基于HART協(xié)議的DCS接口卡設計

1、基于HART協(xié)議的DCS接口卡設計厲卓恒,施一明,金建祥,趙鵬程(浙江大學工業(yè)控制研究所,杭州310027摘要:討論了基于H ART協(xié)議的DCS接口卡的硬件和軟件設計,并闡明了它應用于DCS的意義。本接口卡的實現(xiàn)將工廠自動化的基礎網(wǎng)絡從DCS向下推到了現(xiàn)場一級;用戶可以在DCS上遠程修改現(xiàn)場符合H ART協(xié)議的智能儀表的量程、單位、阻尼值等這些原本要到現(xiàn)場才能調(diào)校的參數(shù),并能向現(xiàn)場儀表下載/讀取位號,建立了現(xiàn)場網(wǎng)絡管理的雛形。關鍵詞:H ART協(xié)議;集散控制系統(tǒng);現(xiàn)場總線;互操作性1引言過程工業(yè)的現(xiàn)場設備向數(shù)字化、網(wǎng)絡化的變遷是過程控制領域的必然趨勢。現(xiàn)場總線技術具有節(jié)約布線費用、操作靈活、可

2、實現(xiàn)網(wǎng)絡管理、可實現(xiàn)互操作等優(yōu)點,因此它已成為公認的過程控制的發(fā)展方向。但是過程控制經(jīng)50多年的發(fā)展和積累,用戶已經(jīng)在傳統(tǒng)的模擬式一次儀表加DCS的體系結構上投入了巨大的資金,而現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)在功能上還不能完全取代已經(jīng)發(fā)展得比較完善的DCS。所以,盡管現(xiàn)場總線技術有種種優(yōu)點,但現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)不可能一蹴而就取代現(xiàn)有的DCS1,應該讓用戶在心理上和技術上都有一個轉變期。在這種情況下,H ART協(xié)議作為一種兼容原有420mA模擬信號的數(shù)字通訊方式,受到了極大的關注,它是適用于過程控制裝置的通訊協(xié)議。為了保留傳統(tǒng)420mA模擬信號的傳輸,H ART設備提供了用于工業(yè)環(huán)境的低帶寬、中等響應時間的通訊

3、功能。典型應用包括過程變量遠程查詢、參數(shù)設置和診斷等。依據(jù)我國過程工業(yè)現(xiàn)場設備的實際情況,H ART技術在現(xiàn)階段有著強大的生命力?；贖 ART協(xié)議的DCS接口卡(以下簡稱DCS2H ART接口卡的設計成功,使DCS初步具有現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的功能。本接口卡的設計目的是通過H ART協(xié)議的實現(xiàn),在原有DCS功能的基礎上,讓用戶能在操作收稿日期:1999-06-23case D LLPROCESSDET ACH:break;return TRUE;采樣函數(shù)EXPORT int FAR PASC A L ADAquire(int ch 函數(shù)體Sam pDll.def文件:LI BRARY Sam p

4、DllDESCRIPTI OND LL forSam pleC ODE PRE LOAD M OVE ABLEDISC ARDABLEDAT A PRE LOAD M OVE ABLE SI NG LE HE APSIZE1024EXPORTS ADAquire計算機應用化工自動化及儀表,1999,26(4:3640C ontrol and Instruments in Chemical Industry站上實時觀察現(xiàn)場H ART 儀表的過程變量,組態(tài)量程、單位、阻尼時間、位號等參數(shù),并實時監(jiān)測H ART 儀表的在線狀態(tài)。從而實現(xiàn)對現(xiàn)場儀表的遠程管理。2硬件設計2.1硬件結構的總體設計DCS

5、2H ART 接口卡的硬件原理框圖如圖1所示。MPU 通過串行口2和DCS 通訊,通過串行口1和現(xiàn)場儀表通訊,并根據(jù)卡件處于工作狀態(tài)還是冗余狀態(tài)來輸出控制信號以決定DC/DC 器件是否向通訊線供電。M ODE M 用于將MPU 發(fā)出的數(shù)字信號轉化為H ART 協(xié)議物理層規(guī)定的Bell202FSK 信號。從M ODE M 發(fā)給通訊鏈路的波形和從鏈路上接收到的波形都需要用運放放大、驅動。模擬開關用于切換接收和發(fā)送兩個工作狀態(tài)。變壓器實現(xiàn)了DCS 2H ART 接口卡和通訊鏈路的耦合,將H ART 通訊所產(chǎn)生的±0.5mA 的Bell202FSK 電流信號強行疊加到采樣電阻上。采樣電阻(R

