CN106407139A - 用于传输hart变量的方法和外围组件及cpu单元 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于传输HART变量的方法和外围组件及CPU单元。用于连接HART现场设备的外围组件在其地址空间的输入区域中提供用于由CPU单元循环读取的不同的HART变量并且持续更新该HART变量。为了以简单的方式或者以简单的手段实现所有能潜在提供的HART变量的传输，在地址空间的输入区域和输出区域中设置有用于传输单独的HART变量的通信区域(14)，其中，CPU单元在通信区域(14)的输出区域中写入详细说明当前待读取的HART变量的指令，并且外围组件在通信区域(14)的输入区域中一直提供并更新详细说明的HART变量，直至CPU单元在输出区域中写入新的、详细说明另外的待读取的HART变量的指令为止。

Description

用于传输HART变量的方法和外围组件及CPU单元

技术领域

本发明涉及一种用于传输HART变量的方法。

本发明还涉及一种用于传输HART变量的外围组件。

本发明此外涉及一种用于从该外围组件读取HART变量的CPU单元。

背景技术

过程控制系统用于将在技术设施中的过程自动化。自动化的过程可以例如是方法技术的或者制造技术的过程，或者用于产生或者分配电能的过程。

例如像西门子公司的PCS7的过程控制系统通常在架构上通过多个层级构建。在现场层级上，借助现场设备来检测技术过程的状态(传感器)或者有针对性地影响该过程(执行器)。在控制层级中，CPU单元作为存储器能编程的控制器的组成部分，尽可能实时地执行现场附近的控制和调节功能并因此能计算地执行，其中，其接收来自例如是压力测量转换器的传感器的信号，并且将命令输出给例如是用于调节阀的位置调节器的执行器。在过程控制层级中，在主计算机中执行上级的控制和调节，其中由一个或者多个操作站构成的操作者系统实现了通过设施的操作人员对过程的操作和监控。

在现场设备和CPU单元之间的数据交换通常通过数字现场总线实现，例如PROFIBUS DP(过程现场总线DP)或者PROFINET(过程现场网络)。因为现场设备通常本身不具有相应的现场总线接口，因此其通过分散的外围站连接至数字现场总线。外围站由一个用于连接至数字现场总线的接口模块(主体组件)和多个用于连接至现场设备的外围组件(数字的和模拟的输入和输出组件)构成。每个外围组件都具有一个或者多个通道，其中现场设备能够相应地连接至每个通道。用于现场设备的远程扩展的通信协议是HART(高速可寻址远程传感器)，其中，例如是压力测量值的主过程值作为模拟的4-20mA的电流信号传输，另外的数据(所谓的HART变量，例如压力传感器的温度)能够通过频移键控(FSK)调制并且数字地传输。在该种情况中，外围组件例如将来自过程的4-20mA的测量信号转换为对于CPU单元来说合适的数字数据格式，或者将数字的输出值转换为用于过程的模拟的调节信号。

为了实施现场附近的控制和调节功能，在CPU单元中循环地处理自动化程序。当在此处理来自过程的数据时，该程序通常对输入端的过程映像进行访问，在该过程映像中，在循环的开始时单次地读入或者存储输入组件的所有数据。在处理程序时，将结果写入到输出端的过程映像中，并且从该处在程序处理之后传输到输出组件中。每个外围组件都相应地具有带有用于其输入和输出数据的输入区域和/或输出区域的地址空间(有效数据区域)，其中，在输入区域中提供的输入数据由外围组件持续地更新。地址空间的大小是受限的。

HART现场设备除了能够提供数字化的4-20mA的主处理值之外，还能提供直至四个HART变量。每个HART变量由4字节值和1字节质量码构成，也就是为5字节。通道颗粒式地(kanalgranular)实现的HART外围组件例如实现了16个HART现场设备的连接，从而HART外围组件在运行中必须持久地提供直至具有320字节的64个HART变量，以便通过对应的CPU单元进行评估。为此使用16个模拟主过程值，其分别以2个字节表示并且因此还需要32个字节。与此相对，在每个外围组件中用于全部的过程处理的地址空间通常仅仅具有16或者32个字节，这强烈限制了能投射(能映射)到外围组件的地址空间中的HART变量的数量。在过程控制系统中常常必要的是，实现对所有由其提供的HART变量的访问。参数转换、也就是映射规则的修改在CPU单元的运行时间期间是不允许的并且通常是不希望的，因为这会导致设施的停车。同样不希望的是，HART变量通过用于外围组件的过程控制的所谓的数据组(更大的关联的数据包)读出，因为这种非同步的传输服务在时间上是不能计算的并且通常不能同时响应多个外围组件。因此，使用者必须之前确定，其为了其自动化解决方案在外围组件的地址空间中需要哪些HART变量。

