一种基于实时数据库的hart现场设备管理方法及系统的制作方法
【专利摘要】一种基于实时数据库的HART现场设备管理方法及系统。工业操作站将HART命令对应的有效数据以工业以太网协议中的报文形式发送到控制站；控制站对将解包后的有效数据以CAN协议中的报文形式发送；HART模件解包所收到的CAN协议报文将有效数据构成HART命令形式发送；HART设备接收到HART命令后将响应信息返回给HART模件后解包，以CAN协议中的报文形式打包发送给控制站；控制站解包所收到的CAN协议报文，以工业以太网协议中的报文形式打包发送到工业操作站。本发明可将全部HART现场设备数据送入主控室的操作站，让用户在控制室就能方便地远程查看、修改、配置现场设备的组态信息，提高设备维护效率，降低生产成本。
【专利说明】—种基于实时数据库的HART现场设备管理方法及系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及HART通讯【技术领域】，尤其是涉及一种基于实时数据库的HART现场设备管理方法及系统。
【背景技术】
[0002]控制器局域网CAN( Controller Area Network),属于现场总线的范畴,是一种有效支持分布式控制系统的串行通信网络，由德国博世公司在20世纪80年代专门为汽车行业开发的一种串行通信总线。由于其高性能、高可靠性以及独特的设计而越来越受到人们的重视，被广泛应用于诸多领域。而且能够检测出产生的任何错误。当信号传输距离达到IOkm时，CAN仍可提供高达50kbit/s的数据传输速率。由于CAN总线具有很高的实时性能和应用范围，从位速率最高可达IMbps的高速网络到低成本多线路的50Kbps网络都可以任意搭配。因此，CAN在汽车业、航空业、工业控制、安全防护等领域中得到了广泛应用。
[0003]高速远程可寻址转换协议(HighwayAddressable Remote Transducer,简称HART)，是一种用于现场智能仪表和控制室设备之间的现场总线通信协议。HART协议是4^20mA标准模拟信号向数字信号过渡的协议。它通过在传统的4-20mΑ标准模拟信号上叠加了一个数字信号，使得原有的模拟信号仍然可以使用，同时通过数字信号可以传输其它信息。这种协议使得现有模拟仪表在无需要改进的情况下可逐步实现数字化，从而大大降低成本，提高竞争力。目前，HART协议产品已经广泛应用在自动化控制领域中。所以，在一定时期内，HART协议仍具有很强的生命力。
[0004]目前HART现场设备管理是通过安装在现场的PC控制站通过RS-232发送、接受HART命令，与HART现场设备通信。HART现场设备管理运行必须要有带有串口的PC机控制站，通过串口线和HART Modem、匹配电阻与HART现场设备相连，从而实现控制站对HART现场设备进行管理。所以，目前的HART现场设备必须通过现场的PC机控制站上，同时操作人员只能在现场对HART现场设备进行管理与维护。同时在大多数现场的PC机控制站中，4^20mA的模拟信号只通过单独的电缆同常规的1/0模件相连接，而任何与HART现场设备的通信都是通过手持终端临时接入来完成的。而主控室的工作人员无法了解HART现场设备的实际情况，不能对其进行设备管理与参数配置等操作。传统的现场巡视的方式费时、费力，对HART现场设备的运行状态不能做到了如指掌，增加了生产故障的概率。
【发明内容】
[0005]本发明基于实时数据库的HART现场设备管理方法通过利用实时数据库，存放有效数据，以衔接不同协议之间的转换，通过对三种不同协议进行转换增强了 HART能力，可以将HART现场设备的数字信号与它的常规过程信号集成在系统平台中，将全部HART现场设备数据送入主控室的操作站，让用户在控制室就能方便地远程查看、修改、配置现场设备的组态信息，所有的操作都会记录在数据库中，做到有据可查。这样维护率提高，生产成本降低，其具体技术方案如下: 一种基于实时数据库的HART现场设备管理方法，包括如下步骤:
本发明的目的在于提供一种基于实时数据库的HART现场设备管理方法，包括如下步
骤:
51:工业操作站将HART命令对应的有效数据以工业以太网协议中的报文形式发送到控制站；
52:控制站对所收到的工业以太网协议报文进行解包，将有效数据储存于控制站数据库后以CAN协议中的报文形式打包发送到HART模件；
53=HART模件对所收到的CAN协议报文进行解包，将有效数据储存于HART模件数据库后构成HART命令形式发送到相应的HART设备；
54=HART设备接收到HART命令后将响应信息返回给HART模件，HART模件解包所述响应信息获得有效响应数据，并将有效响应数据以CAN协议中的报文形式打包发送给控制站；
