專利名稱：一種epa工業(yè)以太網(wǎng)與hart現(xiàn)場總線互連的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及工業(yè)以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線通信領域，尤其涉及通過一種智能網(wǎng)關在 基于EPA協(xié)議的工業(yè)以太網(wǎng)絡和基于HART協(xié)議的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡的異構網(wǎng)絡之間 實現(xiàn)互連通信的方法。
技術背景當前工業(yè)控制網(wǎng)絡技術的主流是各種現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網(wǎng)技術，由于現(xiàn)場 總線和工業(yè)以太網(wǎng)國際標準IEC61158和IEC61784-2是多種通信協(xié)議并存的局 面，而且將在很長一段時間內(nèi)都不可能形成統(tǒng)一的國際標準，因此解決基于不同 現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議的異構網(wǎng)絡之間的互連通信問題，成為當前自動化領 域重點研究方向之一。EPA (Ethernet for Plant Automation)是我國制定的一種工業(yè)實時以太網(wǎng) 標準，已經(jīng)被國際電工委員會列入國際標準IEC61158和IEC61784-2。已經(jīng)在化 工、制藥、電力等流程工業(yè)過程自動化領域和汽車制造等制造業(yè)自動化領域得到 應用。而HART (Highway Addressable Remote Transducer)是一種用于現(xiàn)場智 能儀表和控制室設備之間的現(xiàn)場總線通信協(xié)議，它產(chǎn)生于總線技術和智能儀表的 起步時期，帶有從模擬儀表和模擬信號系統(tǒng)向數(shù)字系統(tǒng)過渡的特征，是目前世界 上安裝節(jié)點數(shù)最多的較為成熟的現(xiàn)場總線技術，尤其是智能儀表的主流技術。在 HART協(xié)議通信中主要變量和控制信息采用傳統(tǒng)4-20mA電流傳遞技術，在需要的 情況下，另外的測量、過程參數(shù)、設備組態(tài)、校準、診斷信息通過HART協(xié)議進 行訪問。因此HART協(xié)議現(xiàn)場總線是僅用于工業(yè)現(xiàn)場設備層的低速現(xiàn)場總線技術， 在其上層肯定還要采用其他現(xiàn)場總線或工業(yè)以太網(wǎng)技術，才能構成完整的工業(yè)控 制網(wǎng)絡。而我國自行制定的EPA工業(yè)以太網(wǎng)標準，雖然可以延伸到現(xiàn)場設備層， 可以獨立構成一個完整的工業(yè)控制網(wǎng)絡，但如果不能兼容其他國際主流現(xiàn)場總線 技術，對其推廣應用極為不利。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明要解決的技術問題是如何實現(xiàn)EPA工業(yè)以太網(wǎng)與HART協(xié)議現(xiàn)場總線之間的互連通信，使EPA網(wǎng)絡能兼容目前應用最多的HART協(xié)議現(xiàn)場總線通信， 從而進一步推動EPA標準和技術的推廣應用。本發(fā)明采用的技術方案是 一種實現(xiàn)EPA工業(yè)以太網(wǎng)與HART現(xiàn)場總線互連 的方法，如下所述① EPA非周期報文與HART總線互連EPA以太網(wǎng)通信通道和EPA協(xié)議棧接收存儲來自EPA網(wǎng)絡的非周期報文， 并將其遞交給EPA/HART協(xié)議轉換模塊，EPA/HART協(xié)議轉換模塊對EPA非周 期報文進行解碼，組成符合HART協(xié)議的報文后，傳遞給HART主站協(xié)議棧， 發(fā)送到相應的HART通信通道；② EPA周期報文與HART總線互連EPA以太網(wǎng)通信通道和EPA協(xié)議棧接收存儲來自EPA網(wǎng)絡的周期報文， 并將控制輸出賦給對應的HART電流輸出通道；③ HART通信通道報文與EPA網(wǎng)絡互連HART通信通道和HART主站協(xié)議棧接收存儲來自HART通信通道的HART 報文，并將其遞交給EPA/HART協(xié)議轉換模塊,EPA/HART協(xié)議轉換模塊對HART 報文進行解碼，組成符合EPA協(xié)議的非周期報文后，傳遞給EPA協(xié)議棧，通 