212223 （3-13） ?R/2 R2435 （3-14） RR/24?21 （3-15）

?R/4 R3823 （3-16） ?R?R计算得各阻抗参数选择：R=10K 212223

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R ?20K35 R 4.7K4? R ?3.9K383.4 模拟电路温控系统设计

经由模拟调理电路，可以将结晶器钢水液位值调理至表转AD转换直流信号供后续数字电路处理、通信、控制，而其前提是测量调理值的准确性，实际工程现场对检测信号的干扰因素很多，容易导致测量信号的失真，在此必须针对实用的工程现场干扰进行具体分析，以作出必要的抗扰和补偿设计。

经具体分析，影响模拟电路测量精度的主要因素在于各模拟器件不可避免的温漂现象，为解决此问题，提出两点方案，首先，应尽量使用品质优良的工业级模拟及数字器件，第二，为保证遏制温漂干扰，考虑针对模拟电路板设计一专用密闭隔热空间放置，并在此控制盒内采用温度负反馈闭环控制，将模拟器件工作空间温度始终控制在50?C左右，以保证模拟信号测量调理的精确性。

电路设计采用AD590作为温度检测元件，AD590是美国Harris公司生产的采用激光修正的精密集成温度传感器。采用类似三极管的封装形式，共3个功能引脚，使用便捷，测温范围-55~+150?C，最大非线性误差?，相应时间0.3?C20?，功耗约2mW。AD590等效于一个高阻抗恒流0.05?Cs，重复性误差小于?源，工作电压为+4~+30V，其输出电流与热力学温度严格成正比，1K温度变化对应1?A电流输出。电流灵敏度表达式：

I3k?ln8 TeR （3-17）

式中 k：波尔兹曼常数

e: 电子容量 R：内部集成电阻

T?273可增加摄氏温度转换电路转换为华氏温度：t?

电路设计如图3.7所示，

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图3.7 温度转换电路示意图

AD590信号经TL084电压跟随缓冲，匹配仪表阻抗，稳压管、肖特基二极管5817进行续流、保护，104进行解耦抗扰，输出测量信号送MPU进行AD转换，并送其后数采及显示、控制功能用。

加热执行机构采用电热丝，由MPU控制电热丝工作电压以控制模拟板工作温度，控制电路设计如图3.8所示：

图3.8 控制电路示意图

由MPU某普通IO输出控制信号，采用光控晶闸管进行光电隔离控制执行电路大功率双向可控硅的通断以控制加热丝工作，以防止强电设备对电路板的干扰和损害。其中，由于对控制温度并无高精度要求，故控制策略可采用普通负反馈开关量控制，也可以采用普通PID控制规则。具体程序流程如图3.9所示：

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图3.9 程序流程示意图 3.5 检测系统电源模块设计

为保证检测系统的正常工作，需要稳定可靠的供电模块，分析检测系统整体电路设计，可以得到：该电路设计中需要提供多幅值工作电源，且须进行严格的

V,?15V,?24V及对应的数字-模拟隔离。电路数字-模拟电源隔离。主要包括?5设计采用稳定可靠且常用的78XX系列稳压管实现各要求电源的提供。电路如图3.10所示：

图3.10 稳压电路示意图

各稳压管取对应的变压器降压输出电压，通过经典4001桥式二极管整流电路实现AC-DC转换，再由其后78XX系列稳压电路进行平滑、滤波、稳压工作，以输出各需求电压源。电路中附加78XX保护二极管及工作状态指示发光二极

