專利名稱：一種epa工業以太網與hart現場總線互連的方法
技術領域：
本發明涉及工業以太網和現場總線通信領域，尤其涉及通過一種智能網關在 基于EPA協議的工業以太網絡和基于HART協議的現場總線網絡的異構網絡之間 實現互連通信的方法。
技術背景當前工業控制網絡技術的主流是各種現場總線和工業以太網技術，由于現場 總線和工業以太網國際標準IEC61158和IEC61784-2是多種通信協議并存的局 面，而且將在很長一段時間內都不可能形成統一的國際標準，因此解決基于不同 現場總線和工業以太網協議的異構網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實時以太網 標準，已經被國際電工委員會列入國際標準IEC61158和IEC61784-2。已經在化 工、制藥、電力等流程工業過程自動化領域和汽車制造等制造業自動化領域得到 應用。而HART (Highway Addressable Remote Transducer)是一種用于現場智 能儀表和控制室設備之間的現場總線通信協議，它產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向數字系統過渡的特征，是目前世界 上安裝節點數最多的較為成熟的現場總線技術，尤其是智能儀表的主流技術。在 HART協議通信中主要變量和控制信息采用傳統4-20mA電流傳遞技術，在需要的 情況下，另外的測量、過程參數、設備組態、校準、診斷信息通過HART協議進 行訪問。因此HART協議現場總線是僅用于工業現場設備層的低速現場總線技術， 在其上層肯定還要采用其他現場總線或工業以太網技術，才能構成完整的工業控 制網絡。而我國自行制定的EPA工業以太網標準，雖然可以延伸到現場設備層， 可以獨立構成一個完整的工業控制網絡，但如果不能兼容其他國際主流現場總線 技術，對其推廣應用極為不利。 發明內容本發明要解決的技術問題是如何實現EPA工業以太網與HART協議現場總線之間的互連通信，使EPA網絡能兼容目前應用最多的HART協議現場總線通信， 從而進一步推動EPA標準和技術的推廣應用。本發明采用的技術方案是 一種實現EPA工業以太網與HART現場總線互連 的方法，如下所述① EPA非周期報文與HART總線互連EPA以太網通信通道和EPA協議棧接收存儲來自EPA網絡的非周期報文， 并將其遞交給EPA/HART協議轉換模塊，EPA/HART協議轉換模塊對EPA非周 期報文進行解碼，組成符合HART協議的報文后，傳遞給HART主站協議棧， 發送到相應的HART通信通道；② EPA周期報文與HART總線互連EPA以太網通信通道和EPA協議棧接收存儲來自EPA網絡的周期報文， 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網絡互連HART通信通道和HART主站協議棧接收存儲來自HART通信通道的HART 報文，并將其遞交給EPA/HART協議轉換模塊,EPA/HART協議轉換模塊對HART 報文進行解碼，組成符合EPA協議的非周期報文后，傳遞給EPA協議棧，通 過EPA以太網通信通道發送到EPA網絡； HART電流輸入通道的模擬電流信號與EPA網絡互連HART電流輸入通道的模擬電流信號經過A/D轉換傳遞給EPA協議棧，作 為EPA周期報文，通過EPA以太網通信通道發送到EPA網絡； EPA協議規定的其他通信事務與HART協議規定的其他通信事務互連EPA以太網通信通道和EPA協議棧接收存儲來自EPA網絡的EPA協議規 定的其他通信事務，HART通信通道和HART主站協議棧接收存儲來自HART 總線的HART協議規定的其他通信事務，兩者間通過EPA/HART協議轉換模塊 解碼后相互傳遞。一種用于實現EPA工業以太網與HART現場總線互連的智能網關，包括ARM 微處理器及存儲器、EPA以太網通訊模塊、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協議棧、EPA/HART協議轉換模 塊和HART主站協議棧；所述EPA以太網通訊模塊和HART模塊分別與ARM微處理器及存儲器連接。所述EPA以太網通信模塊包括以太網控制器、以太網接口電路和以太網接口 。 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電流信號調理、A/D轉換、隔離電路、HART數 字信號調理、HART通信控制器。所述HART輸出模塊包括隔離電路、D/A轉換、HART電流信號調理、HART數 字信號調理、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。