高速可寻址变送器(HighwayAddressableＲemoteTransducer，HAＲT)协议是在4mA～20mA模拟信号上叠加频率信号，使模拟信号与数字信号双向通信同时进行，互不干扰［1］。基于HAＲT协议的仪表既有模拟仪表的性能，又兼顾数字通信的性能，在不对现有系统进行改造的情况下即可实现仪表的数字化，所以在过程控制系统中得到广泛应用。通过手操器可以实现HAＲT仪表硬件、工程单位、过程参数量程的上下限以及节点地址等设定，也可以提取并显示仪表设备编号、设备类型以及生产厂商信息［2－4］。在构建以HAＲT仪表为现场设备、以西门子PCS7为主控制器的控制系统时，通过网关使HAＲT仪表与Profibus-DP网络通信，实现异种协议的现场总线系统集成。由于HAＲT仪表传输的数据类型复杂，尽管网关将HAＲT仪表输出信号传给了远程的PCS7，但PCS7读取的信息，无法从接受数据中提取现场设备的运行状况、过程参数信息，没有根本上解决协议兼容的问题。本文通过在线采集现场HAＲT仪表的运行参数，进行数据结构和存储方式分析，应用自主研发程序，并编写功能块(FunctionBlock)FB、连续功能图CFC(ContinuousFunctionChart，CFC)程序，将PCS7接收的现场信号进行数据转换，从而保证主控系统对HAＲT信息的识别，实现了HAＲT与Profibus-DP的通信兼容［5］。

 

通信协议

1．1Profibus-DP协议

Profibus是ProcessFieldbus的缩写，是一种面向工厂自动化和流程自动化的国际性现场总线标准。主要包含Profibus-DP、Profibus-FMS、Profibus-PA三种协议。Profibus-DP面向工业现场，在可编程控制器、传感器、执行器等设备之间传递数据信息，采用ＲS－485的物理连接方式，其传输速率为9．6kbit/s～12Mbit/s，#大传输距离为1000m，使用中继器可达10km。西门子PCS7系统在自动控制站间、自动控制站与现场设备之间的数据交换采用Profibus-DP通信协议，该协议支持主从通信方式，#多可挂接127个从站，有3种从站类型:PLC控制器，分布式远程I/O，智能现场设备。主站具有对总线的控制权，可主动发送信息。从站等待主站请求指令，然后执行数据交换［6－7］。

 

1．2HAＲT协议

HAＲT协议方式是在4mA～20mA模拟信号上叠加数字量信号，在二线制变送器与电源之间串接250Ω以上电阻，以保证数字量信号的传输，模拟量和数字量双向通信同时进行，传输速率为1200bit/s，支持挂接15个现场设备。HAＲT命令可分为:通用命令，适用于所有的HAＲT智能设备，指令代码为1－30;普通专用命令，适用于大多数HAＲT变送器，指令代码为32－126;设备专用命令，针对每一种具体设备的特殊性，指令代码为128－253。HAＲT仪表通过命令与上位级实现数据交换［8－9］。

 

2、Profibus-DP与HAＲT异构兼容系统

搭建HAＲT仪表与西门子PCS7之间的数据交换系统，主控系统PCS7可以监视HAＲT仪表的测量参数、设备运行状态、设备序列号等基本信息，也可以采集参数报警、维护状态等实时监管信息，从而提高整个系统运行的可靠性和安全性［10］。

 

2．1异构兼容系统设计方案

Profibus-DP与HAＲT异构兼容系统以西门子PCS7系统为上位级，罗斯蒙特3051压力变送器和若干现场设备为下位级。因西门子PCS7系统采用Profibus-DP现场总线通信协议，而现场智能设备罗斯蒙特3051压力变送器采用HAＲT现场总线通信

协议，需要解决异构协议兼容问题，增加网间协议转换器(网关)，实现不同现场总线协议标准的兼容。选取能够支持HAＲT/Profibus-DP协议数据转换的网关，完成数据格式的转换和数据的读写操作，将HAＲT协议网络与Profibus-DP协议网络进行硬连接，实现西门子PCS7上位级对现场智能设备的监视与管理。

 