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管。

3.6 检测信号数据采集及通信电路设计

此部分电路采用AD公司的AduC812 MPU为核心，构建一套完整的数据AD转换、采集、通信、控制功能电路。如图3.11所示：

图3.11 该电路中的AduC812

AduC812简介：ADuC812是一个完全集成的12位数据采集系统，在一个芯片内结合了高性能的自校准多通道12位ADC，双12位DAC和可编程8位微控制器(与8051兼容的指令集)。片内的8K字节闪速/电擦除存储器、640字节片内闪速/电擦除数据存储器和256字节的片内数据静态存储器，均由可编程8051兼容内核控制。另外微控制器具有包括看门狗定时器、电源监视器和ADC DMA功能，为多处理器接口和I/O扩展提供了32条可编程的I/O 线、I2C兼容的SPI和标准UART串行口I/O 等。微控制器内核和模拟转换器二者均有正常、空闲和掉点三种工作模式，有适于低功率应用的灵活电源管理方案。在工业温度范围内，有3V 和5V 两种规格电压工作器件可供选择。它有52引脚方形扁平塑料封装及56引脚芯片级封装两种型号。

该部分电路属于典型的计算机测控系统设计内容，其主要工作内容包括： 1、采用ADuC812片上AD转换器，采集电涡流传感器调理输出信号，并进行线性化标定并输出显示；

2、使用AduC812片上IO口提供MAX543接口数字信号，获取电涡流传感器线圈励磁信号的幅值，以提供50KHz调幅信号输出电涡流传感器激励信号；

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3、采用ADuC812片上AD转换器，采集温度测量集成电路调理输出的温度测量值，输出显示；

4、采用ADuC812实现模拟板温度控制算法，并由IO口输出控制光控晶闸管以实现对加热丝的控制作用。

5、采用ADuC812片上DA转换器，将液位测量与温度测量值转化为模拟电压输出，经TL084电压跟随，调整阻抗匹配，至XTR115提供4~20mA标准线性DDZIII型电流输出接口。XTR115是标准4~20mA电流环信号变送器，外部电路5V供电，片上精密2.5V参考电压可提供传感器偏置或激励信号，电流反馈引脚确保输出电流的精确控制，其设计电路如图3.12所示：

图3.12 电压转标准4～20mA电流电路示意图

电路阻抗约束为：IO?100Iin?100Vin （3-18） Rin Io=4~20mA?Iin=0.04~0.2mA

DA转换输出幅值为+5V?输入阻抗Rin=2.5KΩ

也可以采用AD421实现此标准输出功能，此处不做赘述。

6、提供测量信号的485数据通信接口，以备与后续PROFIBUS DP标准通信接口模块通信，将液位检测系统作为智能DP从站组态如PROFIBUS总线网络，实现与PLC主站的总线通信，构建结晶器液位现场总新控制系统。485通信接口电路如图3.13所示：

图3.13 485通信接口电路示意图

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采用MAX487实现TTL电平与RS485差分电气信号的转换，采用AduC812 IO口控制MAX487芯片数据读写功能方向，即由485C控制RE和DE脚电平特性，以控制MAX487芯片分时读写功能，485可采用标准DB9接口形式，其中A B差分信号线间介入120?阻值，以实现负载电缆的特性阻抗匹配，防止网络终端信号反射。

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第四章 结晶器钢水液位检测PROFIBUS DP总线从站接口设计

4.1 现场总线概述

所谓现场总线，是指将现场设备（如数字传感器、变送器、仪表与执行机构）与工业过程控制单元、现场操作站等互联而成的计算机网络，它具有全数字化、分散、开放、双向传输和多分支的特点，是工业控制网络向现场级发展的产物。它不仅是一个基层网络，而且还是一种开放式、新型全分布控制系统。简而言之，现场总线把各个分散的测量控制设备变成网络节电，以现场总线为纽带，把它们连接成可以相互沟通信息、共同完成自控任务的网络系统和控制系统。另外，根据国际电工委员会IEC61158标准的定义，现场总线是指安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之间数字式、串行、多点通信的数据总线。

