基于PROFIBUS总线的工业质谱仪电流变送系统

严奉轩，陆　平，陈　宁，凌大鹏，赵加鹏

(中国船舶重工集团公司第七一八研究所，河北邯郸　 056027)

0　引言

工业质谱仪在钢厂等复杂的工业现场应用时，可能面向集散分布式控制系统(DCS)或现场总线之外的“孤岛”式的测控站[1-2]，这些测控站的信号检测、传输与控制沿用4～20 mA的模拟信号，而且路数较多。如果按照经典的“PLC+扩展模块”设计方案，会导致系统设计复杂、软硬件投资增大。

因此，设计了一套基于PROFIBUS总线的工业质谱仪电流变送系统，系统利用PROFIBUS网络的数据传输功能，使用可编程控制器和数/模转换芯片(DAC)，结合精密V/A转换电路，实现多路标准4～20 mA信号输出。

经过功能验证，这种现场总线技术和微电子电路技术相结合的新型电流变送系统满足设计要求，取得了降低系统复杂度、减少软硬件投资的效果。

1　系统结构及原理

工业质谱仪电流变送系统的系统结构如图1所示。系统中的PLC为S7-200 CPU226，配合EM277扩展模块构成PROFIBUS网络中的DP从站，获取DP主站的质谱仪测量结果对应的气体浓度信号并转换成4～20 mA电流。

图1系统结构图

MAX5742是4路数/模转换器，图1中实现的是4路电流变送器。如果利用SPI的扩展功能，可以实现多个MAX5742的控制，从而实现8路、12路、16路…的4～20mA电流变送。

2　PROFIBUS网络及数据交换机制

PROFIBUS过程现场总线是一种成功的开放式现场总线，在此采用PROFIBUS-DP协议。

工业质谱仪系统中，PROFIBUS网络由1个DP主站和多个DP从站组成。DP主站是搭载PROFIBUS网关的质谱仪主机；DP从站由多个CPU226配合EM277扩展模块构成。DP主站与多个DP从站间的通信采用轮询方式。数据交换的示意如图2所示。主站通过将其输出区的信息发送给从站的输入缓冲区(接收信箱)，向从站写入数据；从站将其输入缓冲区(发送信箱)的数据返回给主站的输入区，以响应主站。

图2　DP主站与DP从站的数据交换

3　电流变送系统的硬件、软件设计

3．1硬件设计

3．1．1DAC数/模转换器

电流变送器内由数/模转换器MAX5742生成模拟电压[3]。MAX5742是4路12位低功耗D/A转换芯片，供电范围+2.7～+5.5 V，工作电流小于280 μA，其功能框图如图3所示。

图3　MAX5742的功能框图

MAX5742中有4路数/模转换器，每个转换器依靠电阻网络，将输入的12位数字量转换成与输入参考电压VREF成正比的模拟电压输出。参考输入端REF的电压VREF可以从0到电源VDD．芯片自身带有满摆幅缓冲输出放大器。此外它还有节电功能，可以工作在掉电模式下，掉电模式下的参考输入端为高阻态。通信接口为施密特触发逻辑的高速三线制SPI串口。MAX5742的SPI口的时序特性如图4所示。

图4　MAX5742的操作时序图

3．1．2V/A转换电路

V/A转换电路原理图如图5所示。

图5　V/A转换电路原理图

根据三极管放大区输出特性和运算放大器“虚短”、“虚断”的概念，集极电流输出为

IC≈IE=VOUT_/R

(1)

式中：IC为三极管集极电流；IE为三极管发射极电流；VOUT_为D/A转换器的电压输出；R为三极管接电流转换电阻[4-5]。

3．1．3可编程控制器模块

系统选用S7-200系列PLC作为底层核心控制器。S7-200系列PLC除了具有基本控制功能外，更有丰富强大的指令集和丰富的通信功能，这些也是选择S7-200的原因之一。

根据系统的总体设计方案，选择CPU226和EM277扩展模块构成PLC硬件架构。与系统功能相关的CPU226技术规格如表1所示。

表1　CPU226技术规格

EM277经过串行I/O总线连接至CPU226。PROFIBUS网络经过EM277的DP端口连接，建立质谱仪主机与CPU226的通信。EM277配置参数如表2所示。