2．2系统硬件组成

该异构兼容系统包括上位监控PC机、主控系统PCS7、罗斯蒙特3051压力变送器、网关等设备，系统结构如图1所示。

上位监控PC机既是上位级的服务器、操作员站以及工程师站，承担PCS7组态、数据采集、信息交换和系统维护工作。PC机与控制站S7－400PLC通过工业以太网实现信息交互。网关选用上海泗博公司生产的网关HPM－610。西门子S7－400PLC与网关HPM－610通过Profibus-DP连接，西门子S7－400PLC是Profibus-DP的主站，网关HPM－160是Profibus-DP从站，网关HPM－160与罗斯蒙特3051压力变送器通过HAＲT总线联接，网关HPM－160是HAＲT主站，罗斯蒙特3051压力变送器是HAＲT从站［11－13］。

 

3通信检测与数据转换

在成功搭建硬件系统以后，进行系统组态与调试，即PCS7组态、HPM－610配置、罗斯蒙特3051压力变送器组态，以及各部分和全系统的通信测试与调试，检测数据交互的正确性与实时性。

 

3．1PCS7读取HAＲT仪表标识码

主控PCS7要获取并在监控画面显示罗斯蒙特3051压力变送器的设备信息，需要在网关HPM－160的专用软件HT－123中作相应配置。网关HPM－610依据组态中的命令功能，从现场级提取数据，向上位主控系统传送现场设备信息、运行参数、过程

值变量等数据［14－15］。

 

命令0的功能是读取现场HAＲT仪表的设备类型代码、版本和设备标识码，并传送到主控系统。命令0执行后在PCS7分配给网关的存储区中占用14个字节，前两个字节为设备的现场状态信息，后面的数据对应设备类型的具体信息，存储区中字节所代表的设备信息如图2所示，从字节0到字节11表示网关采集现场设备的标识码信息。字节1为制造商ID号，字节2是制造商设备类型，字节3为HAＲT数据帧的前导码信息。

在执行命令0之前，shou先诊断命令0检测到的现场设备信息，诊断结果见图3(a)所示。然后执行命令0，主控PCS7获取到3051压力变送器的设备信息，存储于主控PCS7分配给网关的地址寄存器中。如图3(b)所示，从IW550到IW562的值即执行命令0的返回信息。

IW550的值W#16#0040(2个字节)，表示现场设备的通信状态，从IW552到IW562共12个字节是罗斯蒙特3051压力变送器标识码，数制是十六进制，转换为十进制后见表1所示，与图3(a)所示字节的十进制数值完全相同，表明命令0可以检测到现场设备信息并正确上传给主控系统。而且，命令0返回的现场设备信息可以在监控画面上显示。

 

3．2PCS7读取HEＲT仪表的过程变量值

主控PCS7读取且在监控画面上显示罗斯蒙特3051压力变送器的过程变量(PV)值，需在HT－123软件上作相应配置后，使用命令1，命令1的功能是以浮点数类型返回主变量的值，返回路径为:现场总线智能仪表将现场过程值送到网关HPM－610，网关HPM－610将数据上传到PCS7系统，PCS7接收到十六进制现场过程变量值转换为浮点数在监控画面上显示。

在执行命令1指令后，PCS7系统从网关读取并显示的数据是十六进制数，存储在IW512到IW518地址中，如图4所示，占用4个字，8个字节，前两个字节为设备的现场状态信息，后面的数据对应过程变量值。IW512字节表示现场设备的状态信息，IW514的高字节16#ED表示过程变量的单位MPa，IW514的低位字节、IW516字节和IW518的高位字节共4个字节，表示现场过程量。这4个字节以十六进制的形式存储在3个字中，目前要用一个双字(4个字节)表示现场过程变量，并且在上位系统监控画面显示，在对PCS7系统接收到的数据进行提取、数制转换、整合等数据转换过程后，#终以十进制浮点数的形式在监控画面上实时显示［16］。