目前，国际上影响较大的现场总线有40多种，其中被IEC61158国际标准认可的有8种。下面对几种比较流行的现场总线作一下简要介绍：

1、CAN

CAN是控制局域网（Control Area Neteork）的简称，最早由德国Bosch公司提出，主要用于汽车内部测量与执行部件之间的数据通信。其总线规范已被ISO国际标准化组织确定为国际标准，得到了Motorola、Intel、Philips、Siemens等公司的支持。 2、LonWorks

LonWorks最初是由美国Echelon公司推出并与Motorola、Toshiba等公司共同倡导而形成的现场总线技术。它采用了ISO/OSI模型的全部七层通信协议，采用了面向对象的设计方法，通过网络变量把网络通信设计简化为参数设置，其通信速度为300b/s-1.5Mb/s，直接通信距离可达2700m，支持双绞线、同轴电缆、光纤、射频、电力线等多种通信介质，被誉为通用控制网络。 3、FF

基金会现场总线（FF,Foundation Fieldbus）,是在过程自动化领域得到广泛支持和具有良好发展前景的一种技术。其前身是ISP和WorldFIP协议标准，其中ISP是可互操作系统协议的简称，它基于德国的Profibus标准；而WorldFIP则是世界工厂仪表协议（World Factory Instrumentation Protocol）的简称，是基于法国的工厂仪表协议(FIP)标准。 4、DeviceNet

DeviceNet是20世纪90年代中期发展起来的一种基于CAN总线技术的符合全球工业标准的开放型通信网络。它既可连接底层现场设备，又可连接变频器、

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操作员终端和变频器等现场智能设备连接起来，它是分布式控制系统的理想解决方案。这种网络虽然是工业控制网络的低端网络，通信速率不高，传输的数据量也不太大，但它采用了先进的通信概念和技术，具有低成本、高效率、高性能、高可靠性等优点。DeviceNet数据包大小被限制在8字节以内，特别适合应用于低成本、简单的设备，并可进行快速、高效的数据传送。较长的报文被分段为多个数据包来发送，这对组态参数或其他不经常出现且长度可能较大的报文传送特别重要。 5、Profibus

Profibus是唯一全集成H1（过程）和H2（工厂自动化）的现场总线解决方案，是一种国际化的、不依赖于设备制造商的开放式现场总线标准。它广泛应用于制造业自动化、流程工业自动化、楼宇自动化以及交通、电力等其他自动化领域。采用Profibus标准系统，不同制造商所生产的设备不须对其接口进行特别调整就可通信，Profibus可用于高速并对时间有苛刻要求的数据传输，也可用于大范围的复杂通信场合。

PROFIBUS-DP允许构成单主站或多主站系统。在同一总线上最多可连接126个站点（主站或从站）。系统配置的描述包括：站数、站地址和输入/输出地址、输入/输出数据格式、诊断信息格式以及所使用的总线参数。每个Profibus-DP系统可包括以下3种不同类型设备。

①一类PROFIBUS-DP主站（DPM1）：一类PROFIBUS-DP主站是中央控制器，它在规定的信息周期内与分散的站点交换信息，即一类主站完成总线通信控制与管理。

②二类PROFIBUS-DP主站（DPM2）：二类PROFIBUS-DP主站是编程器、组态设备或操作面板，在PROFIBUS-DP系统组态操作时使用，完成各站点的数据读写、系统配置、故障诊断等系统操作和监视目的。

③PROFIBUS-DP从站：PROFIBUS-DP从站是进行输入和输出信息采集和发送的外围设备。输入和输出信息量的大小取决于设备类型。目前允许的输入和输出信息，最多不超过246字节。

