专利名称：一种多路复用型智能网关及工作方法
技术领域：
本发明涉及一种工业自动化过程控制，特别涉及一种连接工业以太网与HART 总线的多路复用型智能网关及工作方法。
背景技术：
现场总线作为目前自控领域的新技术，具有开放性、互操作性、全分布等优 势。但目前多种现场总线并存的状况由来已久，IECTC65技术委员会在制订IEC61158 标准时用了大约十年时间来讨论如何用一个标准来覆盖所有标准，但最后都没有成功。 工业以太网用于工业现场是一种趋势，和现场总线一样，它也是多种通信协议并存的局 面。由于有不同的利益集团和现场总线厂商支持，这几个标准会同时存在、相互兼容， 不会很快统一，要统一存在很大的技术难度。因此，有必要解决不同工业以太网和现场 总线之间互联互通的问题。HART协议作为一个开放性的协议，现已成为智能仪表“事实上”的标准。从 美国权威的自动化市场分析报告来看，目前全球智能化仪表、特别是符合HART协议智 能仪表的需求量仍在逐年增加。虽然HART仪表得到了广泛的应用，但其数字通信能力 没有得到充分发挥，主要缺少相关的数字信号传输通道和应用方案。随着HART6的提 出，HART多路复用器成为了一种现实的解决方案。但HART多路复用器只能实现多台 HART设备同时接入HART现场总线，难以适应目前多种现场总线和工业以太网并存的局
发明内容
本发明是针对现有HART多路复用器兼容性不够的问题，提出了一种多路复用 型智能网关及工作方法，是一种能使工业以太网协议和HART协议互联互通的方法，利 用这种技术可将几十、几百甚至更多的HART现场设备连接到一个网络中，通过安装 不同的工业以太网协议栈，就能连入各种不同的工业以太网网络，增强设备的可互操作 性。同时配合上层软件辅助技术人员进行集中管理和控制，实现对工业过程的连续实时 诊断，以及验证控制信息的完整性，保证系统数据的准确性。本发明的技术方案为一种多路复用型智能网关，依次包括连接的通信接口底 板、模拟板卡和数字板卡，接收现场数据的通信接口底板包括HART通道、以太网、 RS485接口模块、指示灯模块、滤波稳压模块、保险丝模块；模拟板卡由HART通信通 道、电源模块、工业以太网和RS485信号传输通道组成，对应连接通信接口底板上的接 口模块，HART通信通道依次包括直流隔离模块、电压保护模块、通道选择模块、信号 调理模块，确保发送和接收的HART信号都是准备的信号；电源模块提供各个模块所需 的3V和5V电压；工业以太网和RS485信号传输通道，由RS485模块和以太网隔离变 压器组成；数字板卡包括HART调制解调模块、微处理器模块、以太网物理层模块、数 据存储模块、拨通开关模块、工业以太网协议转换模块，HART调制解调器模块和以太网物理层模块分别接收模拟板卡来的HART信号和以太网信号，处理后送入微处理器模 块；数据存储模块接收并将存储的现场仪表数据送入微处理器模块；设置RS485通信速 率和通信地址的拨动开关将开关信号送入微处理器模块；微处理器模块处理后输出数据 通过工业以太网协议转换模块转换协议后送入到工业以太网上。所述模拟板卡中RS485信号传输通道输入采用磁耦隔离；所述模拟板卡中电源 模块采用了 DC/DC变压器实现电源隔离；所述模拟板卡中HART通信通道中直流隔离模 块使用电容式直流隔离，将4 20mA信号与HART信号分离。—种多路复用型智能网关的工作方法，包括多路复用型智能网关，方法包括如 下具体步骤
1) HART主站协议栈接收并储存来自HART通道的标准HART数据帧，并对其进 行解析，如果符合要求则递交给协议转换模块，协议转换模块对数据进行重新打包，再 递交给工业以太网协议栈进行协议封装，通过以工业太网通道发送出去；2)工业以太 网协议栈接收并储存来自工业以太网通道的数据帧，并对其进行解析，如果是发送给现 场设备的指令，则传递给协议转换模块，协议转换模块对数据进行重新打包，再传递给 HART主站协议栈进行HART协议封装并进行通道切换，最后通过HART通信通道发送给 现场HART仪表；
