智能电动执行机构中HART总线模块设计与实现.pdf

传统的流程工业中袁对于信号采集和指令控制袁大多数还是4耀20 mA 信号传输袁现场的工艺人员和调试人员袁对这类的信号的了解非常熟悉袁而现场总线系统的了解相对较少遥对于采用RS485 串行总线的系统袁问题排查上要求技术相对较高遥正常维护人员习惯解决点对点的问题袁逻辑清晰袁干扰因素少遥 但随着数字化要求越来越高袁控制系统需要了解更多的设备信息袁这时就可以考虑使用 HART 总线袁 在原来的 4耀20 mA 回路叠加数字信息咱1暂袁既不影响原来的应用袁也可以获取更多的数据信息袁有利于设备维护遥HART 协议在 1980 年代推出袁 属于比较早的一种通信协议遥 为解决现有 4耀20 mA 通信协议中只能传输一个参数的缺陷袁它通过将数字信号叠加在模拟信号上发送数字信息袁通过调制技术不影响模拟信号的传输袁同时数字信号也可以照常传输遥它建立了两个信息通道袁也被称为混合协议咱1暂遥借助 HART袁工业数据化工作可以解决了 4耀20 mA 的缺点袁进而实现双向通信袁但也保留了其基础设施袁 可以继续使用传统工具和点对点的维修理念遥常用执行机构设备分为开关型和调节型两个大类袁都带有模拟量信号袁可通过添加 HART 通讯模块袁实现数字通信遥员HART 总线特点HART 总线使用 Bell202 频移键控 FSK 标准遥 FSK 过程涉及叠加两个频率的正弦波袁通常为 1200 Hz 和 2200 Hz袁代表正在发送的数据位 1 和 0遥 FSK 的使用保证了两个频率的平均值始终为零袁使得模拟信号不受数字信号的影响遥 HART 协议存在 HART5尧HART6尧HART7 三个版本袁协议是向下兼容遥 目前大多数现场设备中袁HART5 占了大多数袁HART6 占比较小袁而HART7 是最新的版本袁增加了无线 HART遥 电动执行机构设备支持 HART5 版本遥 HART 协议下的设备物理层可以配置为两种网络模式院员冤点对点网络模式遥 数字信号覆盖在 4耀20 mA 回路电流上袁电流和数字信号都可以用于在主机和从机之间传送信息袁代表了协议的典型应用遥通道回路具有辅助变量和数据信息袁通过数字信号交换袁可用于监控尧维护和诊断目的袁而控制信号通过协议的模拟部分发送遥圆冤多点网络模式遥 使多个设备能够以基于地址的方式连接在同一对电线上遥多点模式下的通信完全是数字化的袁因为通过每个设备的电流都固定在 4 mA袁 模拟部分的电流信息不起作用遥 对于执行机构来讲袁电流对应阀位的功能会丧失袁所以一般执行机构不建议采用该网络模式遥圆HART 总线型执行机构设计原理在常规智能型产品增加专门对接 HART 模块的接口袁 可以按照用户需求袁进行选择性添加袁灵活装配的型式袁便于整个生产组织遥相较于将 HART 功能集成到主控的方案袁模块化的方案降低了 HART 功能与主控功能的代码耦合性袁 使 HART 功能更加专一袁可靠性更高遥 H粤砸栽 执行机构功能示意图如图 员 所示院图 1HART 执行机构功能示意图圆.1 执行机构主控单元选用 M4 系列单片机作为执行机构的主控核心遥 主控单元接收外部命令或者人机界面的指令袁根据当前阀门状态袁控制电机开关袁实现阀门自动动作遥 同时采集多个传感器状态袁进行分析和保护袁目前有堵转保护尧过扭矩保护尧电机过温尧电源欠压等保护功能遥还具有数据记录和自我诊断功能袁可以查看动作次数和故障记录遥人机界面使用 OLED 显示袁支持多行汉字显示和英文显示袁不同于段码式液晶显示袁调试简单明了遥圆.2 HART 模块设计原理圆.2.1 HART 协议处理电路采用 SD2017 专用芯片实现 HART 协议的调制解调功能遥该智能电动执行机构中 HART 总线模块设计与实现徐艳超黄威张健渊南京科远智慧科技集团股份有限公司袁江苏 南京 211102冤Design and Implementation of HART Bus Module in Intelligent Electric Actuator摘要院随着设备数据化要求越来越多袁传统模拟量信号的数据局限性也越来越突出袁HART 总线的应用可以很好解决该问题袁同时又保留现有模拟量传递遥 执行机构产品带有 4耀20 mA 模拟量输入和输出功能袁可以在现有的执行机构上增加HART 总线模块袁实现双向数字通信遥 通信模块采用专用调制解调器 SD2017袁配合滤波电路实现 HART 数据通信遥 专有芯片使硬件设计的集成度更高袁可靠性更好袁同时设备配套有 DTM 文件袁利用设备管理软件很方便实现数据读写袁人机交互更加直观方便袁有助于现场对执行机构设备的维护诊断遥关键词院电动执行机构曰HART曰DTMAbsract:With the increasing requirements of equipment data,the application of HART bus can