本系统的整体框图如图4.1所示

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123456 D液位检测传感器冷却气体入口传感器电缆DP从站液位检测仪液位检测系统CPLC控制系统DP总线接口按钮信号指示灯信号液位信号人机操作部分DP主站上位机显示器BPLC控制器按钮信号指示灯信号浇铸操作箱塞棒控制电动缸电动缸驱动器数字电动缸连接电缆工控主机通讯线驱动器信号线 图4.1 液位检测与控制系统整体框图 A4.2 PROFIBUS-DP从站开发方案 12345TitleSizeBNumberRevision西门子公司提供了完整的从站开发工具、协议芯片和软件测试环境，以便用Date:File:20-May-2009F:\\毕业设计\\液面图纸（最新）.DDBSheet of Drawn By:6户能开发满足要求的现场总线设备。用户可以使用SPC3和LSM2开发 Profibus-DP从站，也可以直接使用IM183-1或IM184开发 Profibus-DP从站。 Profibus协议的关键部分由协议芯片实现，其余部分则由用户开发的应用软件完成。这些智能通信芯片可独立完成全部或部分 Profibus-DP通信功能，协议芯片的使用可加速通信协议的执行，而且可以减少微处理器中的软件程序代码。目前用于从站开发的芯片主要有西门子公司的SPC4、SPC3、SPM2和LSPM2,LAM公司的PBS，Motorola公司的68302、68360，以及VIPA公司的VPM2L。

Profibus是开放的、与制造商无关、无知识产权保护的标准。因此，世界上任何人都可以获得这个标准并设计各自的软、硬件解决方案。原则上，Profibus协议再任何微处理器上都可以实现，在微处理器内部或外部安装通用异步串行通信接口（UART）即可完成。基于上述特点，在开发Profibus-DP从站时有以下两种方案可供选择。 1、单片机+软件的解决方案

在这种方案中，Profibus-DP的数据链路层协议通过软件在单片机中实现，同时单片机还实现一些用户程序，物理层通信由异步串行通信接口（UART）完成。这种方案的优点是开发成本比较低，缺点是需要开发人员透彻了解Profibus

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技术细节，因此，开发的周期长，而且波特率不能做到1.5Mb/s 以上。 2、单片机+Profibus通信ASIC的解决方案

在这种方案中，Profibus-DP协议完全由Profibus通信ASIC来实现，单片机主要处理用户程序。利用这种方案实现Profibus-DP从站的开发，只要开发者了解Profibus协议相关内容，特别是基本概念、基本术语，以及ASIC芯片的技术内容即可，因此，采用这种方案开发所需的时间要比第1种方案少很多。鉴于上述两种方案的比较，这里详细介绍单片机+Profibus通信ASIC来实现Profibus-DP从站开发的解决方案。

4.3 结晶器钢水液位检测智能从站设计方案

电涡流结晶器钢水液位检测仪提供RS485和4~20mA两种标准输出信号，为

实现结晶器液位控制系统与整套连铸控制系统的信息集成化，采用主从总线通信形式，将结晶器液位检测系统及PLC控制系统作为PROFIBUS-DP总线站点，集成组态至连铸机现场总线控制系统。为此，须针对结晶器液位检测系统设计一套PROFIBUS-DP总线通信模块。根据上述总线从站接口设计方法，考虑结晶器检测系统有大量实时检测及控制数据需与PLC主站进行通信，且须具备从站组态、设置地址、故障诊断等一系列智能仪器功能，决定采用SPC3+MPU的方式研发一款针对结晶器液位的智能DP从站接口模块。开发流程如图4.2所示：

ASIC芯片类型选择 智能从站：硬件软件开发、 SPC3：DP从站需外接的微处

固化软件DPS2循环方式通信 向Profibus组织申请识别码

创建GSD文件 硬件开发 软件开发 测试 图4.2 DP从站开发流程图

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下面仅就液位测量总线通信功能进行具体开发研究，其他功能类似。 4.4智能从站接口硬件电路设计

该PROFIBUS-DP智能从站接口以SIEMENS公司生产的PROFIBUS通信3作为MPU实现DP接口模块的数据、功能管理，采用RS485总线的驱动芯片DS75176B实现DP总线的物理层RS485电气信号的转换和收发，其他附属电路包括：用于芯片供电的电源模块，用于手动设置从站地址的拨码开关，用于在线下载程序的ISP下载口及硬件看门狗MAX706P等。智能从站接口硬件电路整体结构如图4.3所示。