過EPA以太網(wǎng)通信通道發(fā)送到EPA網(wǎng)絡； HART電流輸入通道的模擬電流信號與EPA網(wǎng)絡互連HART電流輸入通道的模擬電流信號經(jīng)過A/D轉換傳遞給EPA協(xié)議棧，作 為EPA周期報文，通過EPA以太網(wǎng)通信通道發(fā)送到EPA網(wǎng)絡； EPA協(xié)議規(guī)定的其他通信事務與HART協(xié)議規(guī)定的其他通信事務互連EPA以太網(wǎng)通信通道和EPA協(xié)議棧接收存儲來自EPA網(wǎng)絡的EPA協(xié)議規(guī) 定的其他通信事務，HART通信通道和HART主站協(xié)議棧接收存儲來自HART 總線的HART協(xié)議規(guī)定的其他通信事務，兩者間通過EPA/HART協(xié)議轉換模塊 解碼后相互傳遞。一種用于實現(xiàn)EPA工業(yè)以太網(wǎng)與HART現(xiàn)場總線互連的智能網(wǎng)關，包括ARM 微處理器及存儲器、EPA以太網(wǎng)通訊模塊、HART模塊、電源電路和輔助電路，其 特征在于所述ARM微處理器及存儲器包括EPA協(xié)議棧、EPA/HART協(xié)議轉換模 塊和HART主站協(xié)議棧；所述EPA以太網(wǎng)通訊模塊和HART模塊分別與ARM微處理器及存儲器連接。所述EPA以太網(wǎng)通信模塊包括以太網(wǎng)控制器、以太網(wǎng)接口電路和以太網(wǎng)接口 。 所述HART模塊包括HART輸入模塊和HART輸出模塊。所述HART輸入模塊包括HART電流信號調(diào)理、A/D轉換、隔離電路、HART數(shù) 字信號調(diào)理、HART通信控制器。所述HART輸出模塊包括隔離電路、D/A轉換、HART電流信號調(diào)理、HART數(shù) 字信號調(diào)理、HART通信控制器。所述HART模塊可以有多個。所述輔助電路是復位電路和/或看門狗電路。本發(fā)明提供的智能網(wǎng)關及其實現(xiàn)EPA工業(yè)以太網(wǎng)和HART現(xiàn)場總線互連的方 法，具有以下優(yōu)點-① 使EPA控制系統(tǒng)能完全兼容符合HART協(xié)議的智能設備，實現(xiàn)EPA網(wǎng)絡和HART 現(xiàn)場總線的無縫互連；② EPA/HART智能網(wǎng)關將兩類HART信息轉換成兩類EPA報文，在充分保留所有 HART信息的同時，還很好的解決了兩種網(wǎng)絡協(xié)議在通信速率上的巨大差異帶來 的數(shù)據(jù)交換問題；③ 具有EPA控制系統(tǒng)的遠程I/0功能，可降低系統(tǒng)的硬件開銷，同時可節(jié)省電 纜和安裝費用； 具有極好的可互操作性、可擴展性和可維護性，智能網(wǎng)關無須任何更新就能支持智能HART設備的功能擴展和更新。


圖l是本發(fā)明的功能結構框圖；圖2是智能網(wǎng)關原理框圖；圖3是EPA/HART智能網(wǎng)關中的EPA協(xié)議棧與一個HART通道之間的協(xié)議轉換 過程示意圖；圖4是利用智能網(wǎng)關實現(xiàn)本發(fā)明所述EPA/HART互連方法的一種工業(yè)控制網(wǎng) 絡連接圖。
具體實施方式
如圖1所示，其中，EPA以太網(wǎng)通信通道1和EPA協(xié)議棧2，負責接收來自EPA網(wǎng)絡的非周期報文，并將其遞交給EPA/HART協(xié)議轉換模塊3進行下一步的 處理，同時負責將EPA/HART協(xié)議轉換模塊3遞交給它的報文作為EPA非周期報 文發(fā)送到EPA網(wǎng)絡；同時負責接收來自EPA網(wǎng)絡的周期報文，并將控制輸出賦給 對應的HART電流輸出通道，并將相關的HART電流輸入通道的主變量通過EPA 周期報文發(fā)送到EPA網(wǎng)絡。另外，EPA協(xié)議棧2和EPA以太網(wǎng)通信通道1還將負 責所有其他EPA協(xié)議規(guī)定的通信事務處理；其中，EPA/HART協(xié)議轉換模塊3，負責對EPA非周期報文進行解碼，并組 成符合HART協(xié)議的報文，交給HART主站協(xié)議棧4，發(fā)送到相應的HART通信通 道，同時負責將來自HART主站協(xié)議棧4和HART通信通道的HART報文進行編碼， 并組成符合EPA協(xié)議的非周期報文，遞交給EPA協(xié)議棧2，通過EPA以太網(wǎng)通信 通道l發(fā)送到EPA網(wǎng)絡；HART通道5/6有兩種類型，其中HART通道5由一個HART電流輸入通道和 一個HART通信通道組成，HART通道6由一個HART電流輸出通道和一個HART通 信通道組成。