文章编号：１００１—９９４４（２０１ １）０２—００２４—０４ 基于ＨＡＲＴ总线的控制系统的实现 杨 鹏 ，王卫华 ，靳建水 （１．河北工业大学 电气与自动化学院，天津 ３００１３０；２．天津金牛电源材料有限责任公司，天津 ３００４００） 摘要：ＨＡＲＴ智能仪表在国内发展较为迅速，目前ＨＡＲＴ协议主要用在仪表的调试、校准、日常 维护等，把ＨＡＲＴ仪表组成网络与ＰＬＣ进行通信，从而直接并入控制系统还不多见 文中对此 进行了研究．并在某个化工车间复剂生产系统中将两者相结合．实现了Ｓ７—２２４ＸＰ通过自由口 协议与ＨＡＲＴ适配器进行通信．以￣ＬＡＤＡＭ一５５１０Ｍ控制器通过串Ｉ２＂与ＨＡＲＴ适配器进行通 信，组成控制系统。系统在实际生产中运行稳定，以较低的成本实现了防爆区域的自动控制，具 有一定的推广价值 关键词：ＨＡＲＴ；Ｓ７—２２４Ｘ Ｐ；ＡＤＡＭ一５５１ＯＨ；安全栅 中图分类号：ＴＰ２７３ 文献标志码：Ａ Ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｙｓｔｅｍ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＨＡＲＴ Ｂｕｓ ＹＡＮＧ Ｐｅｎｇ ．ＷＡＮＧ Ｗｅｉ—ｈｕａ ．ＪＩＮ Ｊｉａｎ．ｓｈｕｉ （１．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，Ｈｅｂｅｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｔｉａｎｊｉｎ ３００１３０，Ｃｈｉｎａ；２．Ｔｉａｎｊｉｎ Ｊｉｎｎｉｕ Ｐｏｗｅｒ Ｓｏｕｒｃｅｓ Ｍａｔｅｒｉａｌ ＣＯ．．ＩＪＴＤ．，Ｔｉａｎｊｉｎ ３００４００，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ＨＡＲＴ ｂｕｓ ａｎｄ ＰＬＣ ｃｏｒｌｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｒａｒｅ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｄｅｓｉｇｎｓ ａ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｂｅｉｎｇ ａ ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ ＰＬＣ ａｎｄ ＨＡＲＴ ｂｕｓ．Ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｕｓｅｄ ｉｎ ａ Ｃｈｅｍｉｃａｌ ｗｏｒｋｓｈｏｐ．Ｉｎ ｔｈｉｓ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ Ｓ７— ２２４ＸＰ ｕｓｅｓ ｔｈｅ ｆｒｅｅ Ｄｏｎｓ ｐｒｏｔｏｃｏｌ ｔｏ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｅ ｗｉｔｈ ＨＡＲＴ ａｄａｐｔｅｒ ａｎｄ ＡＤＡＭ一５５１０Ｍ ｕｓｅｓ ｔｈｅ ｓｅｒｉａｌ ｃｏｍｍｕｎｉ— ｃａｔｉｏｎ ｐｏｒｔｓ ｔｏ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｅ ｗｉｔｈ ＨＡＲＴ ａｄａｐｔｅｒ．Ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｃａｎ ｂｅ ｕｓｅｄ ｉｎ ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ－ｐｒｏｏｆ ａｒｅａ ａｎｄ ｔｈｅ ｃｏｓｔ ｉｓ ｖｅｒｙ ｌＯＷ．Ｔｈｅ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ ｏｆ ＨＡＲＴ ｂｕｓ ａｎｄ ＰＬＣ ｗｉｌｌ ｂｅ ｗｏｒｔｈｙ ｏｆ ｕｓｉｎｇ ａｂｒｏａｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＨＡＲＴ；Ｓ７—２２４ＸＰ；ＡＤＡＭ一５５１ＯＭ：ｓａｆｅｔｙ ｂａｒｒｉｅｒ ＨＡＲＴ协议在工业过程控制中的应用越来越广 泛．相对于ＰＲＯＦＩＢＵＳ以及ＦＦ总线仪表。ＨＡＲＴ仪 表价格较低，技术较成熟，对中小企业而言，尤其在 防爆危险区域，ＨＡＲＴ总线是一个不错的选择，将 ＨＡＲＴ网络与ＰＬＣ集成。具有很高的性价比…。 溶剂气体具有腐蚀性。特别对于橡胶腐蚀严重．因而 线路的布线既要符合防爆标准又要考虑一定的防腐 措施。按照要求选用低压流体镀锌钢管．防爆接线 盒，防爆挠性软管，防爆胶泥等进行安装布线，施工 量大，布线成本高。对于开关量．可用多芯线缆．但 对于模拟信号，一个仪表单独占用一根屏蔽线缆．穿 １ 系统背景 以某化工车间复剂生产系统为例．生产原料及 产品均为易燃易爆的有机溶剂，有爆炸危险。有机 收稿日期：２０１０—０７—１６：修订日期：２０１０—０８—０９ 管工程量大。分析现场后．决定用总线网络．经过安 全栅后构成本安系统．再与ＰＬＣ通信．这样可减少 布线工作量．缩短工期 由于ＦＦ总线及ＰＲＯＦＩＢＵＳ一 作者简介：杨鹏（１９６０一）。男，教授，博士生导师，研究方向为计算机测控技术及装置、智能机器人控制、智能假肢等；王卫华 （１９７８一），男，在读硕士研究生，研究方向为过程控制、现场总线。 田 Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ＆Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｉｔｏｎ ２０１１（２） ＰＡ总线的智能仪表价格偏高．特别是总线安全栅价 格昂贵．而ＨＡＲＴ仪表以及ＨＡＲＴ安全栅国内技术 比较成熟，价格便宜，实用性强。最终决定采用 ＨＡＲＴ仪表组成总线网络进行模拟信号的采集。 ２ 系统设计 ２．１ 设备选型 对于ＰＬＣ的选择．分别选用Ｓ７—２２４ＸＰ及 ＡＤＡＭ一５５１０Ｍ控制器 Ｓ７—２２４ＸＰ是近年来西门子 推出的一款性价比较高的控制器．集成２个ＲＳ４８５ 通讯／编程口 ＡＤＡＭ一５５１０Ｍ是研华公司推出的一 款ＰＣ Ｂａｓｅｄ ＰＬＣ，内置ＤＯＳ系统。具有四个串口， 通信能力强．可扩展四个模块，性价比高。 针对各个设备的位置．将３条生产线的控制系 统按操作岗位重新分为２个子系统，即复剂配制釜 到高位槽之间的自控为一个系统，用Ｓ７—２２４ＸＰ作 为控制器．３条生产线的控制共有１５个模拟量，２０ 个开关量 用一台ＨＡＲＴ适配器挂接９台仪表，３个 泵运行电流信号从配电室直接引出，另外３个压力 信号利用原有仪表线路使用普通仪表。选用模拟量 输人模块ＥＭ一２２２两块．分别接３个泵电流信号和 ３个普通压力信号．