專利名稱：基于profibus－dp通信接口的泵智能控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于PROFIBUS-DP通信接口的泵智能控制系統(tǒng)，屬于泵智能控制技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
泵在工業(yè)控制系統(tǒng)中使用極為廣泛，絕大多數(shù)流程工業(yè)都必須使用泵。隨著現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCS)在工業(yè)企業(yè)中的應(yīng)用，原有的泵裝置直接用電控柜進(jìn)行控制，沒有參數(shù)監(jiān)控功能、不能與現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)配套應(yīng)用，已不能滿足現(xiàn)代工業(yè)系統(tǒng)的要求。要使泵的性能能夠支持現(xiàn)場總線，并具有現(xiàn)場和遠(yuǎn)程參數(shù)的監(jiān)控功能、智能控制功能，使泵能夠根據(jù)生產(chǎn)流程的工藝狀況作自我調(diào)節(jié)，并處于高效率點(diǎn)運(yùn)行，必須研制泵智能控制系統(tǒng)。
PROFIBUS現(xiàn)場總線是世界上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場總線技術(shù)，其產(chǎn)品的年增長率達(dá)25％，是增長最快的現(xiàn)場總線技術(shù)。然而，在國內(nèi)市場上多年來一直被國外公司的產(chǎn)品所主導(dǎo)，由于其高昂的價格和技術(shù)的壟斷，使國內(nèi)企業(yè)的生產(chǎn)成本大大增加，從而降低了企業(yè)的競爭力。因此，開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的帶有PROFIBUS-DP通信接口的泵智能控制系統(tǒng)，具有較大的現(xiàn)實(shí)意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種基于PROFIBUS-DP通信接口的泵智能控制系統(tǒng)，解決現(xiàn)有泵的電控柜不能與現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)配套，以及PROFIBUS現(xiàn)場總線價格昂貴的不足，實(shí)現(xiàn)泵組及控制系統(tǒng)高速低成本通信連接。
本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，一種基于PROFIBUS-DP通信接口的泵智能控制系統(tǒng)，包括泵，驅(qū)動泵的電磁調(diào)速電動機(jī)，控制電磁調(diào)速電動機(jī)的由三相整流電路、濾波電路和IPM逆變器構(gòu)成的主電路，其特征是所述的系統(tǒng)還設(shè)置PROFIBUS-DP總線，接口電路和以DSP微處理器為核心的控制電路，PROFIBUS-DP總線與接口電路中的總線收發(fā)器連接，DSP微處理器與接口電路中的專用通信協(xié)議接口芯片SPC3連接，DSP微處理器中的PWM輸出經(jīng)光、電隔離電路與主電路中的IPM逆變器連接。
DSP微處理器為核心的控制電路由芯片TMS320F240、鍵盤及顯示器和提供模擬量輸入的各測量元件和傳感器組成。
提供模擬量輸入信號的是置于泵和電磁調(diào)速電動機(jī)中相關(guān)部位的流量、揚(yáng)程、轉(zhuǎn)速、功率、效率、軸承溫度、進(jìn)口壓力、出口壓力測量元件和傳感器。
接口電路由專用通信協(xié)議接口芯片SPC3、高速光耦和總線收發(fā)器組成。