55:控制站对所收到的HART模件发出的CAN协议报文进行解包，将有效响应数据储存于HART模件数据库后以工业以太网协议中的报文形式打包发送到工业操作站。
[0006]进一步的，所述控制站数据库设置有两个缓冲区分别用于暂存所述工业以太网协议报文和CAN协议报文。
[0007]进一步的，所述工业以太网协议报文的帧格式包括:目的地址、源地址、类型、数据、CRC，其中数据采用UDP数据报文格式包括:IP头、UDP头、应用数据。
[0008]进一步的，所述应用数据的格式采用自定义数据帧格式，包括:校验信息一、用户数据和校验信息二。
[0009]进一步的，所述HART模件数据库设置有两个缓冲区分别用于暂存CAN协议报文和HART命令。
[0010]本发明的另一目的在于提供一种基于实时数据库的HART现场设备管理系统，包括工业操作站、控制站、HART模件和HART设备；
所述工业操作站将HART命令对应的有效数据以工业以太网协议中的报文形式发送到控制站；
所述控制站对所收到的工业以太网协议报文进行解包，将有效数据储存于控制站数据库后以CAN协议中的报文形式打包发送到HART模件；
所述HART模件对所收到的CAN协议报文进行解包，将有效数据储存于HART模件数据库后构成HART命令形式发送到相应的HART设备；
所述HART设备接收到HART命令后将响应信息返回给HART模件，HART模件解包所述响应信息获得有效响应数据，并将有效响应数据以CAN协议中的报文形式打包发送给控制站；
所述控制站对所收到的HART模件发出的CAN协议报文进行解包，将有效响应数据储存于HART模件数据库后以工业以太网协议中的报文形式打包发送到工业操作站。
[0011]进一步的，所述控制站设置有数据库模块，所述数据库模块设置有两个缓冲区分别用于暂存所述工业以太网协议报文和CAN协议报文。
[0012]进一步的，所述HART模件设置有数据库模块，所述数据库模块设置有两个缓冲区分别用于暂存CAN协议报文和HART命令。[0013]本发明的有益效果如下:
现有技术中，HART模件使用的是hart的主站协议，以及CAN的从站协议，所以无法直接将数据在不同的协议中转化。该发明技术方案中通过数据库，将两个通讯协议隔离，同时两者使用不同的缓冲区暂存，有效的解决两种协议速度不匹配问题，同时由于相互隔离，互不影响，也避免了一个协议通信出问题时影响另一个协议。进一步的，通过使用不同的缓冲区，有效的解决了速度不匹配问题。同时，规定在一个地方统一操作数据库，这样在同一时间内只能有一个对象处理数据库，从而避免了多个对象同时处理数据而产生的操作冲突，提闻程序运行的效率。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]图1为本发明实施例的方法流程图。
[0015]图2为本发明实施例以太网协议、CAN协议、HART协议转换图。
[0016]图3为本发明实施例以太网协议、CAN协议、HART协议帧数据流转换图。
[0017]图4为本发明实施例基于实时数据库的HART现场设备管理系统的结构示意图。
【具体实施方式】
[0018]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0019]如图1实施例所示，一种基于实时数据库的HART现场设备管理方法，包括如下步骤:
S1:工业操作站I将HART命令对应的有效数据以工业以太网协议中的报文形式发送到控制站2。
[0020]S2:控制站2接收到工业操作站I发出的工业以太网协议报文后，将其解包，将有效数据放在对应控制站数据库的相应位置，控制站2取出对应的有效数据以CAN协议中的报文形式，打包发送到HART模件3。
[0021]其中，工业以太网(SNET)协议与CAN协议之间的转换过程具体如下:
如图3所示，以太网协议报文的帧格式包括:目的地址、源地址、类型、数据、CRC这五部分，其中数据我们采用UDP数据报文形式:IP头、UDP头、应用数据。对应用数据格式，我们作了改进，自定义数据帧格式，在用户数据前后增加了校验信息I和校验信息2，这样降低了误码率，从而形成了 SNET协议原理。
[0022]CAN协议扩展帧格式包括:命令字、目的地址、源地址、数据指针、用户数据这五部分。
[0023]在控制站内，我们建立了一个操作站数据库，所述操作站数据库设置有两个缓冲区分别用于暂存所述工业以太网协议报文暂存于和CAN协议报文。将工业以太网(SNET)协议与CAN协议隔离，同时两者使用不同的缓冲区暂存，有效的解决两种协议速度不匹配问题；因为相互隔离，互不影响，也避免了一个协议通信出问题时，引起另一个协议的问题。而使用不同的缓冲区，有效的解决了速度不匹配问题。同时，规定在一个地方统一操作数据库，这样在同一时间内只能有一个对象处理数据库，从而避免了多个对象同时处理数据而产生的操作冲突，提高程序运行的效率。工业以太网协议报文解包后，将用户数据放在对应操作站数据库的相应位置，根据CAN主站协议S3的规范，数据库I内对应的用户数据以CAN协议中的报文形式进行封装打包。