6、sam ple =250是電流/電壓轉換器件,將±0.5mA 的Bell202FSK 電流信號轉換成±125mV 的電壓信號。DC/DC 器件(5V/24V 用于向通訊鏈路隔離供電。本接口卡硬件設計的難點在于使它完全符合H ART 協(xié)議規(guī)定的物理層規(guī)范,從而實現(xiàn)H ART 產(chǎn)品之間的互操作性。2.2微處理器的選擇DCS 2H ART 接口卡不僅要和DCS 通訊,而且要和現(xiàn)場儀表通訊。兩者的實時性要求都很高,與DCS 的通訊是每50ms 一次,波特率為156.25kbps ,與H ART 儀表的通訊一刻不停,波特率為1200bps 。數(shù)據(jù)轉發(fā)卡MP UM O D E M放大模

7、擬開關串行口1卡件冗余控制串行口2采樣電阻變壓器LOOP +LOOP -接現(xiàn)場儀表DCS 2HART接口卡DC/DC 24V主控卡操作站圖1DCS 2H ART 接口卡的硬件原理框圖本接口卡選用帶有兩個UART 的微處理器Dallas 公司的DS87C520。DS87C520的第二個串行口除了不能用定時器2產(chǎn)生波特率外,其它功能和第一個串行口一樣,兩者可以同時工作,可運行在不同的波特率下,并擁有各自的串行口中斷?？蓾M足上述要求。DS87C520還自帶16kb 的EPROM ,1kb 的SRAM 和W DT 功能。這樣設計印刷電路板時可省去EPROM 、RAM 、74HC373和WatchDog

8、 芯片。降低了印刷板的布線密度,提高了卡件的平均無故障工作時間MT BF ,使卡件工作更為可靠。2.3隔離配電和隔離通訊功能H ART 儀表可由兩根通訊線供電,使現(xiàn)場儀表不必從別處另接電源。本接口卡使用DC/DC 器件向通訊線隔離配電。此處的隔離是指通訊線上向現(xiàn)場儀表供電的電源和DCS 2H ART 接口卡的工作電源是隔離的。這樣可保證提供給通訊線的直流電源是純凈、無干擾的,并且為下面述及的隔離通訊功能提供了保障。DCS 2H ART 接口卡作為H ART 協(xié)議中的第一主設備,與第二主設備和各作為從設備的現(xiàn)場智能儀表的通訊是通過通訊線上的采樣電阻實現(xiàn)的,發(fā)送方輸出的幅值為±0.5mA

9、 的Bell202FSK 電流信號在采樣電阻上產(chǎn)生幅值為0.125V 的電壓信號,接收方檢測采樣電阻上的電壓。為了保證正常通訊,接在H ART 通訊線上的所有設備都73第4期厲卓恒等.基于H ART 協(xié)議的DCS 接口卡設計必須和通訊線隔離,本卡件設計中使用隔離配電和變壓器耦合以實現(xiàn)隔離通訊功能,如圖2所示。H ART 協(xié)議物理層規(guī)定的Bell202FSK 波形接近正弦波,可通過變壓器在主設備和通訊線之間傳遞。變壓器還保證了H ART 2DCS 接口卡和現(xiàn)場通訊線之間的隔離,防止控制室的強電流竄到現(xiàn)場。現(xiàn)場儀表允許單臺工作在單點模式,即傳統(tǒng)的420mA 電流環(huán)工作模式;也可以多臺工作在總線式的

10、多點模式下,每臺工作于多點模式的現(xiàn)場儀表耗電4mA ,為了滿足本安要求,本接口卡允許通訊線上最多掛4臺現(xiàn)場儀表,這樣的工作電流為16mA 。2.4符合HART 協(xié)議物理層規(guī)范的硬件設計使硬件設計完全符合H ART 協(xié)議物理層規(guī)范是硬件設計的難點之一。只有做到這一點,才能使本接口卡和H ART 產(chǎn)品之間實現(xiàn)完全的互操作。本接口卡負責對現(xiàn)場儀表進行參數(shù)設置,數(shù)據(jù)采集等工作,因此它是H ART 協(xié)議定義的第一主設備。H ART 協(xié)議規(guī)定第一主設備的阻抗應在表1所示的限制范圍內(nèi),第一主設備的理想模型見圖3。其中,發(fā)送阻抗=(發(fā)送Z +耦合Z 測流電阻;接收阻抗=(接收Z +耦合Z 測流電阻。本接口卡設