solve this problem well,while retaining the existing analog transmission,due to the data limitations of traditional analog signals.The actuator prod鄄uct has 4耀20 mA analog input and output functions,which can add HART bus module to the existing actuator to achievebidirectional digital communication.The communication module adopts the special modem SD2017,which cooperates withthe filter circuit to realize HART data communication.The proprietary chip makes the hardware design more integrated andmore reliable.At the same time,the equipment is equipped with DTM files.It is very convenient to use the equipmentmanagement software to read and write data.The human-computer interaction is more intuitive and convenient,which ishelpful for on-site maintenance and diagnosis of the actuator equipment.Keywords:electric actuator,HART,DTM智能电动执行机构中 HART 总线模块设计与实现36叶工业控制计算机曳圆园圆3 年第 猿6 卷第 8 期芯片使用相位连续的频移键控FSK技术咱2暂袁传输速率为 1200 bps袁可以很好替代进口的 A5191HRT 芯片遥 如图 圆 所示院图 2H粤砸栽 协议处理电路图模块设计采用隔直电容和耦合变压器从模拟量输入的回路上采集信号袁HART 信号通过外部带通滤波器对之后到达的 IRXA进行抗混叠滤波袁OCD 高电平表示检测到载波有效袁解调器咱3暂接收 IRXA 的 FSK 信号袁通过 ADC 和数字解调器袁最终在 ORXD上恢复出数字电平信号袁并输出到外部 UART遥 当 SD2017 处于发送模式袁 调制器通过波形整形电路袁 将 ITXD 输入端的数字信号袁进行调制和波形整形袁并转换成一系列 1200 Hz 和 2200 Hz符合 HART 协议要求尧相位连续的梯形波袁输出至 OTXA 引脚咱3暂袁经过电容和耦合变压器传输到模拟量输入回路中遥 一收一发的过程袁实现了双向通信遥 专用芯片将抽象的频率信号袁转换成了常规的 UART 通讯袁使设计更加简洁可靠遥圆.2.2 HART 协议软件流程设计执行器在 HART 通讯中属于从站设备袁 一直处于被动响应的状态袁由于硬件设计时将 CPU 的 UART 接口与 SD2017 芯片的收发接口连在一起了袁因此软件设计采用 CPU 串口的收发中断实现数据传递遥 如图 猿 所示遥串口中断产生数据接收中断袁中断服务程序进行接收判断袁先检测前导码咱4暂袁然后接收数据帧格式遥 根据帧类型和从站的地址袁判断报文的合法性袁进行下一步的数据处理遥 HART 收发的帧格式如表 员 所示院软件主要功能是解析 HART 主设备 DCS 或手操器下发的指令袁上传执行机构设备的对应的状态袁参数等变量遥 目前设备支持的命令有院0尧1尧2尧3尧6尧7尧11尧12尧13尧14尧15尧16尧17尧18尧19尧38尧42尧48尧128尧129尧130遥2.2.3 内部通讯接口HART 模块与主控板的通信袁采用 RS485 总线方式袁该方式接线简单袁再加上差分的物理传输特性袁抗干扰能力强袁在执行机构紧凑的空间中袁可以灵活布局袁无需担心 EMC 问题遥软件协议采用自定义协议袁帧格式添加 CRC 通讯校验袁保证了数据可靠性袁自定义协议兼容其他总线模块袁使产品配置更加灵活袁增加了用户的选择性遥 模块通信电路如图 源 所示院图 4模块通信电路2.3 上位机 FDT 软件通讯为了快速获取控制系统中来自不同厂家的数字和模拟的节点数据信号袁引入了 FDT 的技术袁这是现场设备与控制系统和资产管理工具之间的一种标准化的接口规范袁 是独立于供应商的尧开放的尧公开的规范咱4暂遥 通过框架应用资产管理工具尧FDT 接口尧DTM 设备驱动三部分咱5暂袁简单而迅速地将不同设备类型集成到控制系统中袁用图形界面显示设备的配置信息遥用户可以很容易就熟悉设备调试和标定遥执行机构 