HART電流輸入或輸出通道負責采樣或輸出來自或去往HART設備的 模擬電流信號，HART電流信號是HART設備的主變量，用于控制目的，在EPA網(wǎng) 絡中對應周期通信；HART通信通道報文主要用于HART設備的次變量、參數(shù)設置、 校準和診斷等目的，在EPA網(wǎng)絡中對應非周期通信，并采用透明傳輸方式在EPA 網(wǎng)絡中的傳輸。另外，HART主站協(xié)議棧4與HART通信通道還將負責所有其他HART協(xié)議規(guī)定的通信事務處理。如圖2所示，一種EPA/HART智能網(wǎng)關，既是一個符合EPA協(xié)議的設備，又 是一個符合HART協(xié)議的主設備，同時還具有進行EPA和HART協(xié)議進行轉換的功 能。它包括ARM微處理器及存儲器7、 EPA以太網(wǎng)通信模塊8、若干個HART模塊 9/10、電源電路11和輔助電路12。 ARM微處理器及存儲器7，存儲并執(zhí)行包括 EPA協(xié)議棧、EPA/HART協(xié)議轉換模塊和HART主站協(xié)議棧等主要軟件功能模塊。 EPA以太網(wǎng)通信模塊8還包括以太網(wǎng)控制器、以太網(wǎng)接口電路和以太網(wǎng)接口。若 干個HART模塊可分為兩種類型， 一種是HART輸入模塊9，包括HART電流信號 調(diào)理、A/D轉換、隔離電路、HART數(shù)字信號調(diào)理、HART通信控制器；另一種是 HART輸出模塊IO，包括隔離電路、D/A轉換、HART電流信號調(diào)理、HART數(shù)字信 號調(diào)理、HART通信控制器。根據(jù)具體應用的情況不同，EPA/HART智能網(wǎng)關可以7述兩種類型HART模塊。如圖3所示，EPA以太網(wǎng)通信通道收到以太網(wǎng)報文后，遞交給EPA協(xié)議棧處 理，處理過程主要包括以太網(wǎng)報文—EPA報文—EPA應用層數(shù)據(jù)。EPA〃HART協(xié)議轉換模塊的主要功能是完成各個HART通道報文與EPA協(xié)議 棧之間的報文交換。EPA/HART協(xié)議轉換模塊對EPA應用層數(shù)據(jù)進行解碼，組成 符合HART應用層協(xié)議的報文，遞交給對應的HART主站協(xié)議棧處理，處理過程主 要包括HART應用層協(xié)議數(shù)據(jù)—數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)—物理層數(shù)據(jù)。反之亦然。圖4是利用智能網(wǎng)關實現(xiàn)本發(fā)明所述EPA/HART互連方法的一種工業(yè)控制網(wǎng) 絡連接圖。此工業(yè)控制網(wǎng)絡包括EPA網(wǎng)絡和HART現(xiàn)場總線網(wǎng)絡，其中EPA控制 系統(tǒng)的工程師站或操作員站15,運行HART應用程序(設備管理軟件)，該軟件 應具有HART設備管理的圖形和菜單界面，HART設備描述解釋器，EPA/HART協(xié)議 轉換模塊和EPA協(xié)議棧軟件模塊等。該軟件能根據(jù)HART設備的設備描述文件， 形成HART設備的命令集，并能根據(jù)操作員的操作將對應的HART命令交給 EPA/HART協(xié)議轉換模塊進行協(xié)議轉換處理，并通過EPA協(xié)議棧將封裝好的EPA 非周期報文傳輸?shù)綄腅PA/HART智能網(wǎng)關16，反之亦然。其中EPA控制器14能將控制輸出通過EPA周期數(shù)據(jù)報文發(fā)送到對應的 EPA/HART智能網(wǎng)關16，同時也能接收來自EPA/HART智能網(wǎng)關16的周期數(shù)據(jù)報 文，上述EPA周期數(shù)據(jù)報文必須符合EPA協(xié)議，并需要按照EPA控制系統(tǒng)的應用 要求進行必要的網(wǎng)絡組態(tài)。其中EPA/HART智能網(wǎng)關16既是一個完全符合EPA協(xié)議的智能EPA設備， 又是一個具有HART協(xié)議主站功能的HART主站設備，能同時處理HART模擬電流 信號和HART數(shù)字通信信號。具體處理方法已經(jīng)在上述發(fā)明內(nèi)容中有詳細說明。其中通過HART手操器13可以就地對HART智能設備17進行設備管理。
權利要求