3)工业以太网协议栈接收并储存来自工业以太网通道的数据帧，并对其进行解析， 如果是发送给网关的指令，则传递给HART从站协议栈，HART从站协议栈执行命令后打 包数据传递给工业以太网协议栈进行协议封装，通过以工业太网通道发送出去；
4)自动扫描模块会监视每一路的设备连接状态，如果有设备连入，则调用HART主 站协议栈通过HART通信通道发送标准HART数据帧给现场设备，获取其设备变量，记 录其设备状态；
5)通过安装不同的工业以太网协议栈来实现HART现场总线和相应工业以太网网络
的互联互通。本发明的有益效果在于本发明多路复用型智能网关及工作方法，单台设备拥 有32路HART通道，可以同时接入多台HART设备，增加系统的集成度，降低系统的硬 件开销，节省电缆和安装费用；实现多种工业以太网和HART现场总线的无缝连接，使 HART设备能够更加方便的接入现有控制系统；支持现场设备集成技术，具有很强的可 互操作性，用户能够更加方便的使用主流智能设备；具有很好的可扩展性，控制系统可 以同时接入多台多路复用型智能网关，组成更加庞大的系统。
图1为本发明多路复用型智能网关地位示意图； 图2为本发明多路复用型智能网关结构框图3为本发明多路复用型智能网关中模拟板卡的结构框图； 图4为本发明多路复用型智能网关中数字板卡的结构框图； 图5为本发明多路复用型智能网关中协议转换示意图； 图6为本发明多路复用型智能网关实施例示意图。
具体实施例方式如图1所示多路复用型智能网关地位示意图，多路复用型智能网关102起着承上 启下的作用，它是连接工作站电脑101和HART现场设备103的中间桥梁，负责各种工业 以太网协议105和HART现场总线106之间的协议转换。工业以太网总线105中同样可 以接入各种其他类型的控制系统104如DCS或者PLC等。如图2所示多路复用型智能网关结构框图，整个智能型网关是由通信接口底板 201、模拟板卡202和数字板卡203组成的。通信接口底板201负责信号的物理连接；模 拟板卡202负责信号的整形滤波、通道切换以及电源处理的功能；数字板卡203主要负责 数据储存、协议转换以及HART信号的调制解调的功能。通信接口底板拥有32路HART通道，每一通道可以最多连接16台HART设备。 底板上可提供以太网、RS485两种连接方式。底板包含接口模块、指示灯模块、滤波稳 压模块、保险丝模块。如图3所示多路复用型智能网关中模拟板卡的结构框图，整个模拟板卡是由三 大部分组成第一部分是HART通信通道，主要用来传输HART数字信号，由直流隔离 模块301、电压保护模块302、通道选择模块303、信号调理模块304组成，确保发送和 接收的HART信号都是准备的信号；第二部分是电源模块309，提供其他各个模块所需的 3V和5V电压；第三部分是工业以太网和RS485信号传输通道，由RS485模块308和以 太网隔离变压器307组成。由图中可以看出，模拟板电路存在三个信号道以太网信号 通道、RS485信号通道以及HART信号通道。为了保护网关硬件的安全，模拟板电路采 取了 4项隔离措施使用以太网隔离变压器307，隔离以太网信号；RS485模块308中采 用了磁耦隔离技术，实现RS485信号的隔离；在电源模块309中采用了 DC/DC变压器实 现电源隔离；使用电容式直流隔离301，将4 20mA信号与HART信号分离。如图4所示多路复用型智能网关中数字板卡的结构框图，整个数字板卡以微处 理器402为中心，其他所有模块都受它的统一控制。HART调制解调器401用来接收 HART信号，并处理成普通的UART数据传给微处理器402，或者从ARM微处理器402 中接收标准的UART数据，调制成标准的HART信号发送出去；施密特触发器409用来 增强驱动能力，控制LED信号灯；以太网物理层模块408用来接收和发送标准的以太网 信号；工业以太网协议转换模块403中存有各种不同的工业以太网协议栈，用来把普通 的UART数据转换成各种标准的工业以太网协议，该协议栈是可更换的，不同的应用场 合可以选择不同的协议栈；储存器404中暂存HART现场仪表的各种数据变量；拨动开 关405用来设置RS485通信速率和通信地址；JTAG模块406用来调试程序。