高速可尋址變送器(HighwayAddressableＲemoteTransducer，HAＲT)協(xié)議是在4mA～20mA模擬信號上疊加頻率信號，使模擬信號與數字信號雙向通信同時(shí)進(jìn)行，互不干擾［1］�；�于HAＲT協(xié)議的儀表既有模擬儀表的性能，又兼顧數字通信的性能，在不對現有系統進(jìn)行改造的情況下即可實(shí)現儀表的數字化，所以在過(guò)程控制系統中得到廣泛應用。通過(guò)手操器可以實(shí)現HAＲT儀表硬件、工程單位、過(guò)程參數量程的上下限以及節點(diǎn)地址等設定，也可以提取并顯示儀表設備編號、設備類(lèi)型以及生產(chǎn)廠(chǎng)商信息［2－4］。在構建以HAＲT儀表為現場(chǎng)設備、以西門(mén)子PCS7為主控制器的控制系統時(shí)，通過(guò)網(wǎng)關(guān)使HAＲT儀表與Profibus-DP網(wǎng)絡(luò )通信，實(shí)現異種協(xié)議的現場(chǎng)總線(xiàn)系統集成。由于HAＲT儀表傳輸的數據類(lèi)型復雜，盡管網(wǎng)關(guān)將HAＲT儀表輸出信號傳給了遠程的PCS7，但PCS7讀取的信息，無(wú)法從接受數據中提取現場(chǎng)設備的運行狀況、過(guò)程參數信息，沒(méi)有根本上解決協(xié)議兼容的問(wèn)題。本文通過(guò)在線(xiàn)采集現場(chǎng)HAＲT儀表的運行參數，進(jìn)行數據結構和存儲方式分析，應用自主研發(fā)程序，并編寫(xiě)功能塊(FunctionBlock)FB、連續功能圖CFC(ContinuousFunctionChart，CFC)程序，將PCS7接收的現場(chǎng)信號進(jìn)行數據轉換，從而保證主控系統對HAＲT信息的識別，實(shí)現了HAＲT與Profibus-DP的通信兼容［5］。

 

通信協(xié)議

1．1Profibus-DP協(xié)議

Profibus是ProcessFieldbus的縮寫(xiě)，是一種面向工廠(chǎng)自動(dòng)化和流程自動(dòng)化的國際性現場(chǎng)總線(xiàn)標準。主要包含Profibus-DP、Profibus-FMS、Profibus-PA三種協(xié)議。Profibus-DP面向工業(yè)現場(chǎng)，在可編程控制器、傳感器、執行器等設備之間傳遞數據信息，采用ＲS－485的物理連接方式，其傳輸速率為9．6kbit/s～12Mbit/s，#大傳輸距離為1000m，使用中繼器可達10km。西門(mén)子PCS7系統在自動(dòng)控制站間、自動(dòng)控制站與現場(chǎng)設備之間的數據交換采用Profibus-DP通信協(xié)議，該協(xié)議支持主從通信方式，#多可掛接127個(gè)從站，有3種從站類(lèi)型:PLC控制器，分布式遠程I/O，智能現場(chǎng)設備。主站具有對總線(xiàn)的控制權，可主動(dòng)發(fā)送信息。從站等待主站請求指令，然后執行數據交換［6－7］。

 

1．2HAＲT協(xié)議

HAＲT協(xié)議方式是在4mA～20mA模擬信號上疊加數字量信號，在二線(xiàn)制變送器與電源之間串接250Ω以上電阻，以保證數字量信號的傳輸，模擬量和數字量雙向通信同時(shí)進(jìn)行，傳輸速率為1200bit/s，支持掛接15個(gè)現場(chǎng)設備。HAＲT命令可分為:通用命令，適用于所有的HAＲT智能設備，指令代碼為1－30;普通專(zhuān)用命令，適用于大多數HAＲT變送器，指令代碼為32－126;設備專(zhuān)用命令，針對每一種具體設備的特殊性，指令代碼為128－253。HAＲT儀表通過(guò)命令與上位級實(shí)現數據交換［8－9］。

 