本發(fā)明通過設(shè)置PROFIBUS-DP總線，接口電路和以DSP微處理器為核心的控制電路，來自安裝在泵及電動機(jī)中的測量元件和傳感器的模擬信號經(jīng)放大處理后，由微處理器DSP轉(zhuǎn)變成相應(yīng)的模擬量傳給IPM逆變器，以改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)軸輸出，在相關(guān)程序的支持下達(dá)到控制泵的目的，同時，對于電動機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)參數(shù)及反映環(huán)境特怔的參數(shù)等進(jìn)行定時采樣分析，監(jiān)測顯示，如超出規(guī)定數(shù)值，則發(fā)出報警信息，規(guī)定的參數(shù)數(shù)值可以通過鍵盤進(jìn)行設(shè)計。另外，DSP微處理器還內(nèi)置了多路開關(guān)量的輸入輸出通道，以供LCD顯示器顯示，信號的聯(lián)鎖保護(hù)等作用。在FCS系統(tǒng)中，泵智能控制系統(tǒng)以從設(shè)備的方式，按規(guī)范與現(xiàn)場總線接口(Anybus-s)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，并在現(xiàn)場總線組態(tài)下運(yùn)行具體的設(shè)備和進(jìn)行監(jiān)控。泵智能控制系統(tǒng)具有本地操作的人機(jī)界面(操作鍵和LCD顯示屏)，并能進(jìn)行遠(yuǎn)程操作。本發(fā)明采用模塊化結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，有利于現(xiàn)代工業(yè)系統(tǒng)的要求。


圖1為本發(fā)明原理框圖；具體實(shí)施方式
結(jié)合附圖和實(shí)施例進(jìn)一步說明本發(fā)明，如圖1所示，本發(fā)明由主電路、控制電路、PROFIBUS-DP總線和PROFIBUS-DP接口電路組成。主電路由三相整流器、濾波器和逆變器組成控制電路由DSP芯片TMS320F240、鍵盤及顯示器和模擬量輸入組成，其中模擬量包括泵的主要參數(shù)如流量、揚(yáng)程.轉(zhuǎn)速、功率.效率、軸承溫度、進(jìn)口壓力、出口壓力等PROFIBUS-DP接口電路由專用通信協(xié)議接口芯片SPC3、高速光耦和總線收發(fā)器組成。其中DSP芯片TMS320F240既是泵智能控制系統(tǒng)的控制單元，又是PROFIBUS-DP接口的一部分。
1)、主電路(含主電路和基于DSP系統(tǒng)的主站控制電路)如圖1所示，泵智能控制系統(tǒng)主機(jī)電路為采用正弦波電源驅(qū)動的變頻調(diào)速電機(jī)作為執(zhí)行部件的變頻調(diào)速驅(qū)動系統(tǒng)，主要包括控制電路、主電路和泵電動執(zhí)行件，其中主回路由三相全波整流器，儲能濾波電容C1、C2和IPM三相逆變器等電路構(gòu)成。DSP芯片TMS320F240包含有雙10位模擬轉(zhuǎn)換器和基于PWM控制的管理器(6個比較單元、9路PWM輸出、2路光電編碼器接口的編碼單元)。圖中的IPM為智能功率模塊，這里采用的是三菱電子的智能功率模塊PM15RSH120，它不僅把功率開關(guān)器件和驅(qū)動電路集成在一起。而且內(nèi)部藏有電機(jī)電壓、電流、泵和電機(jī)軸承溫升及流量、揚(yáng)程、轉(zhuǎn)速、功率、效率、進(jìn)出口壓力等性能檢測和監(jiān)控電路。并可將檢測信號送入CPU。即使發(fā)生負(fù)載事故或使用不當(dāng)，也可保證IPM自身不受損壞。
PM15RSH120器件是先進(jìn)的混合集成功率器件。它將三相逆變器的6個IGBT單元功率器件全部集成在一個器件內(nèi)，同時它對分離的驅(qū)動電路進(jìn)行優(yōu)化，將驅(qū)動電路和保護(hù)電路也集成到一個器件內(nèi).極大的方便了驅(qū)動電路的設(shè)計。PM15RSH120的控制輸入可以和光耦合晶體管相連，特殊設(shè)計的門極驅(qū)動電路不再需要使IGBT關(guān)斷的負(fù)電源，這樣就簡化了驅(qū)動電路。