图5是本发明中实现HART现场总线和工业以太网协议转换的示意图。以协议 转换模块509为中心，向上通过安装不同的工业以太网协议栈510，可以把HART数据帧 转成不同的工业以太网协议，再通过工业以太网通信信道511连入不同的网络中；向下 则是HART通信信道，工业以太网数据通过协议转换模块509转成标准的HART数据， 通过HART主站协议栈508的控制，经由通道选择模块507选择不同的HART通信信道 发送至不同的HART现场设备。自动扫描模块503会不停地自动获取HART现场设备的 变量及状态，存入储存器502中，方便协议转换模块快速获取HART现场设备的信息，解 决不同通信速率之间的匹配问题。
具体方法步骤为
1) HART主站协议栈接收并储存来自HART通道的标准HART数据帧，并对其进 行解析，如果符合要求则递交给协议转换模块，协议转换模块对数据进行重新打包，再 递交给工业以太网协议栈进行协议封装，通过以工业太网通道发送出去；2)工业以太 网协议栈接收并储存来自工业以太网通道的数据帧，并对其进行解析，如果是发送给现 场设备的指令，则传递给协议转换模块，协议转换模块对数据进行重新打包，再传递给 HART主站协议栈进行HART协议封装并进行通道切换，最后通过HART通信通道发送给 现场HART仪表；
3)工业以太网协议栈接收并储存来自工业以太网通道的数据帧，并对其进行解析， 如果是发送给网关的指令，则传递给HART从站协议栈，HART从站协议栈执行命令后打 包数据传递给工业以太网协议栈进行协议封装，通过以工业太网通道发送出去；
4)自动扫描模块会监视每一路的设备连接状态，如果有设备连入，则调用HART主 站协议栈通过HART通信通道发送标准HART数据帧给现场设备，获取其设备变量，记 录其设备状态；
5)通过安装不同的工业以太网协议栈来实现HART现场总线和相应工业以太网网络
的互联互通。图6是本发明专利的一个具体实施例的示意图。其中HART调制解调器选用的 是A5191，以太网物理层芯片选用的是DM9161A，工业以太网协议栈选用的是Hilscher 公司提供的协议转换芯片，微处理器选用ARM系列。控制系统接收现场HART设备数据的过程是从HART设备过来的HART信 号通过信号接口底板619进入模拟板620，在模拟板620中通过直流隔离模块602，去掉 4-20mA直流成分，再经过过电压保护模块603到达通道选择模块604。通道选择模块由 译码器和模拟开关两大部分组成。译码器由ARM直接控制，用来选通不同的模拟开关。 某一路HART信号被选中通过模拟开关后，再经过信号调理模块605，就到达了数字板卡 621的HART调制解调模块608，HART调制解调模块608内部有整形和滤波模块，经解 调后输出数字信号，最后以UART接口方式送到ARM微处理器622。ARM微处理器622 对数据进行处理后，传递给工业以太网协议转换模块610，打包封装后的数据再通过模拟 板620的以太网模块614传递给信号接口底板619，最后通过信号接口底板619的以太网 通信接口模块618发送出去。现场HART设备接收控制系统数据的过程是从控制系统过来的数据先通过信 号接口底板619进入模拟板620，再通过模拟板620的以太网隔离变压器614进入数字板 621的工业以太网协议转换模块610。协议转换模块610解析接收到的数据并转换成标 准的UART数据帧进入ARM处理器622的HART主站协议栈。HART主站协议栈进行 HART协议封装并进行通道切换后把数据送给HART调制解调器608进行信号调制，然 后再把信号递给模拟板620。信号在模拟板620中经过信号调理模块605、通道选择模块 604、电压保护模块603和直流隔离模块602后最后到达信号接口底板619，再通过底板上 的HART通道601发送给现场HART设备。