2、Profibus-DP與HAＲT異構兼容系統

搭建HAＲT儀表與西門(mén)子PCS7之間的數據交換系統，主控系統PCS7可以監視HAＲT儀表的測量參數、設備運行狀態(tài)、設備序列號等基本信息，也可以采集參數報警、維護狀態(tài)等實(shí)時(shí)監管信息，從而提高整個(gè)系統運行的可靠性和安全性［10］。

 

2．1異構兼容系統設計方案

Profibus-DP與HAＲT異構兼容系統以西門(mén)子PCS7系統為上位級，羅斯蒙特3051壓力變送器和若干現場(chǎng)設備為下位級。因西門(mén)子PCS7系統采用Profibus-DP現場(chǎng)總線(xiàn)通信協(xié)議，而現場(chǎng)智能設備羅斯蒙特3051壓力變送器采用HAＲT現場(chǎng)總線(xiàn)通信

協(xié)議，需要解決異構協(xié)議兼容問(wèn)題，增加網(wǎng)間協(xié)議轉換器(網(wǎng)關(guān))，實(shí)現不同現場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議標準的兼容。選取能夠支持HAＲT/Profibus-DP協(xié)議數據轉換的網(wǎng)關(guān)，完成數據格式的轉換和數據的讀寫(xiě)操作，將HAＲT協(xié)議網(wǎng)絡(luò )與Profibus-DP協(xié)議網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行硬連接，實(shí)現西門(mén)子PCS7上位級對現場(chǎng)智能設備的監視與管理。

 

2．2系統硬件組成

該異構兼容系統包括上位監控PC機、主控系統PCS7、羅斯蒙特3051壓力變送器、網(wǎng)關(guān)等設備，系統結構如圖1所示。

上位監控PC機既是上位級的服務(wù)器、操作員站以及工程師站，承擔PCS7組態(tài)、數據采集、信息交換和系統維護工作。PC機與控制站S7－400PLC通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)現信息交互。網(wǎng)關(guān)選用上海泗博公司生產(chǎn)的網(wǎng)關(guān)HPM－610。西門(mén)子S7－400PLC與網(wǎng)關(guān)HPM－610通過(guò)Profibus-DP連接，西門(mén)子S7－400PLC是Profibus-DP的主站，網(wǎng)關(guān)HPM－160是Profibus-DP從站，網(wǎng)關(guān)HPM－160與羅斯蒙特3051壓力變送器通過(guò)HAＲT總線(xiàn)聯(lián)接，網(wǎng)關(guān)HPM－160是HAＲT主站，羅斯蒙特3051壓力變送器是HAＲT從站［11－13］。

 

3通信檢測與數據轉換

在成功搭建硬件系統以后，進(jìn)行系統組態(tài)與調試，即PCS7組態(tài)、HPM－610配置、羅斯蒙特3051壓力變送器組態(tài)，以及各部分和全系統的通信測試與調試，檢測數據交互的正確性與實(shí)時(shí)性。

 

3．1PCS7讀取HAＲT儀表標識碼

主控PCS7要獲取并在監控畫(huà)面顯示羅斯蒙特3051壓力變送器的設備信息，需要在網(wǎng)關(guān)HPM－160的專(zhuān)用軟件HT－123中作相應配置。網(wǎng)關(guān)HPM－610依據組態(tài)中的命令功能，從現場(chǎng)級提取數據，向上位主控系統傳送現場(chǎng)設備信息、運行參數、過(guò)程

值變量等數據［14－15］。

 

命令0的功能是讀取現場(chǎng)HAＲT儀表的設備類(lèi)型代碼、版本和設備標識碼，并傳送到主控系統。命令0執行后在PCS7分配給網(wǎng)關(guān)的存儲區中占用14個(gè)字節，前兩個(gè)字節為設備的現場(chǎng)狀態(tài)信息，后面的數據對應設備類(lèi)型的具體信息，存儲區中字節所代表的設備信息如圖2所示，從字節0到字節11表示網(wǎng)關(guān)采集現場(chǎng)設備的標識碼信息。字節1為制造商ID號，字節2是制造商設備類(lèi)型，字節3為HAＲT數據幀的前導碼信息。

在執行命令0之前，shou先診斷命令0檢測到的現場(chǎng)設備信息，診斷結果見(jiàn)圖3(a)所示。然后執行命令0，主控PCS7獲取到3051壓力變送器的設備信息，存儲于主控PCS7分配給網(wǎng)關(guān)的地址寄存器中。如圖3(b)所示，從IW550到IW562的值即執行命令0的返回信息。