TMS320F240是TI公司專門為滿足復(fù)雜電機(jī)高速數(shù)字控制要求而設(shè)計的一種新型、廉價、高效、低功耗的DSP芯片，它將一個高性能的16位DSP核和許多功能外設(shè)集成在單一芯片上，提供了較高的集成度和較強(qiáng)的運(yùn)算能力，同時，使目標(biāo)系統(tǒng)的成本得到極大降低。與傳統(tǒng)的由8位或16位微控制器構(gòu)成的系統(tǒng)相比，這種強(qiáng)大的處理能力和專用外設(shè)電路的組合使所實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)控制系統(tǒng)效率更高、能量消耗更低、可靠性更高。TMS320F240在片上還集成了多通道AD轉(zhuǎn)換電路、CAN控制器模塊、串行通信接口電路、鎖相環(huán)時鐘產(chǎn)生電路等功能外設(shè)。特別值得一提的是它內(nèi)部集成的事件管理器模塊是專門用于電機(jī)控制的其中3個通用定時器除了用于產(chǎn)生周期信號外.還作為正交脈沖編碼單元(QEP)、捕獲單元、PWM模塊的時基信號比較單元和PWM控制部分提供了多達(dá)9路比較/PWM輸出端，其中的6路PWM輸出由一個空間矢量模塊控制.并具有死區(qū)邏輯，不需程序過多的干預(yù)就能夠方便地產(chǎn)生用于三相全橋逆變器6個功率開關(guān)元件的PWM觸發(fā)信號.從而實(shí)現(xiàn)對三相交流電機(jī)的控制；捕獲單元(CAP)可用于及時地捕捉電動機(jī)磁極位置信號的上升/下降滑，并通過查詢相關(guān)計數(shù)器的值來確定電機(jī)的轉(zhuǎn)速正交編碼器(QEP)可以對與電機(jī)同軸的光電編碼器、磁編碼器所產(chǎn)生的正交編碼信號進(jìn)行計數(shù)，繼而判斷電機(jī)的轉(zhuǎn)速、位置和轉(zhuǎn)動方向。
2)、PROUFIBUS-DP通信接口該接口直接用DSP和西門子公司的ASIC芯片SPC3來開發(fā)帶ROFIBUS-DP接口的泵智能控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)簡單、方便，同時節(jié)約了成本，縮小了體積。SPC3集成了PROFIBUS-DP物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的完整協(xié)議，能自動檢測波特率(9.6K～12M)，集成了1.5K的雙口RAM，它本身具有地址鎖存功能和片選功能，上電后自動執(zhí)行PROFIBUS-DP的從站狀態(tài)機(jī)。
PROFIBUS-DP接口主要由DSP接口和串行總線接口兩部分組成，由于DSP芯片TMS320F240在片內(nèi)集成了16K的Flash EEPROM和544字節(jié)的DARAM.完全能滿足泵組系統(tǒng)及PROFIBUS-DP接口的需要.因此無需外擴(kuò)存儲器，從而大大簡化了硬件電路的設(shè)計。應(yīng)用時TMS320F240將SPC3內(nèi)部的雙口RAM作為自己的外部RAM，通過對雙口RAM的讀寫來完成對SPC3的初始化和有關(guān)數(shù)據(jù)的交換。SPC3芯片的請求發(fā)送信號(RTS)，發(fā)送數(shù)據(jù)信號(TXD)，接收數(shù)據(jù)信號(RXD)，通過高速光耦6N137和總線收發(fā)器SN75ALS176B相連，構(gòu)成串行總線接口。
光、電隔離電路采用現(xiàn)有成熟電路。
控制系統(tǒng)軟件采用功能模塊的方法。系統(tǒng)軟件主要由主程序，PROFIBUS-DP接口程序，中斷服務(wù)程序，顯示子程序，PI控制子程序和有關(guān)子程序組成。
PROFIBUS-DP接口程序，由于SPC3內(nèi)部集成了完整的PROF1BUS-DP協(xié)議，因此TMS320F240的主要任務(wù)是根據(jù)SPC3產(chǎn)生的中斷，對SPC3接收到的主站發(fā)出的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存，組織要通過SPC3發(fā)給主站的數(shù)據(jù)，并根據(jù)要求組織外部診斷.因此，PROFIBUS-DP接口程序包括SPC3初始化程序和具體的I/O應(yīng)用程序兩部分。其中SPC3初始化程序包括設(shè)置SPC3允許的中斷，寫入從站識別號和地址.設(shè)置SPC3方式寄存器，設(shè)置診斷緩沖區(qū)、參數(shù)緩沖區(qū)、配置緩沖區(qū)、地址緩沖區(qū)初始長度，并根據(jù)以上初始值求出各個緩沖區(qū)的指針及輔助緩沖區(qū)的指針根據(jù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)長度，確定輸出緩沖區(qū)、輸入緩沖區(qū)及指針。中斷程序主要用來處理Pfm、Crg和Ssa等報文。