本發明提供的智能網關及其實現EPA工業以太網和HART現場總線互連的方 法，具有以下優點-① 使EPA控制系統能完全兼容符合HART協議的智能設備，實現EPA網絡和HART 現場總線的無縫互連；② EPA/HART智能網關將兩類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絡協議在通信速率上的巨大差異帶來 的數據交換問題；③ 具有EPA控制系統的遠程I/0功能，可降低系統的硬件開銷，同時可節省電 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是本發明的功能結構框圖；圖2是智能網關原理框圖；圖3是EPA/HART智能網關中的EPA協議棧與一個HART通道之間的協議轉換 過程示意圖；圖4是利用智能網關實現本發明所述EPA/HART互連方法的一種工業控制網 絡連接圖。
具體實施方式
如圖1所示，其中，EPA以太網通信通道1和EPA協議棧2，負責接收來自EPA網絡的非周期報文，并將其遞交給EPA/HART協議轉換模塊3進行下一步的 處理，同時負責將EPA/HART協議轉換模塊3遞交給它的報文作為EPA非周期報 文發送到EPA網絡；同時負責接收來自EPA網絡的周期報文，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 周期報文發送到EPA網絡。另外，EPA協議棧2和EPA以太網通信通道1還將負 責所有其他EPA協議規定的通信事務處理；其中，EPA/HART協議轉換模塊3，負責對EPA非周期報文進行解碼，并組 成符合HART協議的報文，交給HART主站協議棧4，發送到相應的HART通信通 道，同時負責將來自HART主站協議棧4和HART通信通道的HART報文進行編碼， 并組成符合EPA協議的非周期報文，遞交給EPA協議棧2，通過EPA以太網通信 通道l發送到EPA網絡；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 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、參數設置、 校準和診斷等目的，在EPA網絡中對應非周期通信，并采用透明傳輸方式在EPA 網絡中的傳輸。另外，HART主站協議棧4與HART通信通道還將負責所有其他HART協議規定的通信事務處理。如圖2所示，一種EPA/HART智能網關，既是一個符合EPA協議的設備，又 是一個符合HART協議的主設備，同時還具有進行EPA和HART協議進行轉換的功 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，存儲并執行包括 EPA協議棧、EPA/HART協議轉換模塊和HART主站協議棧等主要軟件功能模塊。 EPA以太網通信模塊8還包括以太網控制器、以太網接口電路和以太網接口。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 調理、A/D轉換、隔離電路、HART數字信號調理、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電流信號調理、HART數字信 號調理、HART通信控制器。根據具體應用的情況不同，EPA/HART智能網關可以7述兩種類型HART模塊。如圖3所示，EPA以太網通信通道收到以太網報文后，遞交給EPA協議棧處 理，處理過程主要包括以太網報文—EPA報文—EPA應用層數據。EPA〃HART協議轉換模塊的主要功能是完成各個HART通道報文與EPA協議 棧之間的報文交換。EPA/HART協議轉換模塊對EPA應用層數據進行解碼，組成 符合HART應用層協議的報文，遞交給對應的HART主站協議棧處理，處理過程主 要包括HART應用層協議數據—數據鏈路層數據—物理層數據。反之亦然。圖4是利用智能網關實現本發明所述EPA/HART互連方法的一種工業控制網 絡連接圖。此工業控制網絡包括EPA網絡和HART現場總線網絡，其中EPA控制 系統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協議 轉換模塊和EPA協議棧軟件模塊等。該軟件能根據HART設備的設備描述文件， 形成HART設備的命令集，并能根據操作員的操作將對應的HART命令交給 EPA/HART協議轉換模塊進行協議轉換處理，并通過EPA協議棧將封裝好的EPA 非周期報文傳輸到對應的EPA/HART智能網關16，反之亦然。