基本上，所描述的问题通过扩展外围组件的地址范围来解决。然而在接口模块和CPU单元之间的循环实现的数据交换中产生了另外的限制。因此，例如PROFINET电文可以传输直至1440字节的过程数据。但是与此相对，例如在56个HART外围组件中，在具有相应16个通道的外围站中产生56×16×4×5＝17920字节的待传输的HART变量。

发明内容

因此，本发明的目的在于以简单的方式或者以简单的手段实现所有能潜在地提供的HART变量的传输。

根据本发明，该目的通过在本发明中给出的方法和在本发明中给出的外围组件实现。

因此本发明的主题是一种用于从用于连接HART现场设备的外围组件中将不同的HART变量传输到存储器能编程的控制器的CPU单元中的方法，其中，外围组件具有带有输入区域和输出区域的地址空间，并且在输入区域中提供由外围组件持续地更新并且由CPU单元循环地读取的HART变量，其特征在于，在地址空间的输入区域和输出区域中设置有用于传输单独的HART变量的通信区域，其中，CPU单元在通信区域的输出区域中写入对当前待读取的HART变量进行详细说明的指令，并且外围组件在通信区域的输入区域中一直提供并更新详细说明的HART变量，直至CPU单元在输出区域中写入新的、对另外的待读取的HART变量进行详细说明的指令为止。

此外，本发明的主题是一种用于连接HART现场设备和用于将不同的HART变量传输到存储器能编程的控制器的CPU单元中的外围组件，其中，外围组件具有带有输入区域和输出区域的地址空间，并且设计用于，在地址空间的输入区域中为了由CPU单元循环地读取而提供并持续地更新HART变量，其特征在于，在地址空间的输入区域和输出区域中设置有用于传输单独的HART变量的通信区域，并且外围组件还设计用于，在通信区域的输出区域中接收CPU单元的对当前待读取的HART变量进行详细说明的指令，并且在通信区域的输入区域中一直提供并更新相应的详细说明的HART变量，直至外围组件在输出区域中接收到新的、对另外的待读取的HART变量进行详细说明的指令为止。

指令包括待读取的HART变量的标识(变量ID)，并在外围组件的多通道的设计方案中也包括供应HART变量的通道的标识(通道号)。

优选地，在通信区域的输入区域中与对应于指令的应答一起提供相应的由CPU单元待读取的HART变量，从而CPU单元能够确定读取的HART变量的正确性。

当CPU单元以新的指令来请求新的HART变量时，当前的应答在外围组件的通信区域的输入区域中转换为一个值，该值一直将当前提供的HART变量标识为无效，直至提供具有配属的应答的新的变量为止。

因为提供的HART变量(4字节的值和1字节的质量码)和应答(1字节)总共仅需6个字节，根据外围组件的地址区域的大小而定，还可以实现两个或者多个通信区域，并且因此同时提供不同的HART变量，其彼此不相关地通过指令在输出区域中进行详细说明。不同的同时提供的HART变量循环地共同在电文中传输给CPU单元。

通过本发明实现了对外围组件的所有HART变量的访问，其并不取决于外围组件的参数化。也就是说，使用者不再强制性地通过参数化来确定，其为了其自动化解决方案需要哪些HART变量。经由外围组件的地址空间，一如既往地提供相应的当前输入端和输出端的过程映像。

像到目前为止那样，在CPU单元中，外围连接优选地通过通道模块(驱动器)概括得出。在此，在本发明的框架中通道模块以有利的方式代表预设的数量的、优选为8个HART变量，其作为输入参数给出。通道模块通过如下方式顺序地处理所有作为输入参数给出的HART变量，即该通道模块从外围组件的至少一个通信区域中分别读取相应的HART变量的当前值并且提供到输出端处。该输出端一直保持直至下一次读取为止。

优选地，通道模块能够级联地实施。在此，每个模块都具有所谓的释放输入端(EN)和释放输出端(ENO)。通过EN和ENO，多个模块可以彼此连接，从而当之前的模块无错误地工作时能够仅仅处理后接的模块。