RS485 接口 光耦 隔离 拨码开关 ISP下载口 电源 8K RAM（可选） MCU SPC3 光耦 隔离 RS485驱动 及接口 地址/数据 总线 控制信号 看门狗及 掉电保护 PROFIBUS-DP总线

图4.3 智能从站接口硬件电路整体结构

4.4.1 SPC3芯片解析

a.片上资源

SPC3主要由控制整个过程的微处理器;参数/方式寄存器(Mode-Register); RAM和RAM控制器组成双口RAM(Dual_PortRAM);中断控制器(Interrupt-Controller);内置的看门狗定时器(Watch-Dog);内部总线接口单元;UART接口:波特率发生器:总线空闲定时器(Idle-Timer)组成。 b.内部存储区定义

SPC3的内部集成了1.5K双口RAM，其地址空间从1000H到15FFH。 内 部以8字节为一个单位，分成192段。SPC3必须配置的寄存器有中断屏蔽寄存器，工作模式寄存器0或1，看门狗用于波特率控制的定时器，还有从站最小延迟时间寄存器。用于指示SPC3工作情况的寄存器有中断请求和中断响应寄存器，状态寄存器，输入BUF、输出BUF和诊断BUF的状态机寄存器。双口RAM以功能区分，可分成三个区域。

(1) 从000H到015H为方式设定和状态指示寄存器区域

方式寄存器(Mode-Register)在SPC3启动后，加载过程指定参数(例如从站地址，缓冲器地址，控制位信息等)，过程指定参数和数据缓冲器都存放在RAM中，

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RAM和RAM控制器组成双口RAM(Dual-Port-RAM)。

方式寄存器0设置特殊的PROFIBUS-DP操作方式，包括PROFIBUS-DP参数如；min-TSDR(最小应答响应时间)；SYNC(输出同步开关)；FREEZE(输入锁定)等。

方式寄存器1设置动态可改变的状态如中断终止EOI、启动/停止PROFIBUS-DP状态寄存器(Status Register)存放从站的状态信息，以便在任何时间能扫描总线的介质访问子层(MAC)。中断请求寄存器可读可写，写时主要用于调试。

(2) 从016H到03FH为配置参数区域

这里的输入输出是相对于主站而言。值得注意的是各个BUF的指针定义，此处的指针指的是段序号。由于各个BUF的长度必须是8字节的整数倍，及各个BUF的起始地址能被8整除，所以可以用段序号(0~191)标识出具体的BUF起始地址。例如参数BUF的起始地址是3EOH，可以用指针7CH表示法不仅节约存储空间，而且简洁明了。参数配置主要包括:本站地址、设备标识号、地址允许改变变量、用户看门狗值、各种BUF的指针与长度，这些BUF主要包括:三个输入BUF，三个输出BUF，两个诊断BUF，两个辅助BUF，一个配置BUF，一个参数BUF，一个地址设置BUF。 (3) 从040H到5FFH的1472字节为用户区域

它们用来接收来自I/O应用和来自主站的数据。这些BUF的配置，包括BUF的长度和初始地址必须在SPC3的离线状态下完成。在操作过程中，除了Dout-buf 和Din-buf的长度可变外，其他配置不能改变。用户I/O应用可以通过中断，或 者轮询方式与SPC3交换数据。 c.MPU与SPC3数据交换原理

SPC3自动识别并接收传送给本站的数据报文，并根据报文结构的不同，识别出不同的服务访问点，将数据存进对应的BUF。

协议芯片SPC3集成有1.5KBkyteRAM；1IBit地址总线，8Bit数据总线；提供DP模式下的10个服务访问点；3个输入缓冲区，3个输出缓冲区；2个诊断缓冲区；2个配置缓冲区；1个参数赋值缓冲区和一个SSA缓冲区和2辅助缓冲区。

