CN201114166Y - 基于profibus-dp通信接口的泵智能控制系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种基于PROFIBUS－DP通信接口的泵智能控制系统，属于泵智能控制技术领域，本实用新型通过设置PROFIBUS－DP总线，接口电路和以DSP微处理器为核心的控制电路，在相关程序的支持下对电动机的各参数进行定时采样分析，监测显示，如超出规定数值，则发出报警信息，规定的参数数值可以通过键盘进行设计，在FCS系统中，泵智能控制系统以从设备的方式，按规范与现场总线接口(Anybus－s)进行数据交换，并在现场总线组态下运行具体的设备和进行监控，泵智能控制系统具有本地操作的人机界面(操作键和LCD显示屏)，并能进行远程操作，本实用新型采用模块化结构，结构简单，工作可靠，有利于现代工业系统的要求。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种基于PROFIBUS-DP通信接口的泵智能控制系统，属于泵智能控制技术领域。
背景技术
泵在工业控制系统中使用极为广泛，绝大多数流程工业都必须使用泵。随着现场总线控制系统(FCS)在工业企业中的应用，原有的泵装置直接用电控柜进行控制，没有参数监控功能、不能与现场总线控制系统配套应用，已不能满足现代工业系统的要求。要使泵的性能能够支持现场总线，并具有现场和远程参数的监控功能、智能控制功能，使泵能够根据生产流程的工艺状况作自我调节，并处于高效率点运行，必须研制泵智能控制系统。
PROFIBUS现场总线是世界上应用最广泛的现场总线技术，其产品的年增长率达25％，是增长最快的现场总线技术。然而，在国内市场上多年来一直被国外公司的产品所主导，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，从而降低了企业的竞争力。因此，开发具有自主知识产权的带有PROFIBUS-DP通信接口的泵智能控制系统，具有较大的现实意义。
发明内容
本实用新型的目的是提供一种基于PROFIBUS-DP通信接口的泵智能控制系统，解决现有泵的电控柜不能与现场总线控制系统配套，以及PROFIBUS现场总线价格昂贵的不足，实现泵组及控制系统高速低成本通信连接。
本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的，一种基于PROFIBUS-DP通信接口的泵智能控制系统，包括泵，驱动泵的电磁调速电动机，控制电磁调速电动机的由三相整流电路、滤波电路和IPM逆变器构成的主电路，其特征是所述的系统还设置PROFIBUS-DP总线，接口电路和以DSP微处理器为核心的控制电路，PROFIBUS-DP总线与接口电路中的总线收发器连接，DSP微处理器与接口电路中的专用通信协议接口芯片SPC3连接，DSP微处理器中的PWM输出经光、电隔离电路与主电路中的IPM逆变器连接。
DSP微处理器为核心的控制电路由芯片TMS320F240、键盘及显示器和提供模拟量输入的各测量元件和传感器组成。
提供模拟量输入信号的是置于泵和电磁调速电动机中相关部位的流量、扬程、转速、功率、效率、轴承温度、进口压力、出口压力测量元件和传感器。
接口电路由专用通信协议接口芯片SPC3、高速光耦和总线收发器组成。
本实用新型通过设置PROFIBUS-DP总线，接口电路和以DSP微处理器为核心的控制电路，来自安装在泵及电动机中的测量元件和传感器的模拟信号经放大处理后，由微处理器DSP转变成相应的模拟量传给IPM逆变器，以改变电动机的转轴输出，在相关程序的支持下达到控制泵的目的，同时，对于电动机的运转状态参数及反映环境特怔的参数等进行定时采样分析，监测显示，如超出规定数值，则发出报警信息，规定的参数数值可以通过键盘进行设计。另外，DSP微处理器还内置了多路开关量的输入输出通道，以供LCD显示器显示，信号的联锁保护等作用。在FCS系统中，泵智能控制系统以从设备的方式，按规范与现场总线接口(Anybus-s)进行数据交换，并在现场总线组态下运行具体的设备和进行监控。泵智能控制系统具有本地操作的人机界面(操作键和LCD显示屏)，并能进行远程操作。本实用新型采用模块化结构，结构简单，工作可靠，有利于现代工业系统的要求。
附图说明
图1为本实用新型原理框图；
具体实施方式
结合附图和实施例进一步说明本实用新型，如图1所示，本实用新型由主电路、控制电路、PROFIBUS-DP总线和PROFIBUS-DP接口电路组成。主电路由三相整流器、滤波器和逆变器组成：控制电路由DSP芯片TMS320F240、键盘及显示器和模拟量输入组成，其中模拟量包括泵的主要参数如流量、扬程.转速、功率.效率、轴承温度、进口压力、出口压力等：PROFIBUS-DP接口电路由专用通信协议接口芯片SPC3、高速光耦和总线收发器组成。其中DSP芯片TMS32OF240既是泵智能控制系统的控制单元，又是PROFIBUS-DP接口的一部分。
1)、主电路(含主电路和基于DSP系统的主站控制电路)
如图1所示，泵智能控制系统主机电路为采用正弦波电源驱动的变频调速电机作为执行部件的变频调速驱动系统，主要包括控制电路、主电路和泵电动执行件，其中主回路由三相全波整流器，储能滤波电容C1、C2和IPM三相逆变器等电路构成。DSP芯片TMS320F240包含有双10位模拟转换器和基于PWM控制的管理器(6个比较单元、9路PWM输出、2路光电编码器接口的编码单元)。图中的IPM为智能功率模块，这里采用的是三菱电子的智能功率模块PM15RSH120，它不仅把功率开关器件和驱动电路集成在一起。而且内部藏有电机电压、电流、泵和电机轴承温升及流量、扬程、转速、功率、效率、进出口压力等性能检测和监控电路。并可将检测信号送入CPU。即使发生负载事故或使用不当，也可保证IPM自身不受损坏。