附图说明

为了进一步说明本发明，接下来参考附图中的图。其示出：

图1示出具有外围组件的过程控制系统的结构图，

图2示出用于占用外围组件中的地址空间的实例，以及

图3示出用于能够级联的通道模块的实例。

具体实施方式

图1在示意性的框图中示出了过程控制系统的结构图，该过程控制系统具有在过程控制层级2中的操作站1、在控制层级4中的存储器能编程的控制器(SPS)3和现场设备5，该现场设备在现场层级6上检测技术过程的状态(传感器)或者有针对性地影响过程(执行器)。操作站1和存储器能编程的控制器3通过设备总线7(例如以太网)彼此连接。存储器能编程的控制器3除了另外的组件外还具有CPU单元8，其对控制或者应用程序进行处理，并且在此对通过数字现场总线9(例如PROFIBUS DP)获得的、传感器的输入数据进行处理并且产生用于执行器的输出数据。现场设备5通过分散的外围站10连接至数字现场总线9。外围站10由用于连接至数字现场总线9的接口模块(主体组件)11和多个外围组件12a，12b，12c构成。如例如外围组件中的一个12b所示，其相应地具有多个、在此例如四个通道，在这些通道上分别能够连接不同的现场设备5中的一个。在示出的实例中涉及HART现场设备和HART外围组件。在CPU单元8中，外围连接优选地通过一个或者多个通道模块(驱动器)13概括得出。

图2示例性地示出了例如是12b的外围组件的地址空间(有效数据区域)，其具有输入区域和输出区域。在输入区域中提供用于CPU单元8的输入数据。CPU单元8的输出数据被写入到输出区域中。

输入区域的第一组8字节由4-20mA的主过程值(输入值)占用，其由现场设备5通过四个通道获得并且持续地更新。

此外，在地址空间的输入和输出区域中确定了用于传输单独的HART变量的通信区域14。在此，在通信区域14的输入区域中提供的HART变量占用6个字节，其中4字节用于HART变量的值，1字节为质量码并且1字节为应答。该应答包含例如在第一组4比特中的、待读取的HART变量的标识和例如在剩余的4比特中的、外围组件12b的供应HART变量的通道的通道号。应答以有意义的方式对应于指令，该指令由CPU单元8写入到通信区域14的输出区域中，以便对在输入区域中提供的HART变量进行详细说明和请求。在通信区域14的输入区域中提供的HART变量(也就是其值)持续地由外围组件12b更新，并且与标识其的应答一起循环地由CPU单元8读取，其中，其与另外的HART变量一起由另外的外围组件12a，12c，或者如还要描述的那样由相同的外围组件12b在电文中通过数字现场总线9传输。CPU单元8读出与所属的应答一起的HART变量的值。应答通过在CPU中、例如在通道模块中13中的评估程序来评估，从而其识别出，提供的HART变量是否对应于请求的HART变量。

当在通信区域14的输出区域中写入新的指令时，外围组件12b在输入区域中将通过之前的指令详细说明的、提供的HART的变量的应答改变为预定的值，其将还要提供的HART变量一直标识为无效，直至其通过具有所属的应答的新的HART变量代替为止。新的HART变量的值持续地由外围组件12b更新并且循环地由CPU单元8读取，直至其通过新的指令而请求提供新的HART变量为止。

在外围组件12b中，如也在另外的外围组件12a，12c中那样，能够由连接至通道#1至#4的现场设备5中的每一个分别提供直至四个不同的HART变量(第一变量(PV)，第二变量(SV)，第三变量(TV)，第四变量(QV))。在示出的实例中，当前在通信区域14中提供来自通道#1的第二变量(SV)。

在示出的实施例中，在外围组件12b的地址空间的输入区域和输出区域中确定用于传输另外的HART变量的另外的通信区域15，从而并行或者同时地提供两个彼此不相关地通过指令详细说明的HART变量。在示出的实例中，该当前已经描述的第二变量(SV)来自通道#1，并且第四变量(QV)来自通道#3。通过两个通信区域14，15能够彼此不相关地读出外围组件12b的所有HART变量，其中分别同时读出两个HART变量。

为在数字现场总线9上传输而设置的电文的长度仅仅限制了HART变量的数量，其能够从所有外围组件12a，12b，12c中同时读取。

图3示出了用于在CPU单元8中的至少一个能级联的通道模块13的实例。通道模块13代表八个不同的HART变量，其作为输入参数给出。通道模块13在其八个输入端16处通过如下方式顺序地处理作为输入参数给出的HART变量，即该通道模块从相关的外围组件12a，12b，12c的通信区域14或15中分别读取相应的HART变量的当前值并且提供至输出端17处。输出端17一直保留直至下一次读取为止。

通道模块13的处理可以通过释放输入端EN连接至释放信号。模块13然后仅当该信号具有值“1”时进行处理。在调出模块13后，在释放输出端ENO处提供信号“1”。在错误的处理的情况中，相反将信号“0”提供至释放输出端ENO。这然后例如是如下情况，通道模块13在评估读取的HART变量的应答时识别出，其并不对应于请求的HART变量。因此，通过释放输入端EN和释放输出端ENO能够级联多个模块，从而当之前的模块无错误地工作时能够仅仅处理后接的模块。

Claims (12)