權(quán)利要求
1.一種基于PROFIBUS-DP通信接口的泵智能控制系統(tǒng)，包括泵，驅(qū)動泵的變頻調(diào)速電動機(jī)，控制變頻調(diào)速電動機(jī)的由三相整流電路、濾波電路和IPM逆變器構(gòu)成的主電路，其特征是所述的系統(tǒng)還設(shè)置PROFIBUS-DP總線，接口電路和以DSP微處理器為核心的控制電路，PROFIBUS-DP總線與接口電路中的總線收發(fā)器連接，DSP微處理器與接口電路中的專用通信協(xié)議接口芯片SPC3連接，DSP微處理器中的PWM輸出經(jīng)光、電隔離電路與主電路中的IPM逆變器連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于PROFIBUS-DP通信接口的泵智能控制系統(tǒng)，其特征是DSP微處理器為核心的控制電路由芯片TMS320F240、鍵盤及顯示器和提供模擬量輸入的各測量元件和傳感器組成。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于PROFIBUS-DP通信接口的泵智能控制系統(tǒng)，其特征是提供模擬量輸入信號的是置于泵和變頻調(diào)速電動機(jī)中相關(guān)部位的流量、揚(yáng)程、轉(zhuǎn)速、功率、效率、軸承溫度、進(jìn)口壓力、出口壓力的測量元件和傳感器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于PROFIBUS-DP通信接口的泵智能控制系統(tǒng)，其特征是接口電路由專用通信協(xié)議接口芯片SPC3、高速光耦和總線收發(fā)器組成，其中SPC3通過高速光耦總線收發(fā)器與PROFIBUS-DP總線連接。
5.一種基于PROFIBUS-DP通信接口的泵智能控制系統(tǒng)，其特征是所述系統(tǒng)中的IPM逆變器采用智能功率模塊PM15RSH120。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于PROFIBUS－DP通信接口的泵智能控制系統(tǒng)，屬于泵智能控制技術(shù)領(lǐng)域，本發(fā)明通過設(shè)置PROFIBUS－DP總線，接口電路和以DSP微處理器為核心的控制電路，在相關(guān)程序的支持下對電動機(jī)的各參數(shù)進(jìn)行定時采樣分析，監(jiān)測顯示，如超出規(guī)定數(shù)值，則發(fā)出報警信息，規(guī)定的參數(shù)數(shù)值可以通過鍵盤進(jìn)行設(shè)計，在FCS系統(tǒng)中，泵智能控制系統(tǒng)以從設(shè)備的方式，按規(guī)范與現(xiàn)場總線接口(Anybus－s)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，并在現(xiàn)場總線組態(tài)下運(yùn)行具體的設(shè)備和進(jìn)行監(jiān)控，泵智能控制系統(tǒng)具有本地操作的人機(jī)界面(操作鍵和LCD顯示屏)，并能進(jìn)行遠(yuǎn)程操作，本發(fā)明采用模塊化結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，有利于現(xiàn)代工業(yè)系統(tǒng)的要求。
文檔編號H02P27/06GK101070855SQ20071002354
公開日2007年11月14日 申請日期2007年6月7日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月7日
發(fā)明者董洪志, 陳進(jìn) 申請人:江蘇迎浪科技集團(tuán)有限公司