选用开关量输出模块ＥＭ一２３１ 两块加上Ｓ７—２２４ＸＰ集成的１０路开关量输出和１４ 路开关量输入通道．控制气动阀门等执行机构。 从高位槽到成品储罐的自控为另一个系统。３ 条生产线的控制共需１８个模拟量．３Ｏ个开关输出 量．９个开关输入量。用ＡＤＡＭ一５５１０Ｍ作为控制器， 扩展模块选择３块１６通道数字量输出模块 ＡＤＡＭ一５０５６Ｄ，作为各个阀门、磁力泵的开关控制。 选择ｌ块ｌ６通道数字量输入模块ＡＤＡＭ一５０５１Ｄ。 作为各个开关信号输入 用２台ＨＡＲＴ适配器，每 台挂接９台仪表 系统主要用的模拟量为液位、压力，液位仪表 选用直观的磁翻转液位计，压力表选用扩散硅压力 传感器．现场阀门选用带气动执行机构的不锈钢球 阀．以上设备均要达到防爆要求。 ２．２ ＨＡＲＴ总线设计 在ＨＡＲＴ协议通信中．主要的变量和控制信息 由４ｍＡ～２０ｍＡ传送．ＨＡＲＴ仪表出厂一般默认的是 ０号地址．０号地址时仪表传送４ｍＡ～２０ｍＡ信号．可 作普通仪表使用 当多台仪表并联在二总线上．组 成网络后．通讯采用主／从模式．需将各仪表地址配 ａ动化与仪表２０１１（２、 置在１—１５．使每个现场设备工作电流固定在４ｍＡ． 从而降低总线电流．总线电流越大．干扰越大 。防 爆危险区域．需要加安全栅．由于安全栅的限流作 用．按最大输出电流为２９ｍＡ计算．一个安全栅最多 可带７台仪表．实际运行中带６块仪表比较稳定 对于Ｓ７—２２４ＸＰ控制系统．ＨＡＲＴ网络由４台 压力变送器．５台磁翻转液位传感器．２个安全栅组 成 由于９台仪表共需３６ｍＡ总线电流．超过安全栅 最大输出电流．因此将９台仪表分为２组．每组接一 台安全栅．两台安全栅再并联接ＨＡＲＴ适配器 仪 表均属于本安型两线制仪表．各仪表并在总线上，仪 表的正极接总线的Ｌｏｏｐ＋．仪表的负极接总线的 Ｌｏ０ｐ一，总线由ＨＡＲＴ适配器供电。系统选用回路供 电的隔离式安全栅．由于安全栅本身有６Ｖ压降，加 上每台仪表的ｌＶ压降．压降总和为１５Ｖ，故ＨＡＲＴ 适配器电源选用３６Ｖ直流电源 ＨＡＲＴ适配器将 ＨＡＲＴ信号转换成４８５信号与ＰＬＣ通信 在ＰＬＣ里 编写通信程序．用自由１５通信协议通过串Ｉ：Ｉ实现与 ＨＡＲＴ适配器的通信 因通信程序必须用“接收字符 中断”方式．使用指针接收数据，而Ｓ７—２２４ＸＰ的两 个串口共用一个自由口接收字符缓冲区．所以一台 Ｓ７—２２４ＸＰ只能和一台ＨＡＲＴ适配器通信．接一个 ＨＡＲＴ总线网络 系统拓扑图如图１所示。 ｝ ＬＯ０Ｐ—＋ Ｌ０ＯＰ＋ Ｌ００Ｐ一 图１ Ｓ７—２２４ＸＰ控制系统拓扑图 Ｆｉｇ．１ Ｓ７－２２４ＸＰ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ Ｔｏｐｏｌｏｇｙ 对ＡＤＡＭ一５５１０Ｍ系统．将ｅｏｍｌ作为和上位 机组态软件通信用．ｅｏｍ３作为程序下载及调试用， ｃｏｍ４跳线为ＲＳ一２３２口．因而将１８台仪表分成２ 个ＨＡＲＴ网络，一个用ｃｏｒｎ２口，一个用ｔｏｍ４口， 同时收发信息，缩短了通信延时。这样，ｔｏｍ４需加 ＲＳ一４８５转ＲＳ一２３２适配器，可选用ＡＤＡＭ一４５２０。 一个ＨＡＲＴ网络由４台带ＨＡＲＴ协议的压力变送 器．５台磁翻转液位传感器．２台安全栅组成。在 ＡＤＡＭ一５５１０Ｍ控制器里编写通信程序．与ＨＡＲＴ 田 适配器通信，读取各仪表主变量。系统拓扑图如图 ２，这里只画出ｃｏｍ４ Ｅｌ的ＨＡＲＴ网络。 孽鎏 Ｌ０Ｏ０Ｐ＋— ＬＯ０Ｐ＋ ＬＯ０Ｐ一 图２ ＡＤＡＭ一５５１０Ｍ控制系统拓扑图 Ｆｉｇ．