1.一种用于从用于连接HART现场设备(5)的外围组件(12a，12b，12c)中将不同的HART变量传输到存储器能编程的控制器(3)的CPU单元(8)中的方法，其中，所述外围组件(12a，12b，12c)具有带有输入区域和输出区域的地址空间，并且在所述输入区域中提供由所述外围组件(12a，12b，12c)持续地更新并且由所述CPU单元(8)循环地读取的HART变量，其特征在于，在所述地址空间的所述输入区域和所述输出区域中设置有用于传输单独的HART变量的通信区域(14)，其中，所述CPU单元(8)在所述通信区域(14)的所述输出区域中写入对当前待读取的HART变量进行详细说明的指令，并且所述外围组件(12a，12b，12c)在所述通信区域(14)的所述输入区域中一直提供并更新详细说明的HART变量，直至所述CPU单元(8)在所述输出区域中写入新的、对另外的待读取的HART变量进行详细说明的指令为止。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在用于连接多个所述HART现场设备(5)的所述外围组件(12a，12b，12c)的多通道设计方案中，相应待读取的HART变量的详细说明也给出供应待读取的HART变量的通道。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在所述输入区域中与对应于指令的应答一起提供相应待读取的HART变量。

4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在所述外围组件(12a，12b，12c)的所述地址空间的所述输入区域和所述输出区域中，设置有用于传输另外的HART变量的至少一个另外的通信区域(15)，从而至少在所述通信区域(14)和所述另外的通信区域(15)中彼此不相关地并行地提供通过指令详细说明的HART变量。

5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，待读取的HART变量由所述CPU单元(8)通过至少一个通道模块(13)的输入端(16)读取并且提供到输出端(17)处，其中，所述通道模块(13)通过如下方式代表预设的数量的作为输入参数给出并顺序地处理的、不同的HART变量，即相应的HART变量的当前值分别由相关的所述外围组件(12a，12b，12c)的所述通信区域(14)或所述另外的通信区域(15)读取并且提供到所述输出端(17)处直至下一次读取为止。

6.一种用于连接HART现场设备(5)并用于将不同的HART变量传输到存储器能编程的控制器(3)的CPU单元(8)中的外围组件(12a，12b，12c)，其中，所述外围组件(12a，12b，12c)具有带有输入区域和输出区域的地址空间，并且设计用于，在所述地址空间的所述输入区域中为了由所述CPU单元(8)循环地读取而提供并持续地更新HART变量，其特征在于，在所述地址空间的所述输入区域和所述输出区域中设置有用于传输单独的HART变量的通信区域(14)，并且所述外围组件(12a，12b，12c)还设计用于，在所述通信区域(14)的所述输出区域中接收所述CPU单元(8)的对当前待读取的HART变量进行详细说明的指令，并且在所述通信区域(14)的所述输入区域中一直提供并更新相应详细说明的HART变量，直至所述外围组件在所述输出区域中接收到新的、对另外的待读取的HART变量进行详细说明的指令为止。

7.根据权利要求6所述的外围组件(12a，12b，12c)，其特征在于，所述外围组件具有用于连接多个所述HART现场设备(5)的多个通道，并且相应待读取的HART变量的详细说明也给出供应待读取的HART变量的通道。

8.根据权利要求6或7所述的外围组件(12a，12b，12c)，其特征在于，所述外围组件设计用于，在所述输入区域中与对应于指令的应答一起提供相应待读取的HART变量。

9.根据权利要求6至8中任一项所述的外围组件(12a，12b，12c)，其特征在于，在所述外围组件的所述地址空间的所述输入区域和所述输出区域中，设置有用于传输另外的HART变量的至少一个另外的通信区域(15)，从而至少在所述通信区域(14)和所述另外的通信区域(15)中彼此不相关地并行地提供通过指令详细说明的HART变量。

10.一种存储器能编程的控制器(3)的CPU单元(8)，所述CPU单元设计用于读取根据权利要求6至8中任一项所述的外围组件的HART变量，并且包含至少一个通道模块(13)，所述通道模块通过如下方式代表预设的数量的能预设为输入参数并且由所述通道模块(13)顺序地处理的、不同的HART变量并且具有相应的数量的输入端(16)和输出端(17)，即相应的HART变量的当前值分别由相关的所述外围组件(12a，12b，12c)的所述通信区域(14)或所述另外的通信区域(15)读取，并且提供到所述输出端(17)处直至下一次读取为止。

11.根据权利要求10所述的CPU单元(8)，其特征在于，所述通道模块(13)具有八个所述输入端(16)和八个所述输出端(17)。

12.根据权利要求10或11所述的CPU单元(8)，其特征在于，所述通道模块(13)具有释放输入端(EN)和释放输出端(ENO)，所述通道模块能够经由所述释放输入端和所述释放输出端与另外的模块级联。