1.一種EPA工業(yè)以太網(wǎng)與HART現(xiàn)場總線互連的方法，包括如下所述①EPA非周期報文與HART總線互連EPA以太網(wǎng)通信通道(1)和EPA協(xié)議棧(2)接收存儲來自EPA網(wǎng)絡的非周期報文，并將其遞交給EPA/HART協(xié)議轉換模塊(3)，所述EPA/HART協(xié)議轉換模塊(3)對EPA非周期報文進行解碼，組成符合HART協(xié)議的報文后，傳遞給HART主站協(xié)議棧(4)，發(fā)送到相應的HART通信通道；②EPA周期報文與HART總線互連EPA以太網(wǎng)通信通道(1)和EPA協(xié)議棧(2)接收存儲來自EPA網(wǎng)絡的周期報文，并將控制輸出賦給對應的HART電流輸出通道；③HART通信通道報文與EPA網(wǎng)絡互連HART通信通道和HART主站協(xié)議棧(4)接收存儲來自HART通信通道的HART報文，并將其遞交給EPA/HART協(xié)議轉換模塊(3)，EPA/HART協(xié)議轉換模塊(3)對HART報文進行解碼，組成符合EPA協(xié)議的非周期報文后，傳遞給EPA協(xié)議棧(2)，通過EPA以太網(wǎng)通信通道(1)發(fā)送到EPA網(wǎng)絡；④HART電流輸入通道的模擬電流信號與EPA網(wǎng)絡互連HART電流輸入通道的模擬電流信號經(jīng)過A/D轉換傳遞給EPA協(xié)議棧(2)，作為EPA周期報文，通過EPA以太網(wǎng)通信通道(1)發(fā)送到EPA網(wǎng)絡；⑤EPA協(xié)議規(guī)定的其他通信事務與HART協(xié)議規(guī)定的其他通信事務互連EPA以太網(wǎng)通信通道(1)和EPA協(xié)議棧(2)接收存儲來自EPA網(wǎng)絡的EPA協(xié)議規(guī)定的其他通信事務，HART通信通道和HART主站協(xié)議棧(4)接收存儲來自HART總線的HART協(xié)議規(guī)定的其他通信事務，兩者間通過EPA/HART協(xié)議轉換模塊(3)解碼后相互傳遞。
2. —種用于實現(xiàn)權利要求1所述EPA工業(yè)以太網(wǎng)與HART現(xiàn)場總線互連方法的智 能網(wǎng)關，包括ARM微處理器及存儲器(7)、 EPA以太網(wǎng)通訊模塊(8)、 HART模 塊(9)(10)、電源電路(11)和輔助電路(12),其特征在于所述ARM微處理器 及存儲器(7)包括EPA協(xié)議棧(2) 、 EPA/HART協(xié)議轉換模塊(3)和HART主站 協(xié)議棧(4);所述EPA以太網(wǎng)通訊模塊(8)和HART模塊(9) (10)分別與ARM微處理器及存儲器(7)連接。
3. 根據(jù)權利要求2所述的智能網(wǎng)關，其特征在于所述EPA以太網(wǎng)通信模塊(8)包括以太網(wǎng)控制器、以太網(wǎng)接口電路和以太網(wǎng)接口。
4. 根據(jù)權利要求2所述的智能阿關，其特征在于所述HART模塊(9)包括HART 電流信號調(diào)理、'A/D轉換、隔離電路、HART數(shù)字信號調(diào)理、HART通信控制器。
5. 根據(jù)權利要求2所述的智能網(wǎng)關，其特征在于所述HART模塊(10)包括隔離 電路、D/A轉換、HART電流信號調(diào)理、HART數(shù)字信號調(diào)理、HART通信控制器。
6. 根據(jù)權利要求2所述的智能網(wǎng)關，其特征在于所述HART模塊(9)(10)可以 有多個。
7. 根據(jù)權利要求2所述的智能網(wǎng)關，其特征在于所述輔助電路(12)是復位電 路和/或看門狗電路。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種通過智能網(wǎng)關在基于EPA協(xié)議的工業(yè)以太網(wǎng)絡和基于HART協(xié)議的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡的異構網(wǎng)絡之間實現(xiàn)互連通信的方法。智能網(wǎng)關包括ARM微處理器及存儲器、EPA以太網(wǎng)通訊模塊、HART模塊、電源電路和輔助電路，EPA以太網(wǎng)通訊模塊和HART模塊分別與ARM微處理器及存儲器連接，ARM微處理器及存儲器執(zhí)行存儲EPA協(xié)議棧、HART主站協(xié)議棧和EPA/HART協(xié)議轉換模塊等軟件模塊，EPA協(xié)議和HART協(xié)議通過EPA協(xié)議棧、HART主站協(xié)議棧和EPA/HART協(xié)議轉換模塊相互轉換互連。本發(fā)明可以使EPA控制系統(tǒng)能完全兼容符合HART協(xié)議的智能設備，實現(xiàn)EPA網(wǎng)絡和HART現(xiàn)場總線的無縫互連。
文檔編號H04L29/06GK101262473SQ200710173518
公開日2008年9月10日 申請日期2007年12月28日 優(yōu)先權日2007年12月28日
發(fā)明者包偉華, 張慶軍 申請人:上海自動化儀表股份有限公司