SPC3中三个Dout-buf具有相同的长度，其中的D对应于数据传送，U对应于用户应用，而N对应于中间BUF。当SPC3接收到新的Dout报文后，SPC3迫使D与N相互交换。当中断请求寄存器置位后，用户可以通过轮询诊断标志或通过中断进行U与N的数据交换，从而完成Dout的数据传送。

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这里的U、N和D由Dout-buf-SM寄存器决定对应于那一个Dout-buf-prt这里的交换实际上是Dou-buf-SM中相应位的改变。当用户应用有新的数据需要传送到主站时，用户将数据传到Din-buf中的U，然后请求数据传送，主站相应于此请求使SPC3进行D与N的交换，从而达到数据输入的目的。这里的D、N和U由Din-buf-SM决定。对于诊断信息，标准的诊断信息由SPC3自动的形成与传送，有关用户的诊断必须由用户输入到诊断BUF，由用户请求数据发送。用户进行诊断信息输入前，必须检查是否有可用的诊断BUF。Cfg-buf，SSA-buf，Ptm-buf的数据传送必须借助辅助BUF，由Aux-bul-sel寄存器决定借助于那一个辅助BUF，辅助BUF与配置、参数化和地址设定BUF之间的数据传送由SPC3自动完成，用户只需在相应的中断请求为置位后，取出相应数据即可。 4.5 SPC3与MPU接口电路设计

智能从站接口单元的功能是：MCU管理通信事务，协议芯片SPC3作为中转站，MCU将外围设备的输入信息传给SPC3，SPC3将输入信息打包成符合规范的信息经RS485驱动传给总线，SPC3也可以接收总线传来的输出信息解码后被MCU调用传给外围设备（输入和输出是相对主站而言的）。MCU将SPC3的双口RAM作为自己的外部RAM，通过双口RAM交换数据,SPC3的双口RAM应在MCU地址空间中统一分配地址。

SPC3与MCU的接口因MCU的不同有两种模式：Intel模式和Motorola模式。在Intel模式，SPC3的DB0～DB7为地址数据复用,AB0～AB10为地址总线，其中AB8～AB10接地。SPC3内部锁存器通过MCU的ALE信号可锁存DB0～DB7，当对SPC3的RAM空间寻址时，可用DB0～DB7作为低八位数据总线A0～A7,AB0～AB8作为高八位地址总线A8～A15。

应当注意Intel模式下SPC3的1.5K RAM的选中信号是通过地址信号AB3～AB7同时置0产生的，即假如对SPC3的内部RAM寻址，A15～A0状态必须为0000 0XXX XXXX XXXX

[3]，x=0或1。STC89C52的P0.0～P0.7与SPC3的DB0～

DB7对应相连作为低八位地址线，P2.0～P2.4与AB0～AB4相连，P2.5和P2.6连接译码器74LS138的端子A和B,译码器输出端Y1连接SPC3的AB5作为片选端，当P2.6=0且P2.5=1时选中SPC3，AB6和AB7接地。从SPC3自身来看，其内部1.5K双口RAM的地址为：0000H～05FFH,但是在MCU看来，SPC3的地址空间地址映射为：2000H～25FFH。

SPC3芯片配置是借助两个输入引脚XINT/ MOT和MODE 进行的。XINT/ MOT表示Intel和Motorola芯片类别，MODE 表示SPC3 的工作模式,其中包括同

