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hme-635应用案例之如何通过以太网监控hart仪表


工业以太网,是指其在技术上与商用以太网(ieee802.3标准)兼容,但材质的选用、产品的强度和适用性方面应能满足工业现场的需要。工业以太网技术的优点表现在:以太网技术应用广泛,为所有的编程语言所支持;软硬件资源丰富;易于与internet连接,实现办公自动化网络与工业控制网络的无缝连接;可持续发展的空间大等等。

经过近20年的发展,hart协议已经成为过程自动化仪表常用的标准。可与4~20ma兼容是其很大的优点。通过hart协议,用户可以读取仪表的各项信息,如测量值、厂家信息、工位信息等;还可以对现场设备进行维护:如调零,配置传感器参数等。

上海泗博自动化技术有限公司的网关可以实现以太网与hart仪表的互联。的典型应用如下图所示:

  系统结构

以下通过一个示例来说明如何使用网关进行现场hart仪表与工业以太网的互联。

假设现场有一台支持hart协议的流量计,用户想通过以太网来读取该流量计的累计流量值,并且希望在适时的时候,来复位这个累计流量值。

  1. 首先需要做的是确定整个工程方案:两种不同的网络相连,必须要有一个网关来作为“通讯的桥梁”。在以太网这边,常用的工业以太网协议有:modbus tcp,ethernet/ip,profinet等,这里我们选择常用的modbus tcp。在hart这边需要一个hart主站来读取现场仪表(hart从站)的信息。为了以后应用的扩展,要求hart主站支持全部的hart命令。上海泗博自动化技术有限公司的网关能解决hart与以太网的互联问题。它在以太网侧支持modbus tcp协议或ethernet/ip协议,在hart侧可做hart一类主站或二类主站,并且支持全部hart命令。网关有三个hart通道,每通道相互独立,每通道最多可接15台仪表。
  2. 然后需要做的是配置命令:使用的配套软件htconfig可以对进行hart命令和以太网参数的配置。配置以太网的参数如下图所示:

     

    配置hart命令前,首先需要做的是确定仪表的接线方式和相关hart命令号。

    hart协议支持单点连接和多点连接,单点连接就是只接一台地址为0的仪表,此时仪表既输出4~20ma信号,又可进行hart通讯。仪表出厂时的默认配置均是0号地址。多点连接时,根据协议规定,hart线路最多可连接15台仪表,仪表地址从1到15,此时每个仪表固定输出4ma,即不再输出4~20ma信号。每台hart仪表内部有多个参数供hart命令来读取或设置,这里我们假定仪表内的1号变量(即主变量pv值)就是累计流量,它实时变化。厂家定义的145号命令用于复位累计流量,它被复位时(置0)不起作用,被置位时(置1)将复位累计流量(仪表具体的变量分配和命令功能,需参考仪表附带的hart命令集)。

    在hart协议里,1号命令是用来读仪表的主变量,仪表的响应数据格式为:

     

    其中前两个响应字节是通讯状态,一般不需要关心;

    第三个字节是变量的单位,如℃,bar等;

    后面四个字节是变量的值,hart仪表变量的值都是以ieee 754浮点数形式表示的,并且是高位在前。

    显然,1号命令有7个字节的响应数据。

    hart命令分为三种,一种是通用命令,这是hart仪表必须支持的;一种是常用命令,这是hart仪表可以选择支持的;另外一种是专有命令,是厂家可以自定义的。这里假定的145号命令即为厂家自定义的命令,用来复位该流量计的累计流量。假设145号命令数据有一个字节,用来表示是否复位累计流量,它的响应数据有3个字节,前两个是通讯状态,最后一个是复位结果,1表示复位成功,0表示没有复位。

    请求数据:

     

    响应数据:

     

    显然我们需要实时的读取累计流量,而根据需要来复位累计流量。因此读累积流量应该是一种轮询行为,而复位动作是一种“时间驱动”行为。网关针对这种应用为每条hart命令提供了可选的4种命令执行方式—轮询输出、初始化输出、逢变输出、不输出。定义如下:

    • 轮询输出——该命令周期性发送,周期由轮询时间和总的轮询命令条数决定。
    • 初始化输出——该命令仅在上电后执行一次,以后不再执行。
    • 逢变输出——该命令在输出数据有变化时才执行。
    • 不输出——该命令不输出。

    根据前文的分析,1号命令应该配置为“轮询输出”,且输入数据(接收数据)长度应该为7。

    145号命令应该分配为“逢变输出”,且输出数据(发送数据)长度为1, 输入数据长度应该为3。

    因此网关的hart命令配置如下图所示:

     


     

    图中其他参数意义如下:

    • 发送数据内存起始地址:设定该命令输出数据的内存起始地址,范围3000~4999;
    • 发送数据的寄存器起始地址:该属性为网关自动算出的,主要为方便用户进行寄存器寻址;
    • 发送数据长度(byte):用来设定该命令输出数据的长度;
    • 发送数据长度(word):该属性为网关自动算出,主要为方便用户查看输出数据长度,1word=2bytes;
    • 接收数据内存起始地址:设定该命令输入数据的内存地址,范围0~2999。响应数据仅包括hart帧中的数据域,关于hart的帧结构请参考说明书附录b;
    • 接收数据的寄存器起始地址:该属性为网关自动算出的,主要为方便用户进行寄存器寻址;
    • 接收数据长度(byte):用来设定该命令输入数据的长度;
    • 接收数据长度(word):该属性为网关自动算出,主要为方便用户查看输出数据长度,1word=2bytes;
    • 命令索引值:为配置软件自动算出,表明该命令在所配置的命令表中的索引值。

    将此配置下载到网关中。(具体下载方式详见说明书)。

  3. 最后需要做的是利用以太网来读数据和进行复位操作。

    modbus tcp主站需使用04号功能码来读取的数据。如读取网关的0~4号寄存器,就可以读出网关数据缓冲区的前8个字节,其中前7个为我们需要要的1号命令的响应数据。

    配置为“逢变输出”的hart命令需要输出数据发生变化才会发出,因此一般情况下145号命令是不会发送的,当我们使用modbus tcp的6号功能码来改变网关的1500号寄存器的高位(对应网关的地址为3000的数据缓冲区),那么网关就会执行一个145号hart命令,并且命令数据为用户写入的数据。因此,如果我们想要复位累计流量值,只需要先在网关1500号寄存器的高位写0,再写1, 那么网关就会执行一条145号hart命令并且复位流量计的累计流量。

总结:利用网关 可以实现以太网与hart仪表的互联,方便了仪表与集中控制系统的整合,有利于企业在不改变现有仪表的情况下对生产系统进行改造。网关强大的配置功能也满足了各种不同的控制需求。


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