CN101262473B - 一种epa工业以太网与hart现场总线互连的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种通过智能网关在基于EPA协议的工业以太网络和基于HART协议的现场总线网络的异构网络之间实现互连通信的方法。智能网关包括ARM微处理器及存储器、EPA以太网通讯模块、HART模块、电源电路和辅助电路，EPA以太网通讯模块和HART模块分别与ARM微处理器及存储器连接，ARM微处理器及存储器执行存储EPA协议栈、HART主站协议栈和EPA/HART协议转换模块等软件模块，EPA协议和HART协议通过EPA协议栈、HART主站协议栈和EPA/HART协议转换模块相互转换互连。本发明可以使EPA控制系统能完全兼容符合HART协议的智能设备，实现EPA网络和HART现场总线的无缝互连。

Description

一种EPA工业以太网与HART现场总线互连的方法 

技术领域

本发明涉及工业以太网和现场总线通信领域，尤其涉及通过一种智能网关在基于EPA协议的工业以太网络和基于HART协议的现场总线网络的异构网络之间实现互连通信的方法。 

背景技术

当前工业控制网络技术的主流是各种现场总线和工业以太网技术，由于现场总线和工业以太网国际标准IEC61158和IEC61784-2是多种通信协议并存的局面，而且将在很长一段时间内都不可能形成统一的国际标准，因此解决基于不同现场总线和工业以太网协议的异构网络之间的互连通信问题，成为当前自动化领域重点研究方向之一。 

EPA(Ethernet for Plant Automation)是我国制定的一种工业实时以太网标准，已经被国际电工委员会列入国际标准IEC61158和IEC61784-2。已经在化工、制药、电力等流程工业过程自动化领域和汽车制造等制造业自动化领域得到应用。而HART(Highway Addressable Remote Transducer)是一种用于现场智能仪表和控制室设备之间的现场总线通信协议，它产生于总线技术和智能仪表的起步时期，带有从模拟仪表和模拟信号系统向数字系统过渡的特征，是目前世界上安装节点数最多的较为成熟的现场总线技术，尤其是智能仪表的主流技术。在HART协议通信中主要变量和控制信息采用传统4-20mA电流传递技术，在需要的情况下，另外的测量、过程参数、设备组态、校准、诊断信息通过HART协议进行访问。因此HART协议现场总线是仅用于工业现场设备层的低速现场总线技术，在其上层肯定还要采用其他现场总线或工业以太网技术，才能构成完整的工业控制网络。而我国自行制定的EPA工业以太网标准，虽然可以延伸到现场设备层，可以独立构成一个完整的工业控制网络，但如果不能兼容其他国际主流现场总线技术，对其推广应用极为不利。 

发明内容

本发明要解决的技术问题是如何实现EPA工业以太网与HART协议现场总线 之间的互连通信，使EPA网络能兼容目前应用最多的HART协议现场总线通信，从而进一步推动EPA标准和技术的推广应用。 

本发明采用的技术方案是：一种实现EPA工业以太网与HART现场总线互连的方法，如下所述： 

①EPA非周期报文与HART总线互连： 

EPA以太网通信通道和EPA协议栈接收存储来自EPA网络的非周期报文，并将其递交给EPA/HART协议转换模块，EPA/HART协议转换模块对EPA非周期报文进行解码，组成符合HART协议的报文后，传递给HART主站协议栈，发送到相应的HART通信通道； 

②EPA周期报文与HART总线互连： 

EPA以太网通信通道和EPA协议栈接收存储来自EPA网络的周期报文，并将控制输出赋给对应的HART电流输出通道； 

③HART通信通道报文与EPA网络互连： 

HART通信通道和HART主站协议栈接收存储来自HART通信通道的HART报文，并将其递交给EPA/HART协议转换模块，EPA/HART协议转换模块对HART报文进行解码，组成符合EPA协议的非周期报文后，传递给EPA协议栈，通过EPA以太网通信通道发送到EPA网络； 

④HART电流输入通道的模拟电流信号与EPA网络互连： 

HART电流输入通道的模拟电流信号经过A/D转换传递给EPA协议栈，作为EPA周期报文，通过EPA以太网通信通道发送到EPA网络； 

⑤EPA协议规定的其他通信事务与HART协议规定的其他通信事务互连： 

EPA以太网通信通道和EPA协议栈接收存储来自EPA网络的EPA协议规定的其他通信事务，HART通信通道和HART主站协议栈接收存储来自HART总线的HART协议规定的其他通信事务，两者间通过EPA/HART协议转换模块解码后相互传递。 