其中EPA控制器14能將控制輸出通過EPA周期數據報文發送到對應的 EPA/HART智能網關16，同時也能接收來自EPA/HART智能網關16的周期數據報 文，上述EPA周期數據報文必須符合EPA協議，并需要按照EPA控制系統的應用 要求進行必要的網絡組態。其中EPA/HART智能網關16既是一個完全符合EPA協議的智能EPA設備， 又是一個具有HART協議主站功能的HART主站設備，能同時處理HART模擬電流 信號和HART數字通信信號。具體處理方法已經在上述發明內容中有詳細說明。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工業以太網與HART現場總線互連的方法，包括如下所述①EPA非周期報文與HART總線互連EPA以太網通信通道(1)和EPA協議棧(2)接收存儲來自EPA網絡的非周期報文，并將其遞交給EPA/HART協議轉換模塊(3)，所述EPA/HART協議轉換模塊(3)對EPA非周期報文進行解碼，組成符合HART協議的報文后，傳遞給HART主站協議棧(4)，發送到相應的HART通信通道；②EPA周期報文與HART總線互連EPA以太網通信通道(1)和EPA協議棧(2)接收存儲來自EPA網絡的周期報文，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網絡互連HART通信通道和HART主站協議棧(4)接收存儲來自HART通信通道的HART報文，并將其遞交給EPA/HART協議轉換模塊(3)，EPA/HART協議轉換模塊(3)對HART報文進行解碼，組成符合EPA協議的非周期報文后，傳遞給EPA協議棧(2)，通過EPA以太網通信通道(1)發送到EPA網絡；④HART電流輸入通道的模擬電流信號與EPA網絡互連HART電流輸入通道的模擬電流信號經過A/D轉換傳遞給EPA協議棧(2)，作為EPA周期報文，通過EPA以太網通信通道(1)發送到EPA網絡；⑤EPA協議規定的其他通信事務與HART協議規定的其他通信事務互連EPA以太網通信通道(1)和EPA協議棧(2)接收存儲來自EPA網絡的EPA協議規定的其他通信事務，HART通信通道和HART主站協議棧(4)接收存儲來自HART總線的HART協議規定的其他通信事務，兩者間通過EPA/HART協議轉換模塊(3)解碼后相互傳遞。
2. —種用于實現權利要求1所述EPA工業以太網與HART現場總線互連方法的智 能網關，包括ARM微處理器及存儲器(7)、 EPA以太網通訊模塊(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協議棧(2) 、 EPA/HART協議轉換模塊(3)和HART主站 協議棧(4);所述EPA以太網通訊模塊(8)和HART模塊(9) (10)分別與ARM微處理器及存儲器(7)連接。
3. 根據權利要求2所述的智能網關，其特征在于所述EPA以太網通信模塊(8)包括以太網控制器、以太網接口電路和以太網接口。
4. 根據權利要求2所述的智能阿關，其特征在于所述HART模塊(9)包括HART 電流信號調理、'A/D轉換、隔離電路、HART數字信號調理、HART通信控制器。
5. 根據權利要求2所述的智能網關，其特征在于所述HART模塊(10)包括隔離 電路、D/A轉換、HART電流信號調理、HART數字信號調理、HART通信控制器。
6. 根據權利要求2所述的智能網關，其特征在于所述HART模塊(9)(10)可以 有多個。
7. 根據權利要求2所述的智能網關，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
本發明公開了一種通過智能網關在基于EPA協議的工業以太網絡和基于HART協議的現場總線網絡的異構網絡之間實現互連通信的方法。智能網關包括ARM微處理器及存儲器、EPA以太網通訊模塊、HART模塊、電源電路和輔助電路，EPA以太網通訊模塊和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行存儲EPA協議棧、HART主站協議棧和EPA/HART協議轉換模塊等軟件模塊，EPA協議和HART協議通過EPA協議棧、HART主站協議棧和EPA/HART協議轉換模塊相互轉換互連。本發明可以使EPA控制系統能完全兼容符合HART協議的智能設備，實現EPA網絡和HART現場總線的無縫互連。
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 優先權日2007年12月28日
發明者包偉華, 張慶軍 申請人:上海自動化儀表股份有限公司