２ ＡＤＡＭ－５５１ ０Ｍ ｃｏｎｔｍｌ ｓｙｓｔｅｍ Ｔｏｐｏｌｏｇｙ ３ Ｓ７－２２４ＸＰ与ＨＡＲＴ总线通信程序的设计 通信程序是控制系统的关键．在通信过程中。 ＰＬＣ按地址顺序从ｌ到９依次轮询一遍 在此采用 灵活的自由ｌＹｌ通讯协议 对于发送指令ＸＭＴ．可根 据字节数来发送ＨＡＲＴ指令 对于接收指令数据采 用ＰＬＣ提供的“接收字符中断”方式．将ＳＭＢ２（自由 １：３接收字符缓冲区）定义指针．使用指针接收数据 ＿３］。各个仪表的１＃命令码各不相同．所以将９条命 令码以１６进制码的形式存储在不同的寄存器中， 依次发送。在ＰＬＣ接收数据时，ＰＬＣ针对不同的命 令码．用一个地址指针接收并存储对应的数据．不 同的回传数据对应不同的寄存器 例如接收回传的数据分别存在ＶＢ５００一ＶＢ５２２ 中，主变量值固定存储在ＶＢ５１７、ＶＢ５１８、ＶＢ５１９、 ＶＢ５２０当中．直接读取ＶＤ５１７的值０．１３３３９９８即为 ３样仪表的值 ＰＬＣ以这些值对系统进行控制。系统 通信程序流程图如图３所示 ４ ＡＤＡＭ一５５１０Ｍ与ＨＡＲＴ总线通信程序 的设计 ＡＤＡＭ一５５１０Ｍ是基于ＰＣ的可完成数据 采集与控制的可编程控制器，具备通用编程功能。 随硬件提供的５５１０ｄｒｖ．ｈ头文件内有很多库函数． 极大地方便了用户编程 系统提供的ＡＤＡＭ５５１０ Ｓｅｒｉｅｓ Ｕｔｉｌｉｔｖ软件可对程序进行下载、上传等操作。 ＡＤＡＭ一５５１０Ｍ也包括实时时钟和看门狗定时器功 能．当系统死机时看门狗定时器可重置处理器．这 不仅减少了系统维护．而且使ＡＤＡＭ一５５ＩＯＭ可应 用于系统稳定性要求较高的场合… 程序的开发使用Ｃ语言．以Ｔｕｒｂｏ Ｃ＋＋３．０为 田 塑 矍 王 自由端口设置 把ＶＢＩＯ－－ＶＢ３０的值复制到 ＶＢｌ０１ Ｂ１３１．作为初次待发命令 发送命令 内有回传数 入接收字符中断子程序．开 接受字符．并定义定时中断 将字符存储在指针指向的寄存器内 土 进入发送中断子程序 每发送一次命令ＶＢ２０８加ｌ ＶＢ２０８值为１．发送ｌ＃地址命令． 为２．发送２＃地址命令：……为 ９，发送９＃地址命令。当ＶＢ２０８＞ ９时．在主程序里判断归零 （垄垄鱼竺） 图３ Ｓ７—２２４ＸＰ通信程序流程图 Ｆｉｇ．３￥７－２２４ＸＰ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｐｒｏｇｒａｍ ｆｌｏｗｃｈａａ 编辑环境 通信程序设计思路和Ｓ７—２２４ＸＰ程序差 不多。先将各发送命令帧赋值给指定数组．一次发送 ２个串Ｉ＝１的命令帧．然后轮询各串Ｉ：１接收寄存器．取 出返回的命令帧。用数组ｂｕｆ『］存储ｃｏｍ２口的回传 数据，数组ｂｕｆ２３２［］存贮ｃｏｍ４ Ｉ＝Ｉ的回传数据，两串 口同时收发信息．其读取回传数据如图４所示。 图４ ＡＤＡＭ一５５１０Ｍ回传数据图 Ｆｉｇ．４ ＡＤＡＭ－５５１ ０Ｍ ｄａｔａ ｒｅｔｕｒｎｅｄ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ＆Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ ２０１１（２） 收到返回数据后．将数据存储在指定的数组当 中．最后对数组中的代表主变量的４个１６进制码 进行换算．在Ｃ语言里进行浮点数转换需要进行计 算。