Hart通信在DPV1中的實現

PROFIBUS是一種用于工廠自動化車間級監控和現場設備層數據通訊與控制的現場總線技術。可實現現場設備層到車間級監控的分散式數字控制和現場通信，從而為實現工廠綜合自動化和現場設備智能化提供了可行的解決方案。PROFIBUS-DP作為PROFIBUS的規范子集，主要面向工廠現場層應用，可完成包括可編程控制器、自動控制設備、傳感器、執行器間的快速可靠的循環通信任務。

HART是由Rosemount公司開發的一個傳輸標準，是一種用于現場智能儀表和控制室設備之間的通信協議。其特點是在現有的模擬信號傳輸線上實現數字信號通信。它屬于模擬系統向數字系統轉變過程中的過渡性產品。

通過與HART基金會的合作，PI專門定義了一個HART規范，以用于將HART集成人PROFIBUS系統中，也可為控制器通過PROFIBUS-DP總線控制現場HART設備提供依據。本文描述了以此規范為依據并通過DPVl實現控制器對現場HART設備進行控制的方法。

1? 系統的設計和實現

圖1所示是本系統的總體實現方案。系統中的通信是由HART管理軟件(Hart Client)首先發起，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發送的請求數據轉換為DPVl報文格式，并通過DP總線將報文發送到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發送的DP格式報文轉換為Hart格式的報文并發送到Hart設備(Hart Device)。對于某些來自Hart Client的請求，HMD則不需要將請求發送給Hart設備，而是直接回復，如讀取HMD有關參數數據，該類請求的實現過程如圖2所示。


2 DPVl實現

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；

◇數據傳輸：MSAC2_Data_Transport。

根據規范，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部分DPVl功能。圖3所示是非周期狀態轉換在主站狀態轉換圖中所處的位置。


2.1 從站參數集的擴展

根據DP協議，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。在從站參數集中擴展的其它字節(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

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據塊。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據塊。與DPV0的報文格式不同，非周期讀使用的服務節點號為51，在數據域DU中，除了有交換的數據外，前四個字節分別定義了功能號(Function_Num)、槽號(Slot)、索引號(Index)和用戶數據長度(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，當讀取的數據正確返回時，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數據交換的讀數據服務不同，非周期讀服務一般要等待多個系統循環周期后，才能得到響應的數據。

2.3 非周期寫服務的實現

非周期寫服務的實現和非周期讀類似，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

通過DPVl實現Hart的通信時，首先要解決協議的轉換問題，即如何將Hart協議報文通過DP主站傳輸到DP從站(即HMD)中，再將報文轉換為Hart報文傳送到現場Hart設備中。在應答中，也存在同樣的問題。規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據長度，那些被省去的報文信息可由HMD經過分析填充到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。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據對象，其中有一個總目錄(Direetory)的數據對象，其它數據對象的索引在這個數據對象中可查，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數據之前，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在工業自動化中占有相當的份額，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。而本文的實現方法有助于DCS和PLC在Hart智能設備、Hart儀表現場的推廣。