11、計中:發(fā)送Z =250、接收Z =(5000+i 130、耦合Z =(27+i 13、R Sample =250,因此,發(fā)送阻抗=(131+i 13;接收阻抗=(238+i 143。完全符合H ART 協(xié)議物理層的要求,再加上上述隔離供電和隔離通訊的實現(xiàn),為本接口卡與其它H ART 產(chǎn)品之間的互操作奠定了堅實的基礎。3軟件設計第一主設備采樣電阻DC/DC 配電24V變壓器通訊線第二主設備現(xiàn)場儀表(最多4臺現(xiàn)場側DCS -HART 接口卡側圖2DCS 2H ART 接口卡中隔離通訊的實現(xiàn)3.1同時保證與DCS 和現(xiàn)場儀表的通訊DCS 2H ART 接口卡的軟件設計中,與DCS 的通訊是每次進中斷

12、就完成接收命令幀和發(fā)送響應幀的動作,通訊波特率為156.25kbps ,命令幀和響應幀的累計字節(jié)數(shù)為2232個字節(jié),再加上收發(fā)轉換等待時間,大約每進一次中斷耗時23ms 。兩次中斷程序的時間間隔為50ms ,即DCS 每50ms 發(fā)一次取實時數(shù)據(jù)命令。圖3第一主設備的理想模型H ART 協(xié)議規(guī)定的通訊波特率只有1200bps ,一個H ART 協(xié)議幀有十幾個到幾十個字符,要接收/發(fā)送完一幀需要一百到幾百個毫秒,不可能在一次中斷中完成一次通訊事務(指接收完命令幀并發(fā)送完響應幀。因此在與H ART 儀表的通訊中斷程序中,每次只接收/發(fā)送一個字節(jié),然后根83化工自動化及儀表第26卷據(jù)接收/發(fā)送幀狀態(tài)

13、轉換圖將要接收/發(fā)送的字節(jié)拼裝成幀,這樣中斷程序運行耗時僅幾百個微秒。由于每個字節(jié)有11個位,所以發(fā)兩個字節(jié)的時間間隔為11/1200=9.167ms,這就是兩次通訊中斷程序的時間間隔。根據(jù)上面的分析,我們將這兩個串行口中斷程序的優(yōu)先級均設為高。程序中其它的中斷(如定時器中斷的優(yōu)先級設為低。如果在與DCS的串行口中斷程序執(zhí)行期間有H ART通訊中斷到來,由于DCS的中斷程序耗時為23ms,而下一次H ART中斷要在9.167ms 后才到來,因此等到DCS中斷程序退出后再執(zhí)行H ART中斷程序,不會影響后續(xù)的H ART通訊。表1第一主設備的電氣特性參數(shù)狀態(tài)限制有功部分(電阻只發(fā)送0700無功部分

14、(電抗只發(fā)送-35+35有功部分只接收2301100無功部分只接收-350+350如果在H ART的串行口中斷程序執(zhí)行期間有DCS通訊中斷到來,由于H ART的中斷程序耗時僅為幾百微秒,等待H ART中斷程序退出后,再執(zhí)行DCS中斷程序不會影響到卡件和DCS的通訊。3.2即插即用功能本接口卡的即插即用功能有兩個含義:一是指它能實時檢測出下位儀表的在線狀態(tài),報告給用戶,供用戶參考;其次是指本接口卡能根據(jù)用戶的命令讀取下位儀表的參數(shù)或將用戶設置的參數(shù)下傳到下位儀表,此處的參數(shù)是指儀表類型、量程、單位、阻尼時間和位號。用戶不需要在DCS的操作站上組態(tài)每臺儀表的信息(諸如量程、單位等。上電伊始,卡件會

15、依次查詢輪詢地址為14號的從設備,并收集每個從設備(如果存在的話的管理信息(諸如量程、單位、阻尼時間、位號等等,保存在設備管理緩沖區(qū)中,供DCS查詢。然后,本接口卡會依次對輪詢地址為14號的從設備查詢實時數(shù)據(jù),每查過5遍實時數(shù)據(jù),查一遍在線狀態(tài)。下位機處于在線還是離線狀態(tài),放在每50ms 一次的實時數(shù)據(jù)中報告給DCS。用戶可以在操作站的診斷畫面中看到每一路現(xiàn)場儀表的在線狀態(tài)。若有上位機的組態(tài)命令下來,本接口卡在完成當前正在執(zhí)行的采集實時數(shù)據(jù)命令后,立刻執(zhí)行組態(tài)命令。據(jù)此,DCS2H ART接口卡實現(xiàn)了對H ART儀表的即插即用功能。3.3在DCS的體系結構上實現(xiàn)對HART網(wǎng)絡的管理在DCS上對