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步和异步。当其工作在同步模式时,SPC3 的XREADY(请求外部等待) 引脚无效。SPC3的中断输出引脚X/INT与MCU的INT0相连，SPC3中断作为MCU的外部中断。SPC3与MCU交换数据时，引脚XDATAEXCH输出低电平，利用这一特性可1234以在该引脚与VCC之间接一个LED作为数据交换指示灯。SPC3的RESET引脚与MCU的P1.7相连，MCU通过软件可以复位SPC3。拨码开关与1K排阻相连，MCU的P1.0～P1.6引脚查询拨码开关与排阻之间的电位，据此设置从站地址（0～127）。 MCU与SPC3接口电路如图4.4所示，其中包括地址拨码开关及看门狗监控电路。 S112345678VCCSW-DIP8AD:0~127 00H~7FH16KEY0115KEY1214KEY2313KEY3412KEY4511KEY5610KEY6798RP1161514131211109GNDRESPACK4GND20KEY01KEY12KEY23KEY34KEY45KEY56KEY67SPC3_RST81415MCU_RX1D0MCU_TXD1131VCC1819Y129C511.059230pFGNDR41K1234R51KS2SW-PBU12MRVCCGNDPFIPFOWDORESETWDI5876CS0L1CS1L2RST3WDI845GND616VCCU13ABCGNDG2AG2BG1VCC74LS138GNDGNDC630pFSTC89C52U1VssP1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7T0T1RXDTXDEAXTAL2XTAL1PSENVccP0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7P2.0P2.1P2.2P2.3P2.4P2.5P2.6P2.7ALEWRRDINT0INT1RSTVCC4039AD038AD137AD236AD335AD434AD533AD632AD7212223242526272830161712139A8A9A10A11A12CS0LCS1LWDIALEWRRDINTBUSYLRSTU211121516192021224443414037CS04R2ALEWRRDINTSPC3_RST2424936513DB0DB1DB2DB3DB4DB5DB6DB7VDDVDDXCSDIVIDERMODEXTEST0XTEST1183913233435832312925106172838VCCR13KVCCRAM:512B0000H01FFHY0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y71514CS0R13CS1R12CS2RGND114103977R3141KU8XINT/MOTAB0AB6AB1AB7AB2AB8AB3AB9AB4AB10AB5VSSVSSALE/ASVSSXWR/E_CLOCKVSSXRD/R_WX/INTRESETRTSCLKXCTSXDATAEXCHTXDRXDCLKOUT2/4XREADY/XDTACKSPC3VCCR21KGNDSPC3_RTSSPC3_XCTSSPC3_TXDSPC3_RXD27332630RAM:1.5KB2000H25FFHLEDU7VCCOUT48MHZGNDNC21VCCMAX706P 图4.4 MCU与SPC3接口电路 4.5.1 SPC3与PROFIBUS DP总线接口 RS485总线驱动一侧通过光耦与SPC3连接，另一侧通过DB9连接器与PROFIBUS-DP电缆连接。 为了实现总线与单片机系统的隔离，须采用高速光耦隔离，本设计采用的光耦为TOSHIBA公司的6N137，可以达到10Mbps的传输率。若要达到12Mbps波特率，就要选择更高速的光耦，能满足12Mbps波特率的光耦有HCPL7720,HCPL0720,HCPL7721,HCPL0721,HCPL7710等。光耦限流电阻的选择也1十分重要，它的阻值如果选得较大，将会使光耦的发光管由截止进入饱和变得较234慢;如果选取得过小，将会使其退出饱和很慢，从而影响了芯片的正常工作，降

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低了速度。本设计通过实验确定这两个电阻取值为430欧姆比较合适。目前能满足12M波特率的驱动器芯片为数不多，有SN65ALS176,SN75ALS176,ADM1485等，本设计选用的是NS公司出品的DS75176B。

本接口用到SPC3的四个端子：请求发送RTS、清除发送XCTS、串行发送端口TXD和串行接收端口RXD。XCTS接地发送使能。RTS通过光耦与驱动芯片DS75176B的发送使能端相连，RTS高电平可以使TXD串行输出通过光耦经DS75176B转换成RS485信号传给主站。DS75176B的输入使能端RE接地使能串行接收，主站信息经转换芯片后可进入SPC3的串行接收端口RXD。