HART 模块的 DTM 主要实现的功能有院组态参数上传和下载尧实时数据采集尧诊断尧状态指示遥 设计的界面有院通讯配置尧参数组态尧基本设置尧继电器设置尧实时数据尧诊断尧基本诊断尧扩展诊断遥 在通讯成功的情况下袁从上位机软件端可查看HART 通讯读取的状态尧参数是否正确遥 实时监视的数据有主变量尧第二动态变量尧第三动态变量尧第四动态变量尧第五动态变量咱6暂遥诊断信息包含设备状态和运行信息袁相比较硬接线的开关信号袁数字通信可以获取更多的执行机构信息袁能快速判断设备状态遥扩展诊断界面如图 缘 所示遥渊下转第 39 页冤图 3接收处理流程图表 1H粤砸栽 帧格式37叶工业控制计算机曳圆园圆3 年第 猿6 卷第 8 期渊上接第 37 页冤猿结束语HART 总线模块采用专用的调制解调芯片 SD2017 实现HART 总线通讯袁整体方案集成度高尧可靠性高遥 增加 HART 模块可以使常规智能型电动执行机构产品具有数字通信功能袁同时又不影响硬接线产品的基本功能袁保持现有设备系统架构遥使用上位机资产管理软件袁配合设备的 DTM袁可以快速地将设备信息传递到控制系统袁利用人机界面友好地呈现出来袁便于工程人员对设备进行维护遥 对于数字化传统设备架构袁HART 总线有其独特的优势遥参考文献咱1暂李军.二线制 HART 总线的设计及物理层测试咱J暂.中国仪器仪表袁2021渊7冤院远怨原苑圆咱2暂于晓绎袁杨志家.HART 调制解调芯片的设计咱J暂.微计算机信息袁2006渊31冤院员园原员圆咱3暂周鹏.一种数字 HART 调制解调芯片的设计咱J暂.电子技术与软件工程袁2021渊13冤院92-94咱4暂包伟华袁陆妹.EDDL 和 FDT 技术的研究及实现咱J暂.仪器仪表标准化与计量袁2010渊1冤院源圆原源缘咱5暂孙发袁刘枫.基于 FDT 与 OPC 的现场设备应用研究咱J暂.微计算机信息袁2007渊10冤院员怨怨原圆园园袁圆缘愿咱6暂蔡忠勇.FDT/DTM 技术要要要工业网络技术新的制高点咱J暂.仪器仪表标准化与计量袁2007渊4冤院19-23咱收稿日期院圆园圆圆-12-09暂图 5扩展诊断界面两个指令到 Modbus 子程序袁 起始寄存器分别选择 SM0.1 和SM0.0袁根据上述各引脚设置要求袁将野MBUS_INIT冶指令野Mode冶模式设置为 1袁野Addr冶 地址设置为 20袁野Baud冶 波特率设置为9.6 kbps袁野Parity冶设置为无校验袁野Port冶设置为 PLC 通信端口袁野Delay冶延时设置为 0袁野MaxIQ冶设置为 256袁野MaxAI冶设置为56袁野MaxHold冶设置为 200袁保持寄存器偏移为&VB700遥如图 2所示院图 2PLC Modbus 通讯程序在通信子程序中袁模拟量数据通过转换放大处理后存入地址VW700袁等待 Modbus主站发出读数据指令后将数据传输给主站遥3第三方软件通讯测试在 DeltaV 系统组态 Serial Cards 端口之前袁使用第三方主站通讯软件袁模拟和从站的通讯袁方便查看通讯是否正常及数据正确与否袁具体步骤院将 USB 转 RS485 串口通讯线缆分别连接PLC 与 PC 端袁打开 ModScan32 软件袁设置 Device Id渊从站地址冤尧Address渊数据存放的起始地址冤与 Length渊长度冤袁选择数据存储区类型袁菜单栏选择连接设置进行连接袁配置通讯端口及实际的通讯参数即可袁 在工具栏可选择不同的数据显示类型袁ModScan32 软件参数配置如图 3 所示遥4DeltaV 与 PLC 串行通信故障检测DCS 串口卡件组态完成下载后袁可以通过两个方面检查通信尧数据是否正常遥1冤DCS 机柜间串口卡件指示灯遥 查看卡件 Port1 端口黄灯是否常亮袁如果闪烁表示该端口上有从设备存在通信错误袁需要检查电缆连接及通信参数设置是否一致遥2冤利用 DeltaV 系统诊断查看通讯数据遥 在 Windows 程序目录找到 Diagnostics 诊断程序袁 依次展开 C31 串口卡件找到DS01 数据集袁双击打开后即可查看每个寄存器实时传输的数值袁若数值出现异常袁则从寄存器偏移和数据类型等方面查找原因遥5结束语本文阐述了 DCS 组态及 PLC 通信组态过程袁 并详细介绍通信调试及故障排查方法袁通过艾默生 DeltaV 系统串口卡件与西门子 PLC袁基于 Modbus RTU 协议串行通信袁使得现场分散的设备能在 DCS 画面集中监控袁 降低了现场人员的劳动强度袁极大地减少操作维护成本袁达到了预期目的与效果遥参考文献咱1暂西门子.STEP7-Micro/WIN SMART 在线帮助文档咱粤辕韵蕴暂.西门子公司网站咱2暂艾默生.DeltaV 系统在线帮助文档咱粤辕韵蕴暂.艾默生公司网站咱收稿日期院圆园圆猿原园员原员猿暂图 3ModScan32 通讯软件设置39