权利要求
1.一种多路复用型智能网关，其特征在于，依次包括连接的通信接口底板、模拟板 卡和数字板卡，接收现场数据的通信接口底板包括HART通道、以太网、RS485接口 模块、指示灯模块、滤波稳压模块、保险丝模块；模拟板卡由HART通信通道、电源 模块、工业以太网和RS485信号传输通道组成，对应连接通信接口底板上的接口模块， HART通信通道依次包括直流隔离模块、电压保护模块、通道选择模块、信号调理模 块，确保发送和接收的HART信号都是准备的信号；电源模块提供各个模块所需的3V 和5V电压；工业以太网和RS485信号传输通道，由RS485模块和以太网隔离变压器组 成；数字板卡包括HART调制解调模块、微处理器模块、以太网物理层模块、数据存储 模块、拨通开关模块、工业以太网协议转换模块，HART调制解调器模块和以太网物理 层模块分别接收模拟板卡来的HART信号和以太网信号，处理后送入微处理器模块；数 据存储模块接收并将存储的现场仪表数据送入微处理器模块；设置RS485通信速率和通 信地址的拨动开关将开关信号送入微处理器模块；微处理器模块处理后输出数据通过工 业以太网协议转换模块转换协议后送入到工业以太网上。
2.根据权利要求1所述多路复用型智能网关，其特征在于，所述模拟板卡中RS485 信号传输通道输入采用磁耦隔离；所述模拟板卡中电源模块采用了 DC/DC变压器实现电 源隔离；所述模拟板卡中HART通信通道中直流隔离模块使用电容式直流隔离，将4 20mA信号与HART信号分离。
3.—种多路复用型智能网关的工作方法，包括多路复用型智能网关，其特征在于， 方法包括如下具体步骤1) HART主站协议栈接收并储存来自HART通道的标准HART数据帧，并对其进 行解析，如果符合要求则递交给协议转换模块，协议转换模块对数据进行重新打包，再 递交给工业以太网协议栈进行协议封装，通过以工业太网通道发送出去；2)工业以太 网协议栈接收并储存来自工业以太网通道的数据帧，并对其进行解析，如果是发送给现 场设备的指令，则传递给协议转换模块，协议转换模块对数据进行重新打包，再传递给 HART主站协议栈进行HART协议封装并进行通道切换，最后通过HART通信通道发送给 现场HART仪表；3)工业以太网协议栈接收并储存来自工业以太网通道的数据帧，并对其进行解析， 如果是发送给网关的指令，则传递给HART从站协议栈，HART从站协议栈执行命令后打 包数据传递给工业以太网协议栈进行协议封装，通过以工业太网通道发送出去；4)自动扫描模块会监视每一路的设备连接状态，如果有设备连入，则调用HART主 站协议栈通过HART通信通道发送标准HART数据帧给现场设备，获取其设备变量，记 录其设备状态；5)通过安装不同的工业以太网协议栈来实现HART现场总线和相应工业以太网网络的互联互通。
全文摘要
本发明涉及一种多路复用型智能网关及工作方法，接收现场数据的通信接口底板依次经过连接的模拟板卡和数字板卡，将数据转换为工业以太网接收的信号送出，单台多路复用型智能网关拥有32路HART通道，可以同时接入多台HART设备，增加系统的集成度，降低系统的硬件开销，节省电缆和安装费用；实现多种工业以太网和HART现场总线的无缝连接，使HART设备能够更加方便的接入现有控制系统；支持现场设备集成技术，具有很强的可互操作性，用户能够更加方便的使用主流智能设备；具有很好的可扩展性，控制系统可以同时接入多台多路复用型智能网关，组成更加庞大的系统。
文档编号H04L12/66GK102025660SQ201010599229
公开日2011年4月20日 申请日期2010年12月22日 优先权日2010年12月22日
发明者李丙伟, 陈俊杰, 韩军清 申请人:上海工业自动化仪表研究院