以现场压力测量值0．55MPa为例，分析PCS7系统接收的数据结构，进行数据转换。由图4可知，命令1返回到PCS7的数据由8个字节组成:分别是IW512;IW514;IW516;IW518。其中:IW512为现场设备状态信息;IW514的高字节ED表示现场过程变量单位(MPa)，低字节3F是测量值的有效数据;IW516是测量值的有效数据;IW518的高字节CE是测量值的有效数据，这4个字节数据对应现场压力测量值。即:3F，0D7F，CE表示现场过程量。

 

上位监控系统以单精度浮点数的形式显示现场压力测量值，是一个双字，即4个字节32位，存储在一个双字寄存器中，以浮点数的形式在监控画面上显示现场过程量，而PCS7接收的数据是4个字节，放在4个输入寄存器中，并非一个完整的双字。故需要对当前PCS7接收到的数据进行转换，从返回的4个字中提取出有效数据的4个字节，整合后存放在一个双字存储器中，再将这个双字转换为单精度浮点数，即现场压力测量值，然后在监控画面上显示。

 

数据转换过程的程序流程如图5所示:①定义PCS7接收到的数据为:HAＲT通道1－HAＲT通道4;②将HAＲT通道2(IW514)据转换为双字，向左移24位并保存在中间存储器，即3F保存在双字的#高位。③将HAＲT通道3(IW516)数据转换为双字，向左移8位并保存在中间存储器，即0D7F存到双字的中间位置。④将HAＲT通道4(IW518)数据转换为双字，向右移8位并保存在中间存储器，即CE存到双字的#低位。⑤用“或”指令将三个双字移位整合为一个双字;⑥用双字与浮点数的转换指令将双字转为单精度浮点数0．55(MPa)。

 

数据转换程序使用西门子结构化控制语言StructruedText(STL)编写，生成功能块(Function Block) FB678，可在程序中直接调用，实现了主控系 统接受数据与现场测量值的数值类型的一致性转 换，确保主控系统可以实时检测并正确显示现场测 量值。数据转换的部分程序如图 6 所示。 FUNCTION_BLOCK FB678 HAＲT_01: WOＲD; / /HAＲT 输入通道 01 N_IN_02: WOＲD: = 16#0018; / /通道 02 位移_6 移 DATA_01: DWOＲD; / /通道 01 双字输出 N_OUT_01: WOＲD; / /通道 01 位移位数输出 DATA_DWOＲD_04: =WOＲD_TO_DWOＲD( HAＲT_04) ; DATA_04: =DATA_DWOＲD_04; N_OUT_04: =N_IN_04; / /通道 04 数据类型转换为双字

 

图 6 数据转换的部分程序

 

4 远程监视 

主控系统对现场的远程监控是实现智能化、无 人化工厂的基本条件。在西门子 PCS7 系统组态操 作员站，创建监控变量，创建监控画面，通过连续功 能图 Continuous Function Chart( CFC) 编写程序，调用功能块 FB678 和显示模块，并建立变量与监控画 面的连接，现场过程变量值就可以直接在 WinCC 监 控画面上实时显示，实现了 PCS7 对生产过程的远程实时在线监控［17－18］。 主控系统的监控画面是异构系统的人机接口。通过画面信息，运行人员可以监视和管理现场设备 的运行状态，而不需要在现场、或者依赖就地运行人 员传送数据。监控画面可根据用户的需要进行组 态，主要信息包括: 罗斯蒙特 3051 压力变送器的设备版本号、设备 ID 号、实时压力测量值、设定的压力 信号上下限值等，如图 7 所示。

5 结论

通过搭建 Profibus-DP 与 HAＲT 协议的异构兼 容系统，基于 HAＲT 协议的现场智能仪表可以直接 上传设备运行参数，实现了不同协议的信息交互。 在研究现场数据与主控系统采集到的数据不同数制 的情况下，编写了数据转换程序，确保主控系统可以 查看相同数制下的过程变量。通过 CFC 编程，将变 量信息与监视画面进行连接，远程监控画面显示现 场智能仪表参数与运行状况，实现了异构兼容系统的远程监控。 这种异构现场总线协议兼容系统可以拓展 HAＲT 协议智能仪表的应用。在模拟仪表向数字仪 表的过渡过程中，完善了 HAＲT 智能仪表数据转 换，实现了主控系统对智能仪表的远程管控，该方案 可为智能一体化远程系统建设提供参考。