基于現場總線射頻物位控制裝置的研究

摘 要：介紹一種利用現場總線技術進行物位信號傳輸的控制裝置，針對裝置的射頻導納測量原理、工藝結構設計及測量電路進行介紹。該裝置已進行實驗室測試和現場應用，取到預期效果。

關鍵詞：現場總線；射頻；物位計

1 前言

現場總線控制系統（FCS）用數字信號取代模擬信號，以提高系統的可靠性、精確度和抗干擾能力，并延長信息傳輸的距離。它既是一個開放的通信網絡，又是一個全分布的控制系統，是一種新型的網絡集成自動化系統，而PROFIBUS現場總線技術則是其中的佼佼者。伴隨著PROFIBUS的發展，PROFIBUS通信協議得到了廣泛應用。與此同時，如何自行開發穩定可靠的具有PROFIBUS-DP智能通信接口的應用設備，使之能夠同時工作在同一個PROFIBUS網上，彌補生產監測設備不支持PROFIBUS通訊方式，就顯的尤為重要。

2 射頻導納測量原理

射頻簡稱RF射頻就是射頻電流，頻率范圍從300KHz～300GHz之間，是一種高頻無線電波譜，也是高頻交流變化電磁波的簡稱。導納是電導和電納的統稱，由電阻性成分、電容性成分、電感性成分綜合而成，在電力電子學中導納定義為阻抗（impedance）的倒數，導納是一個復數。射頻導納物位儀表的測量原理是從電容物位測量儀表發展而來，從圖中可以看出，由于被測容器壁與探測極之間可以作為一個回路，當料倉內物料變化時，探測極與料倉的倉璧間會發生分布電容變化，利用電容的變化情況量來判斷物料的有無。

3 結構設計

現場總線采用SP3芯片，是西門子公司為PROFIBUS-DP現場總線的應用需求而開發的總線傳輸專用芯片，最高通信波特率可達12M，該芯片可以直接和多種單片機系統聯接，可滿足不同用戶的需要。

3.1 儀表工藝結構（見圖2）

3.2 控制總體介紹

現場總線式射頻智能物位監測裝置以微處理器為運算核心，結合PROFIBUS-DP專用芯片SPC3進行信號轉換，通過RS485總線形式將物位信號傳送給PLC可編程序控制器，并在工控機上進行顯示。上位機軟件采用西門子STEP7進行設計，控制系統采用西門子S7-300作為信號接收控制端。以PLC可編程控制器和工控機作為系統的上層，底層為基于PROFIBUS-DP現場總線的射頻物位監測裝置。

3.3 測量電路

測量電路包括信號采集、數據處理、總線通信輸出三部分組成。信號采集電路是將傳感極接收到的信號經處理后產生可進行數據分析處理的脈沖信號。數據分析處理部分由單片機來完成，單片機采用C8051F410，總線通信輸出部分由SPC3芯片和RS485通信線路組成。硬件電路主要包括以下幾個部分：（1）單片機及外圍擴展設計；（2）SPC3與單片機的聯接；（3）RS485接口電路設計；（4）復位電路和電源電路的設計。

3.4 RS485通信接口設計

文章采用ADM2587芯片，是基于ADI公司生產的隔離的RS-485/RS-422收發器，可配置成半雙工或全雙工模式，具有三個通道隔離器、一個三態差分線路驅動器、一個差分輸入接收機和一個isoPower DC/DC 轉換器。該器件具備限流和過熱關斷特性，能夠防止輸出短路，并防止出現由于總線爭用而引起功耗過大的情況。在線路設計過程中在輸出端串接電路和瞬態電壓抑制器消除總線上存在的浪涌沖擊、電源線與485線短路、雷擊等潛在危害，對電路進行瞬態保護。

4 編程思想

軟件設計分為兩部分，由DP從站程序設計及RS485通訊程序兩部分組成。軟件以c語言作為編程語言，考慮到程序的可移植性和以后的功能升級，以及調試的方便性，采用模塊化程序設計。在DP從站程序采用結構化、模塊化的方法，包括四個文件：主程序文件，中斷模塊文件，函數文件，頭文件。RS485通訊程序主要包括三個文件：命令執行部分，數據接收部分，數據發送部分。

考慮到不同廠家生產的PROFIBUS總線產品集成在一起，生產廠家必須以GSD文件（電子設備數據庫文件）方式提供產品的功能參數（如I/O參數、診斷信息、波特率、時間監視等）。標準的GSD數據將通信擴大到操作員控制級。使用根據GSD文件所做的組態工具可將不同廠商生產的設備集成在同一總線系統中。

5 結束語

現場總線式射頻智能物位監測裝置以射頻導納原理進行測量，將數字技術與微處理器技術相結合進行研制，利用現場總線形式進行信號傳輸處理，實現了信號傳輸的數字化，提高了系統的抗干擾能力、故障診斷能力、測量準確性，使儀表易于現場布線，降低了產品的安裝和使用費用，達到了預期的測量效果。

參考文獻

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