西門子PCS7與HART儀表通信的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換研發(fā)

上海自動化儀表采用HAＲT通信協(xié)議的現(xiàn)場儀表廣泛應用于過程控制系統(tǒng)。在構(gòu)建西門子PCS7作為主控制器的控制系統(tǒng)時，shou先要解決好主控Profibus-DP儀表的通信問題。選擇網(wǎng)關(guān)將HAＲT協(xié)議數(shù)據(jù)上傳給Profibus-DP網(wǎng)絡時，主控系統(tǒng)無法正確顯示HAＲT協(xié)議數(shù)據(jù)所代表的過程變量。在對數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和存基礎上，自主研發(fā)程序，將主控系統(tǒng)接收的現(xiàn)場信號進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，并編寫功能塊FB、連續(xù)功能圖CFC程序，實現(xiàn)主控系統(tǒng)對現(xiàn)場設備運行狀態(tài)和過程變別，為HAＲT與Profibus-DP異構(gòu)協(xié)議兼容系統(tǒng)的構(gòu)建提供數(shù)據(jù)通信基礎。

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(shù)字信號雙向通行，互不干擾［1］。基于HAＲT協(xié)議的儀表既有模擬儀表的性能，又兼顧數(shù)字通信的性能，在不對現(xiàn)有系統(tǒng)進行改造的情況下即可實現(xiàn)儀表的數(shù)字化，制系統(tǒng)中得到廣泛應用。通過手操器可以實現(xiàn)HAＲT儀表硬件、工程單位、過程參數(shù)量程的上下限以及節(jié)點地址等設定，也可以提取并顯示儀表設編號及生產(chǎn)廠商信息［2－4］。在構(gòu)建以HAＲT儀表為現(xiàn)場設備、以西門子PCS7為主控制器的控制系統(tǒng)時，通過網(wǎng)關(guān)使HAＲT儀表與Profibus-DP網(wǎng)絡通信議的現(xiàn)場總線系統(tǒng)集成。由于HAＲT (http://www.tx7878.cn/hart/)儀表傳輸?shù)臄?shù)據(jù)類型復雜，盡管網(wǎng)關(guān)將HAＲT儀表輸出信號傳給了遠程的PCS7，但息，無法從接受數(shù)據(jù)中提取現(xiàn)場設備的運行狀況、過程參數(shù)信息，沒有根本上解決協(xié)議兼容的問題。本文通過在線采集現(xiàn)場HAＲT儀表的運行參數(shù)，進行儲方式分析，應用自主研發(fā)程序，并編寫功能塊(FunctionBlock)FB、連續(xù)功能圖CFC(ContinuousFunctionChart，CFC)程序，將PCS7接收的現(xiàn)場信號換，從而保證主控系統(tǒng)對HAＲT信息的識別，實現(xiàn)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，是一種面向工廠自動化和流程自動化的國際性現(xiàn)場總線標準。主要包含Profibus-DP、Profibus-FMSProfibusProfibus-DP面向工業(yè)現(xiàn)場，在可編程控制器、傳感器、執(zhí)行器等設備之間傳遞數(shù)據(jù)信息，采用ＲS－485的物理連接方式，其傳輸速率為9．6kbit/s～1傳輸距離為1000m，使用中繼器可達10km。西門子PCS7系統(tǒng)在自動控制站間、自動控制站與現(xiàn)場設備之間的數(shù)據(jù)交換采用Profibus-DP通信協(xié)議，該協(xié)通信方式，#多可掛接127個從站，有3種從站類型:PLC控制器，分布式遠程I/O，智能現(xiàn)場設備。主站具有對總線的控制權(quán)，可主動發(fā)送信息。從站等待令，然后執(zhí)行數(shù)據(jù)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(shù)字量信號，在二線制變送器與電源之間串接250Ω以上電阻，以保證數(shù)字量信號的傳輸，模擬量和數(shù)