一种用于实现EPA工业以太网与HART现场总线互连的智能网关，包括ARM微处理器及存储器、EPA以太网通讯模块、HART模块、电源电路和辅助电路，其特征在于：所述ARM微处理器及存储器包括EPA协议栈、EPA/HART协议转换模块和HART主站协议栈；所述EPA以太网通讯模块和HART模块分别与ARM微处理 器及存储器连接。 

所述EPA以太网通信模块包括以太网控制器、以太网接口电路和以太网接口。 

所述HART模块包括HART输入模块和HART输出模块。 

所述HART输入模块包括HART电流信号调理、A/D转换、隔离电路、HART数字信号调理、HART通信控制器。 

所述HART输出模块包括隔离电路、D/A转换、HART电流信号调理、HART数字信号调理、HART通信控制器。 

所述HART模块可以有多个。 

所述辅助电路是复位电路和/或看门狗电路。 

本发明提供的智能网关及其实现EPA工业以太网和HART现场总线互连的方法，具有以下优点： 

①使EPA控制系统能完全兼容符合HART协议的智能设备，实现EPA网络和HART现场总线的无缝互连； 

②EPA/HART智能网关将两类HART信息转换成两类EPA报文，在充分保留所有HART信息的同时，还很好的解决了两种网络协议在通信速率上的巨大差异带来的数据交换问题； 

③具有EPA控制系统的远程I/O功能，可降低系统的硬件开销，同时可节省电缆和安装费用； 

④具有极好的可互操作性、可扩展性和可维护性，智能网关无须任何更新就能支持智能HART设备的功能扩展和更新。 

附图说明

图1是本发明的功能结构框图； 

图2是智能网关原理框图； 

图3是EPA/HART智能网关中的EPA协议栈与一个HART通道之间的协议转换过程示意图； 

图4是利用智能网关实现本发明所述EPA/HART互连方法的一种工业控制网络连接图。 

具体实施方式

如图1所示，其中，EPA以太网通信通道1和EPA协议栈2，负责接收来自 EPA网络的非周期报文，并将其递交给EPA/HART协议转换模块3进行下一步的处理，同时负责将EPA/HART协议转换模块3递交给它的报文作为EPA非周期报文发送到EPA网络；同时负责接收来自EPA网络的周期报文，并将控制输出赋给对应的HART电流输出通道，并将相关的HART电流输入通道的主变量通过EPA周期报文发送到EPA网络。另外，EPA协议栈2和EPA以太网通信通道1还将负责所有其他EPA协议规定的通信事务处理； 

其中，EPA/HART协议转换模块3，负责对EPA非周期报文进行解码，并组成符合HART协议的报文，交给HART主站协议栈4，发送到相应的HART通信通道，同时负责将来自HART主站协议栈4和HART通信通道的HART报文进行编码，并组成符合EPA协议的非周期报文，递交给EPA协议栈2，通过EPA以太网通信通道1发送到EPA网络； 

HART通道5/6有两种类型，其中HART通道5由一个HART电流输入通道和一个HART通信通道组成，HART通道6由一个HART电流输出通道和一个HART通信通道组成。HART电流输入或输出通道负责采样或输出来自或去往HART设备的模拟电流信号，HART电流信号是HART设备的主变量，用于控制目的，在EPA网络中对应周期通信；HART通信通道报文主要用于HART设备的次变量、参数设置、校准和诊断等目的，在EPA网络中对应非周期通信，并采用透明传输方式在EPA网络中的传输。另外，HART主站协议栈4与HART通信通道还将负责所有其他HART协议规定的通信事务处理。 

如图2所示，一种EPA/HART智能网关，既是一个符合EPA协议的设备，又是一个符合HART协议的主设备，同时还具有进行EPA和HART协议进行转换的功能。它包括ARM微处理器及存储器7、EPA以太网通信模块8、若干个HART模块9/10、电源电路11和辅助电路12。ARM微处理器及存储器7，存储并执行包括EPA协议栈、EPA/HART协议转换模块和HART主站协议栈等主要软件功能模块。EPA以太网通信模块8还包括以太网控制器、以太网接口电路和以太网接口。若干个HART模块可分为两种类型，一种是输入，HART模块9包括HART电流信号调理、A/D转换、隔离电路、HART数字信号调理、HART通信控制器；另一种是输出，HART模块10包括隔离电路、D/A转换、HART电流信号调理、HART数字信号调理、HART通信控制器。根据具体应用的情况不同，EPA/HART智能网关可以 包含数量不等的上述两种类型HART模块。 

如图3所示，EPA以太网通信通道收到以太网报文后，递交给EPA协议栈处理，处理过程主要包括：以太网报文→EPA报文→EPA应用层数据。 

EPA//HART协议转换模块的主要功能是完成各个HART通道报文与EPA协议栈之间的报文交换。EPA/HART协议转换模块对EPA应用层数据进行解码，组成符合HART应用层协议的报文，递交给对应的HART主站协议栈处理，处理过程主要包括：HART应用层协议数据→数据链路层数据→物理层数据。反之亦然。 

