基于EASY嵌入式PLC芯片组构建现场总线ETS系统

TSI系统（汽轮机状态监视和保护系统）和ETS系统（汽轮机危机跳闸系统）是火力发电厂保证汽轮机和发电机正常运转的重要设备，在火力发电企业运用十分普遍。在当前的大部分应用中，这两套系统是互相独立的，一般由专业的TSI设备供应商提供TSI系统，而ETS系统则用通用的PLC来构建。但事实上两套系统之间存在着很多联系，TSI系统的输出往往是ETS系统的输入。如果能使两套系统有机融合，不仅可以节省成本，更可以使系统结构简化，从而提高可靠性。 
    针对以上情况，我公司选用科威公司的ESAY嵌入式PLC芯片构建了ETS系统的核心控制模块，通过CAN现场总线与我公司的现场总线TSI系统实现有机融合，相当完美地解决了当前ETS系统存在的诸多问题。
    一、总体设计
    EASY 嵌入式PLC 芯片有两个uart串口和一个CAN接口以及32个IO引脚。该芯片的CAN接口已经加载科威公司的CAN应用层协议，这是一个主从式的协议，通讯速率160K。我公司的TSI系统使用的MVCAN－2 CAN应用层协议是一个多主结构的协议，通讯速率可以是10K、125K、250K和500K。由于协议不同，TSI系统并不能直接使用EASY 嵌入式PLC 芯片的CAN接口与其通讯。为解决这个问题，将ETS控制模块设计成双CPU结构。使用8位MCU P89V51RD2和独立CAN控制器SJA1000扩展出另一个CAN通讯口，在该通讯口加载MVCAN－2协议，实现与TSI系统的连接。P89V51RD2和EASY 嵌入式PLC 芯片之间通过两片IDT7202交换数据。IDT7202是一种双端口的FIFO（先入先出）缓冲器，内部有1024×9位FIFO RAM。
    二、硬件实现
    以下是主要硬件设计框图：

P89V51RD2通过地址、数据和写信号线连接到其中一片IDT7202的写入端口，并通过地址、数据和读信号线连接到另一片IDT7202的读出端口；嵌入式PLC 芯片只有通用IO引脚，没有地址、数据和读写信号线，只能用通用IO来模拟读写操作。具体做法是将嵌入式PLC 芯片的P1口当作1个8位数据端口分别与两个IDT7202的另一组读取和写入端口连接，P3.0、P3.1、P3.2用作读、写、使能信号,P4.0、P4.1、P4.2用作状态判断信号。用嵌入式PLC 芯片的P2口扩展了8个继电器输出，嵌入式PLC 芯片的其它接口和特性均按典型应用进行设计。将P89V51RD2的uart串口设计为rs232标准串口，该串口在设置时用于下载TSI系统的配置文件，运行时加载MODBUS协议用于与上位机或其它设备通信。最后完成的ETS控制器具有以下功能：八路继电器输出，1个CAN接口与TSI系统互联，另一个CAN接口可用于IO扩展和ETS控制器间互联，COM1串口用于梯形图下载和PLC监控，COM2用于CAN组态和PLC通讯，COM3（由P89V51RD2扩展）用于TSI配置下载和TSI数据监控。
    三、软件实现
    软件由两部分组成。一部分是运行于P89V51RD2中的软件，另一部分是嵌入到嵌入式PLC芯片中的软件。
    运行于P89V51RD2中的软件使用C语言编写。软件被设计为两种工作模式：设置模式和工作模式。在设置模式下，用户使用PC通过串口将TSI系统的配置文件传递给P89V51RD2，P89V51RD2将文件存储于内部FLASH中；在工作模式下，P89V51RD2按照配置文件解析由SJA1000接收到的TSI系统数据，并将数据按照一定格式通过IDT7202传输给嵌入式PLC。同时，由嵌入式PLC通过IDT7202发来的数据经解析后通过SJA1000发送到TSI系统。
    嵌入到嵌入式PLC芯片中的软件基于科威公司提供的汇编语言框架编写。首先解决使用通用IO来模拟IDT7202的读写操作，以下是读写IDT7202的程序：
FIFO_FF EQU P4.1
FIFO_EF EQU P4.0
C1_DIR EQU P3.3
C1_EN EQU P3.2
C1_WR EQU P3.1
C1_RD EQU P3.0
FIFO_PORT EQU P1
WRITE_FIFO: MOV SFRPAGE,#0FH
JNB FIFO_FF,WFIFO_L1
CLR C1_DIR
MOV FIFO_PORT,R7
CLR C1_EN
CLR C1_WR
SETB C1_WR
SETB C1_EN
MOV R6,#1
RET
WFIFO_L1: MOV R6,#0
RET
READ_FIFO: MOV SFRPAGE,#0FH
JNB FIFO_EF,RFIFO_L1
SETB C1_DIR
CLR C1_EN
CLR C1_RD
MOV FIFO_PORT,#0FFH
MOV A,FIFO_PORT
SETB C1_RD
SETB C1_EN
MOV R6,A
MOV R7,#1
RET
RFIFO_L1: MOV R7,#0 
RET
    在嵌入式PLC的STEP函数和SCAN函数中读取IDT7202的数据，每次读取两帧。数据解析后存入对应的D寄存器，这样就可以在梯形图编程中使用这些数据。有一部分数据是可写的（即允许由PLC向TSI方向传递）。对这部分数据，在PLC的外部RAM开辟一块内存作为数据副本，初始化时将D寄存器与副本置为相同值，在运行中于STEP函数和SCAN函数中监视D寄存器和副本的值是否相同，若不同则将D寄存器值向P89V51RD2发送。
    四、总结
    基于EASY 嵌入式PLC 芯片构建的现场总线ETS控制器目前已经在工业现场得到实际运用，总的情况良好。应该说EASY 嵌入式PLC 芯片是一款成功的产品。