同時進行，傳輸速率為1200bit/s，支持掛接15個現(xiàn)場設備。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;普通專用命多數(shù)HAＲT變送器，指令代碼為32－126;設備專用命令，針對每一種具體設備的特殊性，指令代碼為128－253。HAＲT儀表通過命令與上位級實現(xiàn)數(shù)據(jù)9］。

2、Profibus-DP與HAＲT異構(gòu)兼容系統(tǒng)

搭建HAＲT儀表與西門子PCS7之間的數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)，主控系統(tǒng)PCS7可以監(jiān)視HAＲT儀表的測量參數(shù)、設備運行狀態(tài)、設備序列號等基本信息，也可以采

維護狀態(tài)等實時監(jiān)管信息，從而提高整個系統(tǒng)運行的可靠性和安全性［10］。

2．1異構(gòu)兼容系統(tǒng)設計方案

Profibus-DP與HAＲT異構(gòu)兼容系統(tǒng)以西門子PCS7系統(tǒng)為上位級，羅斯蒙特3051壓力變送器和若干現(xiàn)場設備為下位級。因西門子PCS7系統(tǒng)采用Profibu

通信協(xié)議，而現(xiàn)場智能設備羅斯蒙特3051壓力變送器采用HAＲT現(xiàn)場總線通信協(xié)議，需要解決異構(gòu)協(xié)議兼容問題，增加網(wǎng)間協(xié)議轉(zhuǎn)換器(網(wǎng)關(guān))，實現(xiàn)不同現(xiàn)場總線協(xié)議標準的兼容。選取能夠支持HAＲT/Profibus-DP協(xié)議數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的據(jù)格式的轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)的讀寫操作，將HAＲT協(xié)議網(wǎng)絡與Profibus-DP協(xié)議網(wǎng)絡進行硬連接，實現(xiàn)西門子PCS7上位級對現(xiàn)場智能設備的監(jiān)視與管理。

2．2系統(tǒng)硬件組成

該異構(gòu)兼容系統(tǒng)包括上位監(jiān)控PC機、主控系統(tǒng)PCS7、羅斯蒙特3051壓力變送器、網(wǎng)關(guān)等設備，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。上位監(jiān)控PC機既是上位級的服務器、操作員站以及工程師站，承擔PCS7組態(tài)、數(shù)據(jù)采集、信息交換和系統(tǒng)維護工作。PC機與控制站S7－400PLC通過工信息交互。網(wǎng)關(guān)選用上海泗博公司生產(chǎn)的網(wǎng)關(guān)HPM－610。西門子S7－400PLC與網(wǎng)關(guān)HPM－610通過Profibus-DP連接，西門子S7－400PLC是Profib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HAＲT總線聯(lián)接，網(wǎng)關(guān)HPM－160是HAＲT主站，羅斯蒙特器是HAＲT從站［11－13］。

3通信檢測與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

在成功搭建硬件系統(tǒng)以后，進行系統(tǒng)組態(tài)與調(diào)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(tǒng)的通信測試與調(diào)

交互的正確性與實時性。

3．1PCS7讀取HAＲT儀表標識碼

主控PCS7要獲取并在監(jiān)控畫面顯示羅斯蒙特3051壓力變送器的設備信息，需要在網(wǎng)關(guān)HPM－160的專用軟件HT－123中作相應配置。網(wǎng)關(guān)HPM－610依命令功能，從現(xiàn)場級提取數(shù)據(jù)，向上位主控系統(tǒng)傳送現(xiàn)場設備信息、運行參數(shù)、過程值變量等數(shù)據(jù)［14－15］。

命令0的功能是讀取現(xiàn)場HAＲT儀表的設備類型代碼、版本和設備標識碼，并傳送到主控系統(tǒng)。命令0執(zhí)行后在PCS7分配給網(wǎng)關(guān)的存儲區(qū)中占用14個字節(jié)為設備的現(xiàn)場狀態(tài)信息，后面的數(shù)據(jù)對應設備類型的具體信息，存儲區(qū)中字節(jié)所代表的設備信息如圖2所示，從字節(jié)0到字節(jié)11表示網(wǎng)關(guān)采集現(xiàn)場設備的字節(jié)1為制造商ID號，字節(jié)2是制造商設備類型，字節(jié)3為HAＲT數(shù)據(jù)幀的前導碼信息。