PM15RSH120器件是先进的混合集成功率器件。它将三相逆变器的6个IGBT单元功率器件全部集成在一个器件内，同时它对分离的驱动电路进行优化，将驱动电路和保护电路也集成到一个器件内.极大的方便了驱动电路的设计。PM15RSH120的控制输入可以和光耦合晶体管相连，特殊设计的门极驱动电路不再需要使IGBT关断的负电源，这样就简化了驱动电路。
TMS320F240是TI公司专门为满足复杂电机高速数字控制要求而设计的一种新型、廉价、高效、低功耗的DSP芯片，它将一个高性能的16位DSP核和许多功能外设集成在单一芯片上，提供了较高的集成度和较强的运算能力，同时，使目标系统的成本得到极大降低。与传统的由8位或16位微控制器构成的系统相比，这种强大的处理能力和专用外设电路的组合使所实现的目标控制系统效率更高、能量消耗更低、可靠性更高。TMS320F240在片上还集成了多通道AD转换电路、CAN控制器模块、串行通信接口电路、锁相环时钟产生电路等功能外设。特别值得一提的是它内部集成的事件管理器模块是专门用于电机控制的：其中3个通用定时器除了用于产生周期信号外.还作为正交脉冲编码单元(QEP)、捕获单元、PWM模块的时基信号：比较单元和PWM控制部分提供了多达9路比较/PWM输出端，其中的6路PWM输出由一个空间矢量模块控制.并具有死区逻辑，不需程序过多的干预就能够方便地产生用于三相全桥逆变器6个功率开关元件的PWM触发信号.从而实现对三相交流电机的控制；捕获单元(CAP)可用于及时地捕捉电动机磁极位置信号的上升/下降滑，并通过查询相关计数器的值来确定电机的转速：正交编码器(QEP)可以对与电机同轴的光电编码器、磁编码器所产生的正交编码信号进行计数，继而判断电机的转速、位置和转动方向。
2)、PROUFIBUS-DP通信接口
该接口直接用DSP和西门子公司的ASIC芯片SPC3来开发带ROFIBUS-DP接口的泵智能控制系统，实现简单、方便，同时节约了成本，缩小了体积。SPC3集成了PROFIBUS-DP物理层和数据链路层的完整协议，能自动检测波特率(9.6K～12M)，集成了1.5K的双口RAM，它本身具有地址锁存功能和片选功能，上电后自动执行PROFIBUS-DP的从站状态机。
PROFIBUS-DP接口主要由DSP接口和串行总线接口两部分组成，由于DSP芯片TMS320F240在片内集成了16K的Flash EEPROM和544字节的DARAM.完全能满足泵组系统及PROFIBUS-DP接口的需要.因此无需外扩存储器，从而大大简化了硬件电路的设计。应用时TMS32OF240将SPC3内部的双口RAM作为自己的外部RAM，通过对双口RAM的读写来完成对SPC3的初始化和有关数据的交换。SPC3芯片的请求发送信号(RTS)，发送数据信号(TXD)，接收数据信号(RXD)，通过高速光耦6N137和总线收发器SN75ALS176B相连，构成串行总线接口。
光、电隔离电路采用现有成熟电路。
控制系统软件采用功能模块的方法。系统软件主要由主程序，PROFIBUS-DP接口程序，中断服务程序，显示子程序，PI控制子程序和有关子程序组成。
PROFIBUS-DP接口程序，由于SPC3内部集成了完整的PROF1BUS-DP协议，因此TMS320F240的主要任务是根据SPC3产生的中断，对SPC3接收到的主站发出的数据转存，组织要通过SPC3发给主站的数据，并根据要求组织外部诊断.因此，PROFIBUS-DP接口程序包括SPC3初始化程序和具体的I/O应用程序两部分。其中SPC3初始化程序包括设置SPC3允许的中断，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、地址缓冲区初始长度，并根据以上初始值求出各个缓冲区的指针及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。中断程序主要用来处理Pfm、Crg和Ssa等报文。
Claims (5)
1. 一种基于PROFIBUS-DP通信接口的泵智能控制系统，包括泵，驱动泵的变频调速电动机，控制变频调速电动机的由三相整流电路、滤波电路和IPM逆变器构成的主电路，其特征是所述的系统还设置PROFIBUS-DP总线，接口电路和以DSP微处理器为核心的控制电路，PROFIBUS-DP总线与接口电路中的总线收发器连接，DSP微处理器与接口电路中的专用通信协议接口芯片SPC3连接，DSP微处理器中的PWM输出经光、电隔离电路与主电路中的IPM逆变器连接。
2. 根据权利要求1所述的基于PROFIBUS-DP通信接口的泵智能控制系统，其特征是DSP微处理器为核心的控制电路由芯片TMS320F240、键盘及显示器和提供模拟量输入的各测量元件和传感器组成。
3. 根据权利要求2所述的基于PROFIBUS-DP通信接口的泵智能控制系统，其特征是提供模拟量输入信号的是置于泵和变频调速电动机中相关部位的流量、扬程、转速、功率、效率、轴承温度、进口压力、出口压力的测量元件和传感器。
4. 根据权利要求1所述的基于PROFIBUS-DP通信接口的泵智能控制系统，其特征是接口电路由专用通信协议接口芯片SPC3、高速光耦和总线收发器组成，其中SPC3通过高速光耦总线收发器与PROFIBUS-DP总线连接。
5. 一种基于PROFIBUS-DP通信接口的泵智能控制系统，其特征是所述系统中的IPM逆变器采用智能功率模块PM15RSH120。
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