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1、基于HART协议的DCS接口卡设计厉卓恒,施一明,金建祥,赵鹏程(浙江大学 工业控制研究所,杭州310027)摘要:讨论了基于HART协议的DCS接口卡的硬件和软件设计,并阐明了它应用于DCS的意义。本接口卡的实现将工厂自动化的基础网络从DCS向下推到了现场一级;用户可以在DCS上远程修改现场符合HART协议的智能仪表的量程、单位、阻尼值等这些原本要到现场才能调校的参数,并能向现场仪表下载/读取位号,建立了现场网络管理的雏形。关键词:HART协议;集散控制系统;现场总线;互操作性 中图分类号:TP334.7 文献标识码:B 文章编号:100023932(1999)04200362051 引 言
2、过程工业的现场设备向数字化、网络化的变迁是过程控制领域的必然趋势。现场总线技术具有节约布线费用、操作灵活、可实现网络管理、可实现互操作等优点,因此它已成为公认的过程控制的发展方向。但是过程控制经50多年的发展和积累,用户已经在传统的模拟式一次仪表加DCS的体系结构上投入了巨大的资金,而现场总线控制系统在功能上还不能完全取代已经发展得比较完善的DCS。所以,尽管现场总线技术有种种优点,但现场总线控制系统不可能一蹴而就取代现有的DCS1,应该让用户在心理上和技术上都有一个转变期。在这种情况下,HART协议作为一种兼容原有420 mA模拟信号的数字通讯方式,受到了极大的关注,它是适用于过程控制装置的
3、通讯协议。为了保留传统420 mA模拟信号的传输,HART设备提供了用于工业环境的低带宽、中等响应时间的通讯功能。典型应用包括过程变量远程查询、参数设置和诊断等。依据我国过程工业现场设备的实际情况,HART技术在现阶段有着强大的生命力。基于HART协议的DCS接口卡(以下简称DCS2HART接口卡)的设计成功,使DCS初步具有现场总线控制系统的功能。本接口卡的设计目的是通过HART协议的实现,在原有DCS功能的基础上,让用户能在操作 收稿日期:1999-06-23case DLLPROCESSDETACH:break;return TRUE;采样函数EXPORT int FAR PASCAL
4、ADAquire(int ch)函数体SampDll.def文件:LIBRARY SampDllDESCRIPTIONDLL forSampleCODE PRELOAD MOVEABLEDISCARDABLEDATA PRELOAD MOVEABLE SING LEHEAPSIZE 1024EXPORTS ADAquire计算机应用 化工自动化及仪表,1999,26(4):3640Control and Instruments in Chemical Industry站上实时观察现场HART仪表的过程变量,组态量程、单位、阻尼时间、位号等参数,并实时监测HART仪表的在线状态。从而实现对现场仪
5、表的远程管理。2 硬件设计2.1 硬件结构的总体设计DCS2HART接口卡的硬件原理框图如图1所示。MPU通过串行口2和DCS通讯,通过串行口1和现场仪表通讯,并根据卡件处于工作状态还是冗余状态来输出控制信号以决定DC/DC器件是否向通讯线供电。MODEM用于将MPU发出的数字 信 号 转 化 为HART协 议 物 理 层 规 定 的Bell202FSK信号。从MODEM发给通讯链路的波形和从链路上接收到的波形都需要用运放放大、驱动。模拟开关用于切换接收和发送两个工作状态。变压器实现了DCS2HART接口卡和通讯链路的耦合,将HART通讯所产生的 0.5 mA的Bell202FSK电流信号强行