IW550的值W#16#0040(2個(gè)字節)，表示現場(chǎng)設備的通信狀態(tài)，從IW552到IW562共12個(gè)字節是羅斯蒙特3051壓力變送器標識碼，數制是十六進(jìn)制，轉換為十進(jìn)制后見(jiàn)表1所示，與圖3(a)所示字節的十進(jìn)制數值完全相同，表明命令0可以檢測到現場(chǎng)設備信息并正確上傳給主控系統。而且，命令0返回的現場(chǎng)設備信息可以在監控畫(huà)面上顯示。

 

3．2PCS7讀取HEＲT儀表的過(guò)程變量值

主控PCS7讀取且在監控畫(huà)面上顯示羅斯蒙特3051壓力變送器的過(guò)程變量(PV)值，需在HT－123軟件上作相應配置后，使用命令1，命令1的功能是以浮點(diǎn)數類(lèi)型返回主變量的值，返回路徑為:現場(chǎng)總線(xiàn)智能儀表將現場(chǎng)過(guò)程值送到網(wǎng)關(guān)HPM－610，網(wǎng)關(guān)HPM－610將數據上傳到PCS7系統，PCS7接收到十六進(jìn)制現場(chǎng)過(guò)程變量值轉換為浮點(diǎn)數在監控畫(huà)面上顯示。

在執行命令1指令后，PCS7系統從網(wǎng)關(guān)讀取并顯示的數據是十六進(jìn)制數，存儲在IW512到IW518地址中，如圖4所示，占用4個(gè)字，8個(gè)字節，前兩個(gè)字節為設備的現場(chǎng)狀態(tài)信息，后面的數據對應過(guò)程變量值。IW512字節表示現場(chǎng)設備的狀態(tài)信息，IW514的高字節16#ED表示過(guò)程變量的單位MPa，IW514的低位字節、IW516字節和IW518的高位字節共4個(gè)字節，表示現場(chǎng)過(guò)程量。這4個(gè)字節以十六進(jìn)制的形式存儲在3個(gè)字中，目前要用一個(gè)雙字(4個(gè)字節)表示現場(chǎng)過(guò)程變量，并且在上位系統監控畫(huà)面顯示，在對PCS7系統接收到的數據進(jìn)行提取、數制轉換、整合等數據轉換過(guò)程后，#終以十進(jìn)制浮點(diǎn)數的形式在監控畫(huà)面上實(shí)時(shí)顯示［16］。

以現場(chǎng)壓力測量值0．55MPa為例，分析PCS7系統接收的數據結構，進(jìn)行數據轉換。由圖4可知，命令1返回到PCS7的數據由8個(gè)字節組成:分別是IW512;IW514;IW516;IW518。其中:IW512為現場(chǎng)設備狀態(tài)信息;IW514的高字節ED表示現場(chǎng)過(guò)程變量單位(MPa)，低字節3F是測量值的有效數據;IW516是測量值的有效數據;IW518的高字節CE是測量值的有效數據，這4個(gè)字節數據對應現場(chǎng)壓力測量值。即:3F，0D7F，CE表示現場(chǎng)過(guò)程量。

 

上位監控系統以單精度浮點(diǎn)數的形式顯示現場(chǎng)壓力測量值，是一個(gè)雙字，即4個(gè)字節32位，存儲在一個(gè)雙字寄存器中，以浮點(diǎn)數的形式在監控畫(huà)面上顯示現場(chǎng)過(guò)程量，而PCS7接收的數據是4個(gè)字節，放在4個(gè)輸入寄存器中，并非一個(gè)完整的雙字。故需要對當前PCS7接收到的數據進(jìn)行轉換，從返回的4個(gè)字中提取出有效數據的4個(gè)字節，整合后存放在一個(gè)雙字存儲器中，再將這個(gè)雙字轉換為單精度浮點(diǎn)數，即現場(chǎng)壓力測量值，然后在監控畫(huà)面上顯示。

 