在執(zhí)行命令0之前，shou先診斷命令0檢測到的現(xiàn)場設備信息，診斷結(jié)果見圖3(a)所示。然后執(zhí)行命令0，主控PCS7獲取到3051壓力變送器的設備信息，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(zhí)行命令0的返回信息。

IW550的值W#16#0040(2個字節(jié))，表示現(xiàn)場設備的通信狀態(tài)，從IW552到IW562共12個字節(jié)是羅斯蒙特3051壓力變送器標識碼，數(shù)制是十六進制，轉(zhuǎn)

見表1所示，與圖3(a)所示字節(jié)的十進制數(shù)值完全相同，表明命令0可以檢測到現(xiàn)場設備信息并正確上傳給主控系統(tǒng)。而且，命令0返回的現(xiàn)場設備信息可上顯示。

3．2PCS7讀取HEＲT儀表的過程變量值

主控PCS7讀取且在監(jiān)控畫面上顯示羅斯蒙特3051壓力變送器的過程變量(PV)值，需在HT－123軟件上作相應配置后，使用命令1，命令1的功能是以浮點變量的值，返回路徑為:現(xiàn)場總線智能儀表將現(xiàn)場過程值送到網(wǎng)關(guān)HPM－610，網(wǎng)關(guān)HPM－610將數(shù)據(jù)上傳到PCS7系統(tǒng)，PCS7接收到十六進制現(xiàn)場過程

浮點數(shù)在監(jiān)控畫面上顯示。

在執(zhí)行命令1指令后，PCS7系統(tǒng)從網(wǎng)關(guān)讀取并顯示的數(shù)據(jù)是十六進制數(shù)，存儲在IW512到IW518地址中，如圖4所示，占用4個字，8個字節(jié)，前兩個字節(jié)狀態(tài)信息，后面的數(shù)據(jù)對應過程變量值。IW512字節(jié)表示現(xiàn)場設備的狀態(tài)信息，IW514的高字節(jié)16#ED表示過程變量的單位MPa，IW514的低位字節(jié)、IW518的高位字節(jié)共4個字節(jié)，表示現(xiàn)場過程量。這4個字節(jié)以十六進制的形式存儲在3個字中，目前要用一個雙字(4個字節(jié))表示現(xiàn)場過程變量，并且在上面顯示，在對PCS7系統(tǒng)接收到的數(shù)據(jù)進行提取、數(shù)制轉(zhuǎn)換、整合等數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過程后，#終以十進制浮點數(shù)的形式在監(jiān)控畫面上實時顯示［16］。

以現(xiàn)場壓力測量值0．55MPa為例，分析PCS7系統(tǒng)接收的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。由圖4可知，命令1返回到PCS7的數(shù)據(jù)由8個字節(jié)組成:分別是IW512;IW514;IW516;IW518。其中:IW512為現(xiàn)場設備狀態(tài)信息;IW514的高字節(jié)ED表示現(xiàn)場過程變量單位(MPa)，低字節(jié)3F是測量值的有效數(shù)據(jù);IW51有效數(shù)據(jù);IW518的高字節(jié)CE是測量值的有效數(shù)據(jù)，這4個字節(jié)數(shù)據(jù)對應現(xiàn)場壓力測量值。即:3F，0D7F，CE表示現(xiàn)場過程量。