当信号在总线上传输时，如发生阻抗不连续，将形成信号的反射，导致数据传输信号畸变，因此在传输线的末端，需要加电阻来消除这种阻抗不连续，所加的电阻阻值需尽量接近传输线的特性阻抗。当总线上没有站处于发射状态时，发

234射器禁止，使其处于高阻状态，在这种状态要使总线处于“1”状态，需要在Pin35加一个上拉电阻，Pin8加一个下拉电阻，此时由于所有的接收器总是处于允许状态，因此在空闲状态每个接收器都收到“1”。PROFIBUS-DP总线电缆的特性阻抗一般为100至165欧，类型A:特性阻抗130至165欧，截面积>0.34mm2，总线终端电阻Ru=390欧，Rd=390欧，Rt=220欧;类型B:特性阻抗为100至130欧，截面积>0.22mm2，总线终端电阻Ru=390欧，Rd=390欧，Rt=150欧。本设计应用A型电缆，选择总线终端电阻为Ru=390欧，Rd=390欧，Rt=220欧，终端电阻上加联动开关，使接口可适用于非终端从站。SPC3与RS485接口电路如图4.5。 U2VCC1234U9N.C.AnodeCathodeN.C.6N137U10N.C.AnodeCathodeN.C.6N137U11GNDRXDRXDR12200SPC35678VCC6N137GNDOutputEnableVccN.C.CathodeAnodeN.C.4321R11430VCC1A-LINESW DPSTGND1S3GND1B-LINEVccEnableOutputGNDVCC18765GND1R8300U14R142003412DEDIROREVccDO/RIDO/RIGND8675VccEnableOutputGNDVCC18765GND1GNDVCC1234VCC11VCC1627B-LINE3A-LINE849GND15DB9VCC1R13200J3RTSRTSR9430XCTSXCTSR61KTXDTXDR10430DS75176BGND1R15390R17220R16390 图4.5 SPC3与RS485接口电路 4.5.2 DP通信接口模块与结晶器检测仪接口 36

DP通信接口模块与结晶器检测系统的数据通信视检测系统提供的检测信号不同，可采用RS485和4~20mA标准电流信号两种接口方式实现。若检测系统直接给出RS485数字信号，则DP通信模块MPU可直接通过TTL-RS485转换模块进行串口通信编程实现，其电路与检测系统电路485接口形式相同，不再赘述。 若检测系统提供4~20mA标准电流信号，则DP通信电路须设计对应的两线制I-V转换电路，及配套AD转换，电路设计如图4.6所示。

图4.6 AD转换电路示意图

4.5.3 智能从站接口软件系统设计

PROFIBUS-DP智能从站接口程序须实现现场总线通信控制程序和通信数据的处理程序等功能。由于SPC3集成了完整的PROFIBUS-DP协议，MPU不用参与处理PROFIBUS-DP状态机，MPU根据SIEMENS提供的DPS2 SPC3开发包，对总线通信接口采用固件编程的开发方式，编制程序主要任务即为初始化和启动SPC3以及处理从站诊断事务，然后根据SPC3产生的中断，对SPC3接收到的主站发出的输出数据转存以及接收下位机上传的输入信号通过SPC3返回给主站，再根据主站的组态参数发送控制命令给下位机实施控制从而完成一个程序循环。对SPC3的内容存储区管理，特殊寄存器使用，中断系统控制等功能，都通过调用SPC3固件程序的API函数接口实现，充分体现了模块化、移植性编程思想。

SPC3和MCU之间的软件接口如图4.7所示。 DPS2固件程序主要由以下四个模块组成：

⑴ USERSPC3.C主程序，即用户功能程序，这部分主要完成SPC3初始化、启动、发送、接收数据和诊断等功能，用户主要通信操作功能都在此C源码中实现；

⑵ INTSPC3.C中断模块，该模块主要处理分配从站参数、组态数据检查和从站地址设定等功能。

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