Hart通信在DPV1中的實(shí)現(xiàn)

PROFIBUS是一種用于工廠自動(dòng)化車間級(jí)監(jiān)控和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層數(shù)據(jù)通訊與控制的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)?？蓪?shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層到車間級(jí)監(jiān)控的分散式數(shù)字控制和現(xiàn)場(chǎng)通信，從而為實(shí)現(xiàn)工廠綜合自動(dòng)化和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備智能化提供了可行的解決方案。PROFIBUS-DP作為PROFIBUS的規(guī)范子集，主要面向工廠現(xiàn)場(chǎng)層應(yīng)用，可完成包括可編程控制器、自動(dòng)控制設(shè)備、傳感器、執(zhí)行器間的快速可靠的循環(huán)通信任務(wù)。

HART是由Rosemount公司開(kāi)發(fā)的一個(gè)傳輸標(biāo)準(zhǔn)，是一種用于現(xiàn)場(chǎng)智能儀表和控制室設(shè)備之間的通信協(xié)議。其特點(diǎn)是在現(xiàn)有的模擬信號(hào)傳輸線上實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)通信。它屬于模擬系統(tǒng)向數(shù)字系統(tǒng)轉(zhuǎn)變過(guò)程中的過(guò)渡性產(chǎn)品。

通過(guò)與HART基金會(huì)的合作，PI專門定義了一個(gè)HART規(guī)范，以用于將HART集成人PROFIBUS系統(tǒng)中，也可為控制器通過(guò)PROFIBUS-DP總線控制現(xiàn)場(chǎng)HART設(shè)備提供依據(jù)。本文描述了以此規(guī)范為依據(jù)并通過(guò)DPVl實(shí)現(xiàn)控制器對(duì)現(xiàn)場(chǎng)HART設(shè)備進(jìn)行控制的方法。

1? 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

圖1所示是本系統(tǒng)的總體實(shí)現(xiàn)方案。系統(tǒng)中的通信是由HART管理軟件(Hart Client)首先發(fā)起，并通過(guò)通信請(qǐng)求給DP主站(DP Master)，DP主站在收到此請(qǐng)求后，再將Hart Client發(fā)送的請(qǐng)求數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為DPVl報(bào)文格式，并通過(guò)DP總線將報(bào)文發(fā)送到DP從站(DP Slave)，在此，DP從站同時(shí)又充當(dāng)Hart主站(Hart Master Device HMD)，其主要功能就是將DP Master發(fā)送的DP格式報(bào)文轉(zhuǎn)換為Hart格式的報(bào)文并發(fā)送到Hart設(shè)備(Hart Device)。對(duì)于某些來(lái)自Hart Client的請(qǐng)求，HMD則不需要將請(qǐng)求發(fā)送給Hart設(shè)備，而是直接回復(fù)，如讀取HMD有關(guān)參數(shù)數(shù)據(jù)，該類請(qǐng)求的實(shí)現(xiàn)過(guò)程如圖2所示。


2 DPVl實(shí)現(xiàn)

DPVl在DPV0的基礎(chǔ)上增加了新服務(wù)，對(duì)于1類主站，DPVl新增的服務(wù)主要有：
???
◇非周期讀服務(wù)：MSACl_Read；
???
◇非周期寫服務(wù)：MSACl_Write；

◇非周期報(bào)警：MSACl_Alarm、MSACl_Alarm_Ack、MSACl_Status。

而對(duì)于2類主站，其新增的服務(wù)主要有：

◇非周期讀服務(wù)：MSAC2_Read；
◇非周期寫服務(wù)：MSAC2_Write；
???
◇與從站建立通訊服務(wù)：MSAC2_Initiate；
???
◇中指與從站的通訊：MSAC2_Abort；

◇數(shù)據(jù)傳輸：MSAC2_Data_Transport。

根據(jù)規(guī)范，在為Hart提供通訊中只用到了非周期讀寫兩個(gè)服務(wù)，和利時(shí)公司已用軟件實(shí)現(xiàn)了各個(gè)版本的DP主站功能，本文主要介紹在DPV0版本的DP主站程序中添加非周期讀寫服務(wù)來(lái)實(shí)現(xiàn)部分DPVl功能。圖3所示是非周期狀態(tài)轉(zhuǎn)換在主站狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖中所處的位置。


2.1 從站參數(shù)集的擴(kuò)展

根據(jù)DP協(xié)議，Sl_Flag被擴(kuò)展后，便可提供更多的控制信息給DPVl主站。此字節(jié)與非周期讀寫有關(guān)的是第四位(DPVl_Supported)。如果此位設(shè)置為1，則從站支持DPVl功能，否則工作在DPV0功能下。其它位的詳解請(qǐng)參考相關(guān)文獻(xiàn)。在從站參數(shù)集中擴(kuò)展的其它字節(jié)(如Max_Alarm_Len、Alarm_Mode等)都是與報(bào)警有關(guān)的，在此不予關(guān)注，可參考文獻(xiàn)部分。