[0024]S3 =HART模件3收到控制站发出的CAN协议报文，将其解包，将有效数据放在HART模件数据库的相应位置，HART模件3从对应数据库中取出相应的有效数据，并依据HART协议中帧格式要求构成一个完整的HART命令并发送到相应的HART设备4。
[0025]CAN协议与HART协议间的转换过程具体如下:
HART协议帧格式包括:前导符、定界符、地址、HART命令号、字节计数、有效数据、校验这七部分信息。其中HART命令号、字节计数、有效数据这三部分属于HART应用层数据；定界符、地址、校验这三部分属于HART数据链路层数据；前导符信息属于HART物理层数据。
[0026]在HART模件内使用的是HART的主站协议，以及CAN的从站协议。由于HART协议是低速的通信协议，而CAN协议是高速通信协议，所以无法直接将数据在不同的协议中转化。因此我们建立了一个ART模件数据库，将CAN协议与HART通讯协议隔离，同时两者使用不同的缓冲区暂存，有效的解决两种协议速度不匹配问题；因为相互隔离，互不影响，也避免了一个协议通信出问题时，引起另一个协议的问题。
[0027]使用不同的缓冲区，有效的解决了速度不匹配问题。同时，规定在一个地方统一操作数据库，这样在同一时间内只能有一个对象处理数据库，从而避免了多个对象同时处理数据而产生的操作冲突，提高程序运行的效率。使用HART命令缓冲区，有效的提高了 HART命令执行的效率。解决了众多HART现场设备管理软件在通信过程中，强制用户不能操作的问题。可以在HART通信的时候，不影响正常的HART数据采样。
[0028]CAN协议报文解包后，将用户数据放在对应HART模件数据库的相应位置，依据HART协议中帧格式要求，HART模件数据库内对应的用户数据以HART帧格式进行封装，构成一个完整的HART命令信息，完成了 CAN协议与HART协议之间的转换。
[0029]S4 =HART设备4接收到HART命令后将响应信息返回给HART模件3，HART模件3解包所述响应信息获得有效响应数据，并将有效响应数据以CAN协议中的报文形式打包发送给控制站2。
[0030]S5:控制站2接收到HART模件3发出的CAN协议报文后，将之解包，将有效数据放在对应HART模件数据库的相应位置，控制站取出对应的有效数据以工业以太网协议中的报文形式，打包发送到工业操作站I。
[0031 ] 在图2实施例中，我们为HART现场设备建模，将HART现场设备抽象成一个数据模型，便于统一管理。这个过程不依赖于HART协议。
[0032]在操作站，工业操作站接口服从以太网接收协议XI，将HART命令对应的有效数据以工业以太网协议中的报文形式发送到控制站。同时，接收控制站反馈回来的响应信息，此信息是以太网协议中报文形式返回的。此报文并不是一个完整的HART命令报文，是标准的以太网协议数据帧，传递的是HART现场设备模型的有效数据。相对HART协议命令来说，数据量少很多，并且与HART现场设备无关。
[0033]在控制站，根据以太网发布协议X2，控制站接收到操作站发出的工业以太网协议报文后，将之解包，将有效数据放在对应实时数据库的相应位置。同时按照CAN主站协议X3的规范，控制站取出对应的有效数据以CAN协议中的报文形式，打包发送到HART模件。同时，依照CAN主站协议X3，控制站接收到HART模件发出的CAN协议报文后，将之解包，将有效数据放在对应实时数据库的相应位置。按照以太网发布协议X2的具体规范要求，控制站取出对应的有效数据以工业以太网协议中的报文形式，打包发送到操作站中基于实时数据库的HART现场设备管理软件。
[0034]在HART模件，按照CAN从站协议X4规范内容，HART模件收到控制站发出的CAN协议报文，将之解包，将有效数据放在对应数据库的相应位置。按照HART主站协议X5的内容，HART模件从对应数据库中取出相应的有效数据，并依据HART协议中帧格式要求构成一个完整的HART命令并发送到相应的HART现场设备。CAN协议报文是自定义的CAN数据帧，用于高速的HART现场设备模型的有效数据传递。并且与HART现场设备无关。同时，HART模件按照HART主站协议X5规范，接收来自HART设备的响应信息。HART模件将响应信息解包，将有效数据存以CAN协议中的报文形式，打包发送给控制站。
[0035]在HART设备，按照HART从站协议X6的内容，HART设备接收来自HART模件的HART命令，成功接收到后将对应的从站响应信息返回给HART模件。
