Hart通信在DPV1中的實現(xiàn)

PROFIBUS是一種用于工廠自動化車間級監(jiān)控和現(xiàn)場設備層數(shù)據(jù)通訊與控制的現(xiàn)場總線技術?？蓪崿F(xiàn)現(xiàn)場設備層到車間級監(jiān)控的分散式數(shù)字控制和現(xiàn)場通信，從而為實現(xiàn)工廠綜合自動化和現(xiàn)場設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)場層應用，可完成包括可編程控制器、自動控制設備、傳感器、執(zhí)行器間的快速可靠的循環(huán)通信任務。

HART是由Rosemount公司開發(fā)的一個傳輸標準，是一種用于現(xiàn)場智能儀表和控制室設備之間的通信協(xié)議。其特點是在現(xiàn)有的模擬信號傳輸線上實現(xiàn)數(shù)字信號通信。它屬于模擬系統(tǒng)向數(shù)字系統(tǒng)轉變過程中的過渡性產(chǎn)品。

通過與HART基金會的合作，PI專門定義了一個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PROFIBUS-DP總線控制現(xiàn)場HART設備提供依據(jù)。本文描述了以此規(guī)范為依據(jù)并通過DPVl實現(xiàn)控制器對現(xiàn)場HART設備進行控制的方法。

1  系統(tǒng)的設計和實現(xiàn)

圖1所示是本系統(tǒng)的總體實現(xiàn)方案。系統(tǒng)中的通信是由HART管理軟件(Hart Client)首先發(fā)起，并通過通信請求給DP主站(DP Master)，DP主站在收到此請求后，再將Hart Client發(fā)送的請求數(shù)據(jù)轉換為DPVl報文格式，并通過DP總線將報文發(fā)送到DP從站(DP Slave)，在此，DP從站同時又充當Hart主站(Hart Master Device HMD)，其主要功能就是將DP Master發(fā)送的DP格式報文轉換為Hart格式的報文并發(fā)送到Hart設備(Hart Device)。對于某些來自Hart Client的請求，HMD則不需要將請求發(fā)送給Hart設備，而是直接回復，如讀取HMD有關參數(shù)數(shù)據(jù)，該類請求的實現(xiàn)過程如圖2所示。


2 DPVl實現(xiàn)

DPVl在DPV0的基礎上增加了新服務，對于1類主站，DPVl新增的服務主要有：
   
◇非周期讀服務：MSACl_Read；
   
◇非周期寫服務：MSACl_Write；

◇非周期報警：MSACl_Alarm、MSACl_Alarm_Ack、MSACl_Status。

而對于2類主站，其新增的服務主要有：

◇非周期讀服務：MSAC2_Read；
◇非周期寫服務：MSAC2_Write；
   
◇與從站建立通訊服務：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服務，和利時公司已用軟件實現(xiàn)了各個版本的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來實現(xiàn)部分DPVl功能。圖3所示是非周期狀態(tài)轉換在主站狀態(tài)轉換圖中所處的位置。


2.1 從站參數(shù)集的擴展

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

2.2 非周期讀服務的實現(xiàn)

DPVl設備是由槽和索引尋址的。所謂槽，不一定就是一個實際的物理對象，槽可以是物理的或邏輯的數(shù)據(jù)塊。槽的內部通常由索引來尋址，索引可以標識變量或代表完備數(shù)據(jù)塊。與DPV0的報文格式不同，非周期讀使用的服務節(jié)點號為51，在數(shù)據(jù)域DU中，除了有交換的數(shù)據(jù)外，前四個字節(jié)分別定義了功能號(FuncTIon_Num)、槽號(Slot)、索引號(Index)和用戶數(shù)據(jù)長度(Data_Length)。其報文格式如圖4所示。



非周期讀服務的功能號通常為0x5E，當讀取的數(shù)據(jù)正確返回時，Read．res的功能號的Bit7為0；而當讀操作沒有結果時，功能號的Bit7為1(FuncTIon_Num=0xDE)，此時，其后的3個字節(jié)為出錯的具體編碼。如： 

Error_Decode：


具體的錯誤編碼請參考相關文獻。

非周期讀服務和周期性循環(huán)數(shù)據(jù)交換的讀數(shù)據(jù)服務不同，非周期讀服務一般要等待多個系統(tǒng)循環(huán)周期后，才能得到響應的數(shù)據(jù)。

2.3 非周期寫服務的實現(xiàn)

非周期寫服務的實現(xiàn)和非周期讀類似，只是功能號不同，非周期寫服務的功能號為：

FuncTIon Num=0x5F。

3 Hart通信的實現(xiàn)

通過DPVl實現(xiàn)Hart的通信時，首先要解決協(xié)議的轉換問題，即如何將Hart協(xié)議報文通過DP主站傳輸?shù)紻P從站(即HMD)中，再將報文轉換為Hart報文傳送到現(xiàn)場Hart設備中。在應答中，也存在同樣的問題。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報文簡單的嵌入到PROFIBUS報文中，當然，這種結構會有冗余的信息，本文就是采用這種格式實現(xiàn)傳輸。其格式如圖5所示。


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

另一個需要解決的問題是第一次和HMD如何實現(xiàn)。由于結構的不同，HMD又可分為簡單HMD和模塊化HMD。簡單HMD中僅有一個HartMaster，在這個Hart Master中會有很多用索引標識的數(shù)據(jù)對象，其中有一個總目錄(Direetory)的數(shù)據(jù)對象，其它數(shù)據(jù)對象的索引在這個數(shù)據(jù)對象中可查，而Directory的索引會在GSD文件中解析得到。其關鍵字格式如：Subsysy_Dir_Index(1)=Index_Number；因此，在交換Hart數(shù)據(jù)之前，Hart Client應先讀取并解析Directory的信息。其流程圖如圖6所示。

4 結束語

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