图4是利用智能网关实现本发明所述EPA/HART互连方法的一种工业控制网络连接图。此工业控制网络包括EPA网络和HART现场总线网络，其中EPA控制系统的工程师站或操作员站15，运行HART应用程序(设备管理软件)，该软件应具有HART设备管理的图形和菜单界面，HART设备描述解释器，EPA/HART协议转换模块和EPA协议栈软件模块等。该软件能根据HART设备的设备描述文件，形成HART设备的命令集，并能根据操作员的操作将对应的HART命令交给EPA/HART协议转换模块进行协议转换处理，并通过EPA协议栈将封装好的EPA非周期报文传输到对应的EPA/HART智能网关16，反之亦然。 

其中EPA控制器14能将控制输出通过EPA周期数据报文发送到对应的EPA/HART智能网关16，同时也能接收来自EPA/HART智能网关16的周期数据报文，上述EPA周期数据报文必须符合EPA协议，并需要按照EPA控制系统的应用要求进行必要的网络组态。 

其中EPA/HART智能网关16既是一个完全符合EPA协议的智能EPA设备，又是一个具有HART协议主站功能的HART主站设备，能同时处理HART模拟电流信号和HART数字通信信号。具体处理方法已经在上述发明内容中有详细说明。 

其中通过HART手操器13可以就地对HART智能设备17进行设备管理。 

Claims (7)

1.一种EPA工业以太网与HART现场总线互连的方法，包括如下步骤：

①EPA非周期报文与HART总线互连：

EPA以太网通信通道(1)和EPA协议栈(2)接收存储来自EPA网络的非周期报文，并将其递交给EPA/HART协议转换模块(3)，所述EPA/HART协议转换模块(3)对EPA非周期报文进行解码，组成符合HART协议的报文后，传递给HART主站协议栈(4)，发送到相应的HART通信通道；

②EPA周期报文与HART总线互连：

EPA以太网通信通道(1)和EPA协议栈(2)接收存储来自EPA网络的周期报文，并将控制输出赋给对应的HART电流输出通道；

③HART通信通道报文与EPA网络互连：

HART通信通道和HART主站协议栈(4)接收存储来自HART通信通道的HART报文，并将其递交给EPA/HART协议转换模块(3)，EPA/HART协议转换模块(3)对HART报文进行解码，组成符合EPA协议的非周期报文后，传递给EPA协议栈(2)，通过EPA以太网通信通道(1)发送到EPA网络；

④HART电流输入通道的模拟电流信号与EPA网络互连：

HART电流输入通道的模拟电流信号经过A/D转换传递给EPA协议栈(2)，作为EPA周期报文，通过EPA以太网通信通道(1)发送到EPA网络；

⑤EPA协议规定的其他通信事务与HART协议规定的其他通信事务互连：

EPA以太网通信通道(1)和EPA协议栈(2)接收存储来自EPA网络的EPA协议规定的其他通信事务，HART通信通道和HART主站协议栈(4)接收存储来自HART总线的HART协议规定的其他通信事务，EPA协议规定的其他通信事务与HART协议规定的其他通信事务之间通过EPA/HART协议转换模块(3)解码后相互传递。

2.一种用于实现权利要求1所述EPA工业以太网与HART现场总线互连方法的智能网关，包括ARM微处理器及存储器(7)、EPA以太网通讯模块(8)、HART输入模块(9)、HART输出模块(10)、电源电路(11)和辅助电路(12)，其特征在于：所述ARM微处理器及存储器(7)包括EPA协议栈(2)、EPA/HART协议转换模块(3)和HART主站协议栈(4)；所述EPA以太网通讯模块(8)和HART输入模块(9)HART输出模块(10)分别与ARM微处理器及存储器(7)连接。

3.根据权利要求2所述的智能网关，其特征在于：所述EPA以太网通信模块(8)包括以太网控制器、以太网接口电路和以太网接口。

4.根据权利要求2所述的智能网关，其特征在于：所述HART输入模块(9)包括HART电流信号调理、A/D转换、隔离电路、HART数字信号调理、HART通信控制器。

5.根据权利要求2所述的智能网关，其特征在于：所述HART输出模块(10)包括隔离电路、D/A转换、HART电流信号调理、HART数字信号调理、HART通信控制器。

6.根据权利要求2所述的智能网关，其特征在于：所述HART输入模块(9)和HART输出模块(10)有多个。

7.根据权利要求2所述的智能网关，其特征在于：所述辅助电路(12)是复位电路和/或看门狗电路。

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