上位監(jiān)控系統(tǒng)以單精度浮點數(shù)的形式顯示現(xiàn)場壓力測量值，是一個雙字，即4個字節(jié)32位，存儲在一個雙字寄存器中，以浮點數(shù)的形式在監(jiān)控畫面上顯示而PCS7接收的數(shù)據(jù)是4個字節(jié)，放在4個輸入寄存器中，并非一個完整的雙字。故需要對當前PCS7接收到的數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換，從返回的4個字中提取出有效節(jié)，整合后存放在一個雙字存儲器中，再將這個雙字轉(zhuǎn)換為單精度浮點數(shù)，即現(xiàn)場壓力測量值，然后在監(jiān)控畫面上顯示。

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過程的程序流程如圖5所示:①定義PCS7接收到的數(shù)據(jù)為:HAＲT通道1－HAＲT通道4;②將HAＲT通道2(IW514)據(jù)轉(zhuǎn)換為雙字，向左移24位并保

器，即3F保存在雙字的#高位。③將HAＲT通道3(IW516)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)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

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)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”指令將三個雙字移位整合為一個雙字;⑥用雙字與浮點數(shù)的轉(zhuǎn)換指單精度浮點數(shù)0．55(MPa)。

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換程序使用西門子結(jié)構(gòu)化控制語言StructruedText(STL)編寫，生成功能塊(Function Block) FB678，可在程序中直接調(diào)用，實現(xiàn)了主控系 統(tǒng)接受量值的數(shù)值類型的一致性轉(zhuǎn) 換，確保主控系統(tǒng)可以實時檢測并正確顯示現(xiàn)場測 量值。 FUNCTION_BLOCK FB678 HＲD; / /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; / /數(shù)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(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的部分程序

4 遠程監(jiān)視

主控系統(tǒng)對現(xiàn)場的遠程監(jiān)控是實現(xiàn)智能化、無 人化工廠的基本條件。在西門子 PCS7 系統(tǒng)組態(tài)操 作員站，創(chuàng)建監(jiān)控變量，創(chuàng)建監(jiān)控畫面，通過連續(xù)功 能Continuous Function Chart( CFC) 編寫程序，調(diào)用功能塊 FB678 和顯示模塊，并建立變量與監(jiān)控畫 面的連接，現(xiàn)場過程變量值就可以直接在 WinCC時顯示，實現(xiàn)了 PCS7 對生產(chǎn)過程的遠程實時在線監(jiān)控［17－18］。 主控系統(tǒng)的監(jiān)控畫面是異構(gòu)系統(tǒng)的人機接口。通過畫面信息，運行人員可以監(jiān)視和的運行狀態(tài)，而不需要在現(xiàn)場、或者依賴就地運行人 員傳送數(shù)據(jù)。監(jiān)控畫面可根據(jù)用戶的需要進行組 態(tài)，主要信息包括: 羅斯蒙特 3051 壓力變送器的設備 ID 號、實時壓力測量值、設定的壓力 信號上下限值等。

5 結(jié)論

通過搭建 Profibus-DP 與 HAＲT 協(xié)議的異構(gòu)兼 容系統(tǒng)，基于 HAＲT 協(xié)議的現(xiàn)場智能儀表可以直接 上傳設備運行參數(shù)，實現(xiàn)了不同協(xié)議的信息交互。據(jù)與主控系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)不同數(shù)制 的情況下，編寫了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換程序，確保主控系統(tǒng)可以 查看相同數(shù)制下的過程變量。通過 CFC 編程，將變 量信息與連接，遠程監(jiān)控畫面顯示現(xiàn) 場智能儀表參數(shù)與運行狀況，實現(xiàn)了異構(gòu)兼容系統(tǒng)的遠程監(jiān)控。 這種異構(gòu)現(xiàn)場總線協(xié)議兼容系統(tǒng)可以拓展 HAＲT 協(xié)議智能儀在模擬儀表向數(shù)字儀 表的過渡過程中，完善了 HAＲT 智能儀表數(shù)據(jù)轉(zhuǎn) 換，上海自動化儀表實現(xiàn)了主控系統(tǒng)對智能儀表的遠程管控，該方案 可為能一體化遠程系統(tǒng)建。