2.2 非周期讀服務(wù)的實(shí)現(xiàn)

DPVl設(shè)備是由槽和索引尋址的。所謂槽，不一定就是一個(gè)實(shí)際的物理對(duì)象，槽可以是物理的或邏輯的數(shù)據(jù)塊。槽的內(nèi)部通常由索引來(lái)尋址，索引可以標(biāo)識(shí)變量或代表完備數(shù)據(jù)塊。與DPV0的報(bào)文格式不同，非周期讀使用的服務(wù)節(jié)點(diǎn)號(hào)為51，在數(shù)據(jù)域DU中，除了有交換的數(shù)據(jù)外，前四個(gè)字節(jié)分別定義了功能號(hào)(Function_Num)、槽號(hào)(Slot)、索引號(hào)(Index)和用戶數(shù)據(jù)長(zhǎng)度(Data_Length)。其報(bào)文格式如圖4所示。



非周期讀服務(wù)的功能號(hào)通常為0x5E，當(dāng)讀取的數(shù)據(jù)正確返回時(shí)，Read．res的功能號(hào)的Bit7為0；而當(dāng)讀操作沒(méi)有結(jié)果時(shí)，功能號(hào)的Bit7為1(Function_Num=0xDE)，此時(shí)，其后的3個(gè)字節(jié)為出錯(cuò)的具體編碼。如：?

Error_Decode：


具體的錯(cuò)誤編碼請(qǐng)參考相關(guān)文獻(xiàn)。

非周期讀服務(wù)和周期性循環(huán)數(shù)據(jù)交換的讀數(shù)據(jù)服務(wù)不同，非周期讀服務(wù)一般要等待多個(gè)系統(tǒng)循環(huán)周期后，才能得到響應(yīng)的數(shù)據(jù)。

2.3 非周期寫服務(wù)的實(shí)現(xiàn)

非周期寫服務(wù)的實(shí)現(xiàn)和非周期讀類似，只是功能號(hào)不同，非周期寫服務(wù)的功能號(hào)為：

Function Num=0x5F。

3 Hart通信的實(shí)現(xiàn)

通過(guò)DPVl實(shí)現(xiàn)Hart的通信時(shí)，首先要解決協(xié)議的轉(zhuǎn)換問(wèn)題，即如何將Hart協(xié)議報(bào)文通過(guò)DP主站傳輸?shù)紻P從站(即HMD)中，再將報(bào)文轉(zhuǎn)換為Hart報(bào)文傳送到現(xiàn)場(chǎng)Hart設(shè)備中。在應(yīng)答中，也存在同樣的問(wèn)題。規(guī)范中定義了透明和壓縮兩種傳輸格式。

顧名思義，透明格式就是將Hart報(bào)文簡(jiǎn)單的嵌入到PROFIBUS報(bào)文中，當(dāng)然，這種結(jié)構(gòu)會(huì)有冗余的信息，本文就是采用這種格式實(shí)現(xiàn)傳輸。其格式如圖5所示。


壓縮格式一般會(huì)盡可能的精簡(jiǎn)嵌入到PROFIBUS報(bào)文的Hart報(bào)文，以便能夠傳輸更大的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，那些被省去的報(bào)文信息可由HMD經(jīng)過(guò)分析填充到Hart報(bào)文中，比如Hart報(bào)文中的ADDRS就可以由PROFIBUS報(bào)文中的Slot_Num和Index組合得到。

另一個(gè)需要解決的問(wèn)題是第一次和HMD如何實(shí)現(xiàn)。由于結(jié)構(gòu)的不同，HMD又可分為簡(jiǎn)單HMD和模塊化HMD。簡(jiǎn)單HMD中僅有一個(gè)HartMaster，在這個(gè)Hart Master中會(huì)有很多用索引標(biāo)識(shí)的數(shù)據(jù)對(duì)象，其中有一個(gè)總目錄(Direetory)的數(shù)據(jù)對(duì)象，其它數(shù)據(jù)對(duì)象的索引在這個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)象中可查，而Directory的索引會(huì)在GSD文件中解析得到。其關(guān)鍵字格式如：Subsysy_Dir_Index(1)=Index_Number；因此，在交換Hart數(shù)據(jù)之前，Hart Client應(yīng)先讀取并解析Directory的信息。其流程圖如圖6所示。

4 結(jié)束語(yǔ)

PROFIBUS—DP在工業(yè)自動(dòng)化中占有相當(dāng)?shù)姆蓊~，因此，選擇DP作為Hart Client和Hart設(shè)備的通信方式非常有必要。為此，在國(guó)際市場(chǎng)中，DCS和PLC的制造商大部分都提供了DP接口。而本文的實(shí)現(xiàn)方法有助于DCS和PLC在Hart智能設(shè)備、Hart儀表現(xiàn)場(chǎng)的推廣。