6、叠加到采样电阻上。采样电阻(Rsample=250)是电流/电压转换器件,将 0.5 mA的Bell202FSK电流信号转换成 125 mV的电压信号。DC/DC器件(5 V/24 V)用于向通讯链路隔离供电。本接口卡硬件设计的难点在于使它完全符合HART协议规定的物理层规范,从而实现HART产品之间的互操作性。2.2 微处理器的选择DCS2HART接口卡不仅要和DCS通讯,而且要和现场仪表通讯。两者的实时性要求都很高,与DCS的 通 讯 是 每50 ms一 次,波 特 率 为156.25 kbps,与HART仪表的通讯一刻不停,波特率为1 200 bps。数据转发卡MPUMODEM放大模拟开
7、关串行口1卡件冗余控制串行口2采样电阻变压器LOOP+LOOP-接现场仪表DCS2HART接口卡DC/DC24 V主控卡操作站图1DCS2HART接口卡的硬件原理框图本接口卡选用带有两个UART的微处理器 Dallas公司的DS87C520。DS87C520的第二个串行口除了不能用定时器2产生波特率外,其它功能和第一个串行口一样,两者可以同时工作,可运行在不同的波特率下,并拥有各自的串行口中断。可满足上述要求。DS87C520还自带16 kb的EPROM,1 kb的SRAM和WDT功能。这样设计印刷电路板时可省去EPROM、RAM、74HC373和WatchDog芯片。降低了印刷板的布线密度,
8、提高了卡件的平均无故障工作时间MTBF,使卡件工作更为可靠。2.3 隔离配电和隔离通讯功能HART仪表可由两根通讯线供电,使现场仪表不必从别处另接电源。本接口卡使用DC/DC器件向通讯线隔离配电。此处的隔离是指通讯线上向现场仪表供电的电源和DCS2HART接口卡的工作电源是隔离的。这样可保证提供给通讯线的直流电源是纯净、无干扰的,并且为下面述及的隔离通讯功能提供了保障。DCS2HART接口卡作为HART协议中的第一主设备,与第二主设备和各作为从设备的现场智能仪表的通讯是通过通讯线上的采样电阻实现的,发送方输出的幅值为 0.5 mA的Bell202FSK电流信号在采样电阻上产生幅值为0.125
9、V的电压信号,接收方检测采样电阻上的电压。为了保证正常通讯,接在HART通讯线上的所有设备都73第4期 厉卓恒等.基于HART协议的DCS接口卡设计 必须和通讯线隔离,本卡件设计中使用隔离配电和变压器耦合以实现隔离通讯功能,如图2所示。HART协议物理层规定的Bell202FSK波形接近正弦波,可通过变压器在主设备和通讯线之间传递。变压器还保证了HART2DCS接口卡和现场通讯线之间的隔离,防止控制室的强电流窜到现场。现场仪表允许单台工作在单点模式,即传统的420 mA电流环工作模式;也可以多台工作在总线式的多点模式下,每台工作于多点模式的现场仪表耗电4 mA,为了满足本安要求,本接口卡允许通
10、讯线上最多挂4台现场仪表,这样的工作电流为16 mA。2.4 符合HART协议物理层规范的硬件设计使硬件设计完全符合HART协议物理层规范是硬件设计的难点之一。只有做到这一点,才能使本接口卡和HART产品之间实现完全的互操作。本接口卡负责对现场仪表进行参数设置,数据采集等工作,因此它是HART协议定义的第一主设备。HART协议规定第一主设备的阻抗应在表1所示的限制范围内,第一主设备的理想模型见图3。其中,发送阻抗=(发送Z+耦合Z)测流电阻;接收阻抗=(接收Z+耦合Z)测流电阻。本接口卡设计中:发送Z=250、接收Z=(5 000+i 130)、耦合Z=(27+i 13)、RSample=25