[0036]相应于本发明的一种基于实时数据库的HART现场设备管理方法，还提供一种基于实时数据库的HART现场设备管理系统，图4是本发明一种移动终端的软件更新系统的结构示意图，如图4所示,所述系统,包括工业操作站、控制站、HART模件和HART设备；
所述工业操作站将HART命令对应的有效数据以工业以太网协议中的报文形式发送到控制站；
所述控制站对所收到的工业以太网协议报文进行解包，将有效数据储存于控制站数据库后以CAN协议中的报文形式打包发送到HART模件；
所述HART模件对所收到的CAN协议报文进行解包，将有效数据储存于HART模件数据库后构成HART命令形式发送到相应的HART设备；
所述HART设备接收到HART命令后将响应信息返回给HART模件，HART模件解包所述响应信息获得有效响应数据，并将有效响应数据以CAN协议中的报文形式打包发送给控制站；
所述控制站对所收到的HART模件发出的CAN协议报文进行解包，将有效响应数据储存于HART模件数据库后以工业以太网协议中的报文形式打包发送到工业操作站。
[0037]其中，所述控制站设置有数据库模块，所述数据库模块设置有两个缓冲区分别用于暂存所述工业以太网协议报文暂存于和CAN协议报文。所述HART模件设置有数据库模块，所述数据库模块设置有两个缓冲区分别用于暂存CAN协议报文和HART命令。
【权利要求】
1.一种基于实时数据库的HART现场设备管理方法，其特征在于，包括如下步骤: S1:工业操作站将HART命令对应的有效数据以工业以太网协议中的报文形式发送到控制站； S2:控制站对所收到的工业以太网协议报文进行解包，将有效数据储存于控制站数据库后以CAN协议中的报文形式打包发送到HART模件； s3=HART模件对所收到的CAN协议报文进行解包，将有效数据储存于HART模件数据库后构成HART命令形式发送到相应的HART设备； s4=HART设备接收到HART命令后将响应信息返回给HART模件，HART模件解包所述响应信息获得有效响应数据，并将有效响应数据以CAN协议中的报文形式打包发送给控制站； s5:控制站对所收到的HART模件发出的CAN协议报文进行解包，将有效响应数据储存于HART模件数据库后以工业以太网协议中的报文形式打包发送到工业操作站。
2.根据权利要求1所述基于实时数据库的HART现场设备管理方法，其特征在于，所述控制站数据库设置有两个缓冲区分别用于暂存所述工业以太网协议报文和CAN协议报文。
3.根据权利要求2所述基于实时数据库的HART现场设备管理方法，其特征在于，所述工业以太网协议报文的帧格式包括:目的地址、源地址、类型、数据、CRC，其中数据采用UDP数据报文格式包括:IP头、UDP头、应用数据。
4.根据权利要求3所述基于实时数据库的HART现场设备管理方法，其特征在于，所述应用数据的格式采用自定义数据帧格式，包括:校验信息一、用户数据和校验信息二。
5.根据权利要求4所述基于实时数据库的HART现场设备管理方法，其特征在于，所述HART模件数据库设置有两个缓冲区分别用于暂存CAN协议报文和HART命令。
6.一种基于实时数据库的HART现场设备管理系统，其特征在于，包括工业操作站、控制站、HART模件和HART设备； 所述工业操作站将HART命令对应的有效数据以工业以太网协议中的报文形式发送到控制站； 所述控制站对所收到的工业以太网协议报文进行解包，将有效数据储存于控制站数据库后以CAN协议中的报文形式打包发送到HART模件； 所述HART模件对所收到的CAN协议报文进行解包，将有效数据储存于HART模件数据库后构成HART命令形式发送到相应的HART设备； 所述HART设备接收到HART命令后将响应信息返回给HART模件，HART模件解包所述响应信息获得有效响应数据，并将有效响应数据以CAN协议中的报文形式打包发送给控制站； 所述控制站对所收到的HART模件发出的CAN协议报文进行解包，将有效响应数据储存于HART模件数据库后以工业以太网协议中的报文形式打包发送到工业操作站。
7.根据权利要求6所述基于实时数据库的HART现场设备管理系统，其特征在于，所述控制站设置有数据库模块，所述数据库模块设置有两个缓冲区分别用于暂存所述工业以太网协议报文和CAN协议报文。
8.根据权利要求7所述基于实时数据库的HART现场设备管理系统，其特征在于，所述HART模件设置有数据库模块，所述数据库模块设置有两个缓冲区分别用于暂存CAN协议报文和HART命令。
【文档编号】H04L29/06GK103728957SQ201410017472
【公开日】2014年4月16日 申请日期:2014年1月15日 优先权日:2014年1月15日
【发明者】王文海, 张益南, 钱胜伟, 许志正, 张稳稳 申请人:浙江大学