16、H ART網(wǎng)絡進行管理的不利之處在于它的通訊結構是主從式通訊,通訊層次比較多,通訊速率比H ART協(xié)議規(guī)定的1200bps快很多。在這種情況下,為完成即插即用的功能,必須根據(jù)DCS的實際情況實現(xiàn)。首先,現(xiàn)場儀表的上線/離線事件是突發(fā)的,當本接口卡監(jiān)測到該事件發(fā)生后,要主動地將此事件報告給DCS的操作站,這在主從式通訊結構中是不能實現(xiàn)的。但是該事件的信息量很少,只需4個位就能表達4路現(xiàn)場儀表的在線狀態(tài)(0表示在線,1表示不在線,因此,可以將該信息放在50ms一次的實時數(shù)據(jù)中送給操作站。其次,操作站對現(xiàn)場儀表的組態(tài)命令要經(jīng)過主控卡、數(shù)據(jù)轉發(fā)卡、本數(shù)據(jù)采集卡三層才能傳到現(xiàn)場儀表,由于通訊延時的限制,

17、這三層的每一層都來不及從下層收到最新的數(shù)據(jù)返回給上層,它們只有先將緩沖區(qū)內(nèi)的過時的數(shù)據(jù)返回給上層,然后再將組態(tài)信息發(fā)給下層。根據(jù)這個通訊傳輸特點,為了取得保存在現(xiàn)場儀表中的組態(tài)信息,操作站需要發(fā)4次取數(shù)據(jù)命令以觸發(fā)每一層更新它的緩沖區(qū)的數(shù)據(jù),第4次取到的數(shù)據(jù)才是最新的現(xiàn)場儀表的組態(tài)信息。圖4(a、(b分別展示了操作站為了和現(xiàn)場儀表進行一次通訊事務,在通訊延時能滿足要求和不能滿足要求這兩種情況下,所采取的不同的通訊策略。如果每一層的通訊速率都很快,通訊延時都在響應延時時間允許范圍之內(nèi),那么通訊方式如圖4(a所示,這是最簡單的通訊方式。但是在DCS中,為了獲得比較快的通訊響應,每一層允許的通訊最大

18、延時時間都比較短,根本來不及從更下一層取得數(shù)據(jù)再返回給上層,因此采用連續(xù)讀4次的方式,每讀一次,現(xiàn)場儀表的組態(tài)信息就上傳一層(如虛線箭頭所示,第4次的時候,操作站93第4期厲卓恒等.基于H ART協(xié)議的DCS接口卡設計就收到了現(xiàn)場儀表的組態(tài)信息。3.4HART 協(xié)議的通訊速度問題HART 接口卡數(shù)據(jù)轉發(fā)卡主控制卡操作站現(xiàn)場儀表現(xiàn)場儀表操作站主控制卡數(shù)據(jù)轉發(fā)卡HART 接口卡(a (b tt圖4通訊延時滿足/不滿足要求時的通訊策略由于H ART 協(xié)議的波特率只有1.2kbps ,發(fā)送一個字節(jié)要9.167ms ,一個簡單的H ART 協(xié)議主設備命令幀有十幾個字節(jié),下位機儀表的響應幀有二十幾個字節(jié),

19、再加上下位機的響應等待時間約100ms ,所以完成一次通訊事務約需四百多毫秒,將近半秒鐘。輪詢4臺下位機共需2s 。DCS 和本接口卡的實時數(shù)據(jù)通訊是每50ms 一次,相對2s 來說可忽略不計。所以在理想情況下(沒有DCS 組態(tài)命令,通訊正常實時數(shù)據(jù)大約2s 更新一次。如果DCS 有組態(tài)命令下發(fā),那么實時數(shù)據(jù)的更新間隔會更長。對組態(tài)命令的響應時間,最理想的情況是組態(tài)命令在剛查詢完一臺現(xiàn)場儀表后到達,那么等待時間為0,最差的情況是在剛開始查詢一臺現(xiàn)場儀表的實時數(shù)據(jù)和在線狀態(tài)開始時到達,那么等待時間為這兩條H ART 命令執(zhí)行完畢的時間,大約1s 。一般情況下,組態(tài)命令會在執(zhí)行查實時數(shù)據(jù)命令期間到達,因此平均等待時間為0.25s 。讀組態(tài)命令由兩條H ART 命令組成,執(zhí)