11、0,因此,发送阻抗=(131+i 13);接收阻抗=(238+i 143)。完全符合HART协议物理层的要求,再加上上述隔离供电和隔离通讯的实现,为本接口卡与其它HART产品之间的互操作奠定了坚实的基础。3 软件设计第一主设备采样电阻DC/DC配电24 V变压器通讯线第二主设备现场仪表(最多4台)现场侧DCS-HART接口卡侧图2DCS2HART接口卡中隔离通讯的实现3.1 同时保证与DCS和现场仪表的通讯DCS2HART接口卡的软件设计中,与DCS的通讯是每次进中断就完成接收命令帧和发送响应帧的动作,通讯波特率为156.25 kbps,命令帧和响应帧的累计字节数为2232个字节,再加上收发转
12、换等待时间,大约每进一次中断耗时23 ms。两次中断程序的时间间隔为50 ms,即DCS每50 ms发一次取实时数据命令。图3 第一主设备的理想模型HART协议规定的通讯波特率只有1 200 bps,一个HART协议帧有十几个到几十个字符,要接收/发送完一帧需要一百到几百个毫秒,不可能在一次中断中完成一次通讯事务(指接收完命令帧并发送完响应帧)。因此在与HART仪表的通讯中断程序中,每次只接收/发送一个字节,然后根83 化工 自 动 化 及 仪 表 第26卷据接收/发送帧状态转换图将要接收/发送的字节拼装成帧,这样中断程序运行耗时仅几百个微秒。由于每个字节有11个位,所以发两个字节的时间间隔为
13、11/1 200=9.167 ms,这就是两次通讯中断程序的时间间隔。根据上面的分析,我们将这两个串行口中断程序的优先级均设为高。程序中其它的中断(如定时器中断)的优先级设为低。如果在与DCS的串行口中断程序执行期间有HART通讯中断到来,由于DCS的中断程序耗时为23 ms,而下一次HART中断要在9.167 ms后才到来,因此等到DCS中断程序退出后再执行HART中断程序,不会影响后续的HART通讯。表1 第一主设备的电气特性参 数状 态限 制有功部分(电阻)只发送0700无功部分(电抗)只发送-35+35有功部分只接收2301 100无功部分只接收-350+350 如果在HART的串行口
14、中断程序执行期间有DCS通讯中断到来,由于HART的中断程序耗时仅为几百微秒,等待HART中断程序退出后,再执行DCS中断程序不会影响到卡件和DCS的通讯。3.2 即插即用功能本接口卡的即插即用功能有两个含义:一是指它能实时检测出下位仪表的在线状态,报告给用户,供用户参考;其次是指本接口卡能根据用户的命令读取下位仪表的参数或将用户设置的参数下传到下位仪表,此处的参数是指仪表类型、量程、单位、阻尼时间和位号。用户不需要在DCS的操作站上组态每台仪表的信息(诸如量程、单位等)。上电伊始,卡件会依次查询轮询地址为14号的从设备,并收集每个从设备(如果存在的话)的管理信息(诸如量程、单位、阻尼时间、位
15、号等等),保存在设备管理缓冲区中,供DCS查询。然后,本接口卡会依次对轮询地址为14号的从设备查询实时数据,每查过5遍实时数据,查一遍在线状态。下位机处于在线还是离线状态,放在每50 ms一次的实时数据中报告给DCS。用户可以在操作站的诊断画面中看到每一路现场仪表的在线状态。若有上位机的组态命令下来,本接口卡在完成当前正在执行的采集实时数据命令后,立刻执行组态命令。据此,DCS2HART接口卡实现了对HART仪表的即插即用功能。3.3 在DCS的体系结构上实现对HART网络的管理在DCS上对HART网络进行管理的不利之处在于它的通讯结构是主从式通讯,通讯层次比较多,通讯速率比HART协议规定的
16、1 200 bps快很多。在这种情况下,为完成即插即用的功能,必须根据DCS的实际情况实现。首先,现场仪表的上线/离线事件是突发的,当本接口卡监测到该事件发生后,要主动地将此事件报告给DCS的操作站,这在主从式通讯结构中是不能实现的。但是该事件的信息量很少,只需4个位就能表达4路现场仪表的在线状态(0表示在线,1表示不在线),因此,可以将该信息放在50 ms一次的实时数据中送给操作站。其次,操作站对现场仪表的组态命令要经过主控卡、数据转发卡、本数据采集卡三层才能传到现场仪表,由于通讯延时的限制,这三层的每一层都来不及从下层收到最新的数据返回给上层,它们只有先将缓冲区内的过时的数据返回给上层,然
