电动钻机柴油发电机组控制系统通信单元设计

申小会，李 琳，沈晓滨

（1.西安石油大学 电子工程学院，陕西 西安 710065；2.郑州轻工业学院 机电工程学院，河南 郑州 450002）

目前，电动钻机控制系统主要以西门子PLC为控制核心，由数字式发电控制单元、数字式电气传动控制单元和数字式配电控制单元组成全数字控制系统，分别控制井场的动力设备、钻井驱动设备和配电设备；同时，应用Profibus-DP现场总线技术实现西门子PLC和电气传动控制单元之间的通信功能[1]。而智能化、网络化、开放化是电动钻机全数字控制系统的发展趋势[2]。因此，开发、完善电动钻机控制系统的数字式控制器具有实际意义。

1 通信单元系统结构

对于电动钻机控制系统，应用Profibus-DP现场总线技术的通信功能可实现西门子PLC对所控机组的集中监测、控制、管理；对于柴油发电机组控制系统，利用DSP控制柴油发电机组可以提高控制系统的精度和数字处理速度。在开发柴油发电机组数字式控制器的过程中,采用内嵌CAN总线通信功能的DSP作为柴油发电机组的核心控制模块来协调、控制各机组之间的工作[3]，为了将柴油发电机组的实时工况传送至PLC，同时实现DSP读取PLC所发出的命令，开发Profibus-DP与CAN总线协议转换通信单元，图1为系统结构。

图1 通信单元系统结构

2 硬件设计

通信单元的硬件设计主要包括：Profibus-DP从站接口电路、CAN节点接口电路和双口RAM接口电路。其中，双口RAM器件具有两套独立的地址、数据及读写控制线，可同时分别与2个不同的CPU相连[4]。这里所设计的通信单元，一套与Profibus-DP从站接口电路中的微控制器AT89S52相连，另一套与CAN节点接口电路中的微控制器AT89C52相连。双口RAM通过将两种总线信号映射到不同的存储单元完成Profibus-DP和CAN两种总线通信协议的数据转换功能。

2.1 Profibus-DP从站

Profibus-DP从站接口的硬件电路主要由微控制器AT89S52、Profibus-DP 协 议 器 件SPC3、 高速光耦 6N137、RS-485驱动器SN75ALS176和供电电源组成。AT89S52内部集成有看门狗定时器，抗干扰性强。SPC3集成有Profibus-DP物理层数据收发功能，可独立处理Profibus-DP协议，但不具备RS-485驱动接口，因此增加RS-485驱动电路。为了防止总线电压波动对SPC3造成损坏，在RS-485驱动器和SPC3之间增加高速光耦[5]。

系统工作时，AT89S52分析处理所采集的信号，将其经SPC3传送到Profibus-DP总线，再传送给西门子PLC，PLC分析实时工况给出相应指令。另外，柴油发电机组控制系统也可通过Profibus-DP从站接口电路读取西门子PLC和操作人员发出的指令。图2为AT89S52与SPC3的接口电路。

图2 AT89S52与SPC3接口电路

图3 CAN节点硬件电路

2.2 CAN节点

CAN节点硬件电路主要由微控制器AT89C52、独立CAN通信控制器SJA1000、CAN总线收发器PCA82C250、高速光耦6N137和供电电源组成。

微控制器AT89C52负责SJA1000的初始化，通过控制SJA1000实现数据的接收和发送，同时AT89C52还实现与Profibus-DP总线接口的数据交换。为了增强CAN总线节点的抗干扰能力，SJA1000的TX0和RX0没有与PCA82C250的TXD和RXD直接相连，而是经光电隔离器件6N137后再与其相连。另外，高速光耦部分的2个电源VCC和VDD也要完全隔离[6]。图3为CAN节点硬件电路。

3 软件设计

软件设计分为2部分，分别是Profibus-DP从站的数据通信和CAN节点的数据通信。

3.1 Profibus-DP从站接口

对Profibus-DP总线接口的软件设计主要包括：SPC3的初始化和SPC3的中断处理。其主程序和中断程序流程分别如图4和图5所示。

图4 主程序流程 图5中断程序流程

3.2 CAN节点接口

CAN节点接口的软件设计与Profibus-DP从站接口的软件设计基本相同，主要包括：1）初始化CAN控制器，包括硬件使能，软件复位，设备报警界限，设备总线波特率，设备中断工作方式，设备工作模式，CAN启动等；2）CAN总线接口发送程序是由双口RAM的中断信号触发的，当CPU接收到双口RAM的中断信号后，清除中断信号，判断双口RAM内数据类型，通过写命令发送相应数据；3）CAN总线接口接收程序中，系统以查询方式接收CAN节点单元传送的数据，网关根据缓冲区的数据内容判断所要接收的数据，并发送相关指令存储到存储单元[7]。

4 结束语

该通信单元完成Profibus-DP总线与CAN总线之间的协议转换；数据传输可靠性高，传输速率高；有效解决由于西门子PLC和内嵌CAN通信模块的DSP采用不同总线通信方式而造成的西门子PLC和柴油发电机组控制系统之间不能直接通信的问题，进一步完善电动钻机控制系统的总线控制方式。

[1]张奇志，李 琳.电动钻机自动化技术[M].北京：石油工业出版社，2006.

[2]李 琳，邵小华，张奇志，等.电动钻机全数字控制系统发展现状与趋势[J].石油机械，2006,34（8）：73-75.

[3]成 锋，张福民，仝跃辉，等.柴油发电机综合控制系统设计[J].中国设备工程，2008（10）：52-54.

[4]袁孝纯.现场总线PROFIBUS-DP与CAN互连的转换接口设计[D].北京：北方工业大学，2007.

[5]王旭辉，李杏春，王占国，等.基于SPC3的PROFIBUS-DP智能从站的设计[J].现场总线与网络，2008,27（4）：81-82.

[6]饶运涛，邹继军，王进宏，等.现场总线CAN原理与应用技术[M].北京：北京航空航天出版社，2007.

[7]徐 丹,赖晓阳.PROFIBUS与CAN现场总线转换接口及从站单元设计[J].工业控制计算机，2008,21（5）：41-42.