數據轉換過(guò)程的程序流程如圖5所示:①定義PCS7接收到的數據為:HAＲT通道1－HAＲT通道4;②將HAＲT通道2(IW514)據轉換為雙字，向左移24位并保存在中間存儲器，即3F保存在雙字的#高位。③將HAＲT通道3(IW516)數據轉換為雙字，向左移8位并保存在中間存儲器，即0D7F存到雙字的中間位置。④將HAＲT通道4(IW518)數據轉換為雙字，向右移8位并保存在中間存儲器，即CE存到雙字的#低位。⑤用“或”指令將三個(gè)雙字移位整合為一個(gè)雙字;⑥用雙字與浮點(diǎn)數的轉換指令將雙字轉為單精度浮點(diǎn)數0．55(MPa)。

 

數據轉換程序使用西門(mén)子結構化控制語(yǔ)言StructruedText(STL)編寫(xiě)，生成功能塊(Function Block) FB678，可在程序中直接調用，實(shí)現了主控系 統接受數據與現場(chǎng)測量值的數值類(lèi)型的一致性轉 換，確保主控系統可以實(shí)時(shí)檢測并正確顯示現場(chǎng)測 量值。數據轉換的部分程序如圖 6 所示。 FUNCTION_BLOCK FB678 HAＲT_01: WOＲD; / /HAＲT 輸入通道 01 N_IN_02: WOＲD: = 16#0018; / /通道 02 位移_6 移 DATA_01: DWOＲD; / /通道 01 雙字輸出 N_OUT_01: WOＲD; / /通道 01 位移位數輸出 DATA_DWOＲD_04: =WOＲD_TO_DWOＲD( HAＲT_04) ; DATA_04: =DATA_DWOＲD_04; N_OUT_04: =N_IN_04; / /通道 04 數據類(lèi)型轉換為雙字

 

圖 6 數據轉換的部分程序

 

4 遠程監視 

主控系統對現場(chǎng)的遠程監控是實(shí)現智能化、無(wú) 人化工廠(chǎng)的基本條件。在西門(mén)子 PCS7 系統組態(tài)操 作員站，創(chuàng )建監控變量，創(chuàng )建監控畫(huà)面，通過(guò)連續功 能圖 Continuous Function Chart( CFC) 編寫(xiě)程序，調用功能塊 FB678 和顯示模塊，并建立變量與監控畫(huà) 面的連接，現場(chǎng)過(guò)程變量值就可以直接在 WinCC 監 控畫(huà)面上實(shí)時(shí)顯示，實(shí)現了 PCS7 對生產(chǎn)過(guò)程的遠程實(shí)時(shí)在線(xiàn)監控［17－18］。 主控系統的監控畫(huà)面是異構系統的人機接口。通過(guò)畫(huà)面信息，運行人員可以監視和管理現場(chǎng)設備 的運行狀態(tài)，而不需要在現場(chǎng)、或者依賴(lài)就地運行人 員傳送數據。監控畫(huà)面可根據用戶(hù)的需要進(jìn)行組 態(tài)，主要信息包括: 羅斯蒙特 3051 壓力變送器的設備版本號、設備 ID 號、實(shí)時(shí)壓力測量值、設定的壓力 信號上下限值等，如圖 7 所示。

5 結論

通過(guò)搭建 Profibus-DP 與 HAＲT 協(xié)議的異構兼 容系統，基于 HAＲT 協(xié)議的現場(chǎng)智能儀表可以直接 上傳設備運行參數，實(shí)現了不同協(xié)議的信息交互。 在研究現場(chǎng)數據與主控系統采集到的數據不同數制 的情況下，編寫(xiě)了數據轉換程序，確保主控系統可以 查看相同數制下的過(guò)程變量。通過(guò) CFC 編程，將變 量信息與監視畫(huà)面進(jìn)行連接，遠程監控畫(huà)面顯示現 場(chǎng)智能儀表參數與運行狀況，實(shí)現了異構兼容系統的遠程監控。 這種異構現場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議兼容系統可以拓展 HAＲT 協(xié)議智能儀表的應用。在模擬儀表向數字儀 表的過(guò)渡過(guò)程中，完善了 HAＲT 智能儀表數據轉 換，實(shí)現了主控系統對智能儀表的遠程管控，該方案 可為智能一體化遠程系統建設提供參考。