17、后再将组态信息发给下层。根据这个通讯传输特点,为了取得保存在现场仪表中的组态信息,操作站需要发4次取数据命令以触发每一层更新它的缓冲区的数据,第4次取到的数据才是最新的现场仪表的组态信息。图4(a)、(b)分别展示了操作站为了和现场仪表进行一次通讯事务,在通讯延时能满足要求和不能满足要求这两种情况下,所采取的不同的通讯策略。如果每一层的通讯速率都很快,通讯延时都在响应延时时间允许范围之内,那么通讯方式如图4(a)所示,这是最简单的通讯方式。但是在DCS中,为了获得比较快的通讯响应,每一层允许的通讯最大延时时间都比较短,根本来不及从更下一层取得数据再返回给上层,因此采用连续读4次的方式,每读一次
18、,现场仪表的组态信息就上传一层(如虚线箭头所示),第4次的时候,操作站93第4期 厉卓恒等.基于HART协议的DCS接口卡设计 就收到了现场仪表的组态信息。3.4HART协议的通讯速度问题HART接口卡数据转发卡主控制卡操作站现场仪表现场仪表操作站主控制卡数据转发卡HART接口卡(a)(b)tt图4 通讯延时满足/不满足要求时的通讯策略 由于HART协议的波特率只有1.2 kbps,发送一个字节要9.167 ms,一个简单的HART协议主设备命令帧有十几个字节,下位机仪表的响应帧有二十几个字节,再加上下位机的响应等待时间约100 ms,所以完成一次通讯事务约需四百多毫秒,将近半秒钟。轮询4台下
19、位机共需2 s。DCS和本接口卡的实时数据通讯是每50 ms一次,相对2 s来说可忽略不计。所以在理想情况下(没有DCS组态命令,通讯正常)实时数据大约2 s更新一次。如果DCS有组态命令下发,那么实时数据的更新间隔会更长。对组态命令的响应时间,最理想的情况是组态命令在刚查询完一台现场仪表后到达,那么等待时间为0,最差的情况是在刚开始查询一台现场仪表的实时数据和在线状态开始时到达,那么等待时间为这两条HART命令执行完毕的时间,大约1 s。一般情况下,组态命令会在执行查实时数据命令期间到达,因此平均等待时间为0.25 s。读组态命令由两条HART命令组成,执行时间为1 s,写组态命令由4条HA
20、RT命令组成,耗时2 s,所以读组态平均响应时间为1.25 s。写组态命令的平均响应时间为2.25 s。最大响应时间的计算考虑到每条HART命令执行都不成功的情况,HART的数据链路层要重发3次,因此最大响应时间为平均响应时间的3倍,这样计算出来的读组态最大响应时间为4 s,写组态最大响应时间为7 s。由于本接口卡每查询5遍现场仪表的实时数据后再查一遍在线状态,因此当一台现场仪表在刚查完在线状态后上线/离线时,在线状态的响应时间最长,为查4台现场仪表5遍实时数据的时间,大约540.5=10 s,平均响应时间是最大响应时间的一半,为5 s。4 结束语本文介绍的DCS2HART接口卡已成功应用于浙
21、大中控自动化公司的JX2500DCS上。用户反映使用了该接口卡后,现场仪表的工作状态可以在控制室随时观察到,大大减少了对现场仪表的维护工作量,另外,还节约了一半以上的电缆,节省了安装调试费用。本接口卡在DCS上初步实现了对现场仪表进行网络化管理的功能,在DCS上集成了现场总线的部分功能。它的应用,对如何将DCS逐步转化为现场总线控制系统进行了有益的探索。参 考 文 献1 孔 楠.现场总线应走与DCS兼容的道路J.工业控制计算机,1991,(1):49251.2 汤建彬,施一明,庄建国.现场总线技术和现场总线控制系统J.冶金自动化,1999,23(1):38241.04 化工 自 动 化 及 仪 表 第26卷