转换函数如下： ｌｆｏａｔ ｈｅｘｔｏｆｌｏａｔ（ｉｎｔ ａ，ｉｎｔ ｂ，ｉｎｔ ｃ，ｉｎｔ ｄ） ｛ ｌｆｏａｔ ｓｉ，ｅｘ，ｑ，ｆ； ｆｏａｔ ｘ，ＶＯ，ｖ，ｍａ； ｓｉ＝（ａ＆１２８）／１２８； ｍａ＝（ｂ％１２８）／ｐｏｗｅｒｓ（２，７）＋ｃ／ｐｏｗｅｒｓ （２，１５）＋ｄ／ｐｏｗｅｒｓ（２，２３）＋ｌ； ｅｘ＝（ａ％１２８） ２＋（ｂ＆１２８）／１２８—１２７； ｖ＝ｐｏｗｅｒｓ（－１，ｓｉ）； ｑ ｐｏｗｅｒｓ（２，ｅｘ）； ＶＯ＝Ｖ ｑ ｍａ： ｒｅｔｕｒｎ ＶＯ； ｝ 其中ｐｏｗｅｒｓ（）是乘方函数，ｐｏｗｅｒｓ（２，７）是２的 ７次方。运算后将各变量值代人控制程序中运行，举 例如下： ｓｗｉｔｃｈ（ｎ）｛ ｃａｓｅ ｌ： ｉｆ（Ｘ！＝Ｏ＆＆（ｂｕｆ４８５［ｘ＋１］！＝２５５１１ ｂｕｒ４８５［ｘ＋２］＜７０） ｛ ＷＤＴ＿ｅｎａｂｌｅ（）； ｖｏ１＝ｈｅｘｔｏｆｌｏａｔ（ｂｕｒ４８５［ｘ＋１］，ｂｕｒ４８５［ｘ＋ ２］，ｂｕｆ４８５［ｘ＋３］，ｂｕｆ４８５［ｘ＋４］）； ｐｒｉｎｆｆ（”ｖｏｌ＝％ｆｌｎ”，ｖｏ１）； ＷＤＴ＿ｃｌｅａｒ（）； ＷＤＴ－ｄｉｓａｂｌｅ（）； ｝ ｝ ｂｕｆ４８５『ｘ＋ｌ １是代表主变量的第一个１６进制码 的对应整数．以此类推ｂｕｆ４８５『ｘ＋４］是第四个１６进 制码对应的整数。当ｂｕｆ４８５『 ＋１］＿２５５即１６进制码 “ＦＦ”时，若ｂｕｆ４８５『 ＋２］＞７０，则浮点数溢出，所以在 此先判断浮点数有效，再进行转换。转换前调用 ＷＤＴ ＿ｅｎａｂｌｅ （），激活看门狗定时器，若异常则重启控制器。ｔｌ，是发送命令序号．ｎ：１时发送１＃仪表的 询问命令，接收时根据ｎ的值将ｖｏｌ的值赋给不同 自动化与仪表２ｏ１１（２） 的变量。通信程序流程图如图５所示。 图５ ＡＤＡＭ一５５１０Ｍ通信程序流程图 Ｆｉｇ．５ ＡＤＡＭ－５５１ ０Ｍ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｐｒｏｇｒａｍ ｆｌｏｗｃｈａｒｔ ５上位机软件设计 上位机组态软件采用组态王６．５２．组态王与 Ｓ７—２２４ＸＰ的通信用ＰＰＩ协议实现．与ＡＤＡＭ一 ５５ １０Ｍ的通信用ＭＯＤＢＵＳ协议实现。在组态王６．５２ 中提供针对两种协议的驱动程序以及库文件．只需 做少量修改即可．减少了开发工作量 ６结语 本控制系统已在实际生产中运行．ＨＡＲＴ总线 与Ｓ７—２２４ＸＰ以及ＡＤＡＭ一５５１０Ｍ控制器通信稳定． 该系统不但减少现场布线．而且节省了模拟量输入 模块．特别对于有防爆要求的控制系统．大大降低了 工程成本。控制器与ＨＡＲＴ总线的集成．性价比高． 具有一定实用意义。其必将成为工厂高效运行的宝 贵资源 参考文献： ［１］ＨＡＲＴ通信基金会（上）ＨＡＲＴ通信协议：为您的智能仪表提供 高性价比解决方案［Ｊ］．ＰＬＣ＆ＦＡ，２００９（５）：３０—３１． ［２］王平．基于ＨＡＲＴ的智能控制系统的设计与实现［Ｊ］．微计算机应 用，２００９，３０（２）：６４—６７． ［３］李伟，杨承，赵经，等．ＰＬＣ在自由口通讯中实现多地址指针接收 数据的实现方法［Ｊ］．现代电子技术，２００８，３１（２１）：１５４—１５６，１５９． ［４］ＡＤＶＡＮＴＥＣＨ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．Ｄａｔａ Ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ＭｏｄｕｌｅｓＵｓｅｒ Ｓ Ｍａｎｕａｌ ［ｚ］，２００１． 一 团