表2　EM277配置参数

3．2软件设计

系统中的PLC控制程序用STEP7编写。程序包括主程序和中断程序，其流程分别如图6所示。

图6　PLC程序流程图

主程序中进行变量、数据缓冲区、中断的初始化后，进入循环：读入现场数据；进行判断，若不正常，则启动声光报警、制动机制；向DP发送信箱中写入数据。中断程序根据100 ms的定时器中断，在中断入口处读DP接收信箱，按照约定的DP协议，将接收信箱的内容计算转换成DAC能识别的数字量。最后调用模拟SPI程序将数字量送出后，返回主程序。

模拟SPI程序是单独开发的程序模块，它用数字I/O口模拟图4中SPI的时序特性，与MAX5742建立SPI通信。以SPI方式发送单个字节为例，给出伪代码程序[6]：

char data_to_send，i；// 要发送的数据为data_to_send

define SPI_CS Q0．2

define SPI_CLK Q0．0

define SPI_DATA Q0．1 //将PLC的I/O端口映射为SPI的功能引脚

SPI_CS =0；//拉低SPI的片选

for(i=0；i<8；i++)//8个时钟脉冲，将数据分为8bit送走

{

SPI_CLK=1；// clk置上升沿

SPI_DATA=data_to_send&0x01；//发送数据的最低位

data_to_send>>=1；// 数据右移1位

_delay_us(100)；//延时100 μs

SCLK_CLK=0；//clk归零

}

SPI_CS =1；//禁止SPI的片选

CPU226的I/O端口输入为源型MOS，输出为固态MOSFET，这里为同时兼顾实时性和PLC的I/O迟滞性，选取时钟频率fSCK=10 kHz．

3．3电流输出的分辨率计算

DP主站传递给DP从站的数据是质谱仪检测到的气体成分浓度，电流变送器输出电流的参数要与检测到的物质浓度相对应。以质谱仪的H2测量参数为例：

检测浓度(体积分数)范围0～4％，分辨率(体积分数)0.01％。由于电流变送器是4～20 mA量程，因此4 mA输出对应体积分数为0，20 mA输出对应体积分数为4％。电流分辨率根据氢气浓度的量化值计算：

Nmin=(S1-S2)/D=(4×10-2-0)/0.01％=400

(2)

式中：Nmin为计算浓度量化值；S1为检测浓度上限；S2为检测浓度下限；D为检测分辨率。

只要电流的量化值大于式(2)所计算的浓度量化值，其分辨率就能满足应用。而文中使用的智能化电流变送器，其分辨率只受D/A转换器—MAX5742分辨率的限制，而MAX5742内的DAC是12位，其量化值为212=4 096≥400，满足传送氢气浓度信号的要求。

其他质谱仪检测的物质(如O2、CO2、CO、链烃、芳香烃等)也都能根据上述过程计算其分辨率，该电流变送系统能满足这些被测物质的分辨率要求。

4　实验结果

选取4种物质(H2、O2、链烃、芳香烃)进行测量，因为它们是工业质谱仪测量成分中的常见物质，并具有微量气体和常量气体的代表性[7]。其中链烃选取正庚烷(C7H16)作为代表物质，芳香烃选取苯(C6H6)作为代表物质。以质谱仪DP主站的实际测量浓度为参照，系统的实际测量结果如表3所示。

表3　测量结果

由测量结果可以看出，系统测试精度较高，误差在5％以内(可能是测量仪表的本身误差和V/A电路中模拟器件的偏差)，能通过电流变送和接收，较好复示质谱仪的测量结果。

5　结束语

设计了一套基于PROFIBUS总线的工业质谱仪电流变送系统，系统中的DP从站以S7-200 CPU226作为数据处理、控制和变送的核心，结合高集成度的DAC和精密V/A电路，实现质谱仪多路浓度信号的4～20 mA输出的功能。

该系统工作稳定，抗干扰能力强，又由于PROFIBUS总线的特点，可以方便地增加或减少智能监控节点而不影响系统运行。整个系统结构简单，方便灵活，具有较好的应用和推广价值。

参考文献：

[1]赵长平，桂卫华．大型模锻水压机控制系统设计与实现．仪表技术与传感器，2008(12)：98-100．

[2]廖常初．PLC编程及应用．北京：机械工业出版社，2000：11-12．

[3]阎石．数字电子技术基础．4版．北京：高等教育出版社，1998：456-469．

[4]邱关源．电路．4版．北京：高等教育出版社，2000：50-73．

[5]高文焕．电子线路基础．北京：高等教育出版社，2002：546-565．

[6]马忠梅．单片机的C语言应用程序．北京：北京航空航天大学出版社，2001：68-76．

[7]李芳．四极质谱仪在空气中七种常量微量组分在线监测中的应用．分析仪器，2007(4)：20-22．