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如何加速FF現場總線自動化智能儀表開發進度

當前,國際上正在進行的以現場總線技術為先導的自動化技術革新,是第四代儀表智能型數字化產品,這種產品的應用必須是普及的、網絡化的和開放的,也只有在大家都使用統一的現場總線標準并具有可互操作的基礎上,才可能真正地實現擴大的網絡化應用。對此,面對HART儀表和國際基金會現場總線技術已經或正在成熟的今天,如何加速開發國內的智能化儀表是行業內必須考慮的一件事。

一、采用什么樣的專用芯片

目前,國際和國內智能型儀表應用的最大量的是HART,40%,其次是FF H1PROFIBUS PA10%,剩余的模擬儀表占50%,改造的對象是面向這部分儀表,開發的產品應該兼顧HART和兩種總線。

開發的內容主要涉及到現場總線的通信芯片和儀表智能模板,兩部分可分開制作,也可以合起來。開發過程中要使用的工具是開發的套件和源碼,并在初步完成后,到國際上相關單位進行測試認證。

開發智能型總線儀表,需要的數字化、計算機和網絡等技術較高,國內的一般企業不希望前期的高投入。加之開發過程對需要首先獲得必要的資質和獲得相應的標準,這些條件阻礙了國內廠家的開發步伐。

我國在"九五""十五"期間,國家科技部和發改委曾立項資助開發工作,并在中國科學院沈陽自動化研究所等單位獲得了成功,國內企業的后續開發,應采取合作的形式,減少開發時間,開發更多的產品。

二、開發的芯片品種

根據市場需要,目前有的品種是,適用于FF H1PROFIBUS PA總線產品的專用芯片FBC0409和適用于HART總線產品的專用芯片HT1200M,各自的特點是:

1、FBC0409專用芯片

圖一:FBC0409典型應用電路

2.采用低速總線31.25Kbit/S數據傳輸速率,曼徹斯特編碼,具備線路極性自動識別及校正,44QFP封裝;適配大多數微處理器接口,內嵌4K BYTE RAM單元,可存放總線報文;提供DMA控制器和總線仲裁器,實現總線數據的高效收發;支持發送、接收、目的地址識別和內部總線仲裁機制,提高報文處理效率;提供1ms1/32msOCTET time三種定時器,可滿足協議定時需求;FBC0409典型應用電路。

2HT1200M專用芯片

HT1200M是用于HART產品開發的低功耗調制解調芯片,只需外接少量元件即可完成HART信號的調制解調電路設計,是一款在性能、成本、質量等各方面最為理想的通信芯片。HT1200M與市場上廣泛采用的HT20C15SYM20C15芯片性能、功能及管腳完全兼容,可以直接替代。

芯片采用單片、半雙工1200b/s速率的頻移鍵控調制解調器,集成接收帶通濾波器電路和發送信號波形整形電路,外接460.8kHz晶體或陶瓷濾波器和內部時鐘振蕩器或外部時鐘輸入。

HT1200M典型應用電路

三、如何開發現場總線協議軟件

利用傳統開發模式開發總線型儀表通信協議,技術難度大,調試時間長,投入也較大。如果采用新型主流技術集成模式開發,可加速開發速度,減少測試費用,快速使儀表投入市場。

1FF通信協議棧特點

目前,沈陽中科博微自動化技術有限公司分別開發完成了FF H1HSE協議棧的軟件開發,且實現了HSEH1協議轉換功能。通過了FF一致性測試和互操作測試,協議棧支持標準的FMSSM服務、Link Master功能、變換塊、標準功能塊和高級功能塊、支持功能塊實例化。開發過程提供功能塊源文件模板。

該集成開發平臺還支持PROFIBUS PA協議,可用于開發Profibus PA產品。

2、選購協議棧軟件源碼

為加速開發棧協議軟件源代碼,最捷徑的做法是,利用已有的源代碼進行移植。目前,已開發成功的FF H1Profibus PA的源碼是基于FBC0409專用芯片。這種源碼是采用標準C代碼寫成的,使用Nncleus操作系統。

3、選購協議棧開發工具套件

對于用戶來說,需要的條件是,技術人員需要具備一定的數字儀表開發能力,可以讀懂和使用協議或輔助開發文本。可以提供的條件有:硬件原理圖、PCB圖、設備能力文件(CFF)描述模板(FF H1)、設備描述模板源代碼(DDL語言,FF H1)、GSD文件模板(文本文件,Profibus PA)、功能塊源代碼(C語言)以及協議庫(FF H1或者Profibus PA)和操作系統的接口硬件。

在開發圓卡時,最重要的是掌握開發包工具,這包括Fieldbus ToolKit For FF/PA。這些工具如果是基金會會員可以從基金會獲得,如果不是會員,必須通過合作開發的方式,借助于合作單位的技術儲備。

四、現場總線通信模塊構成

選擇現場總線通信模塊進行OEM定制開發是快速而有效的產品開發方法之一。這里需要考慮的有,使用串口:通過異步串口UART實現數據交換、自定義通信協議,或者是I/O接口:通過I/O接口直接采集電阻、電壓物理信號,以便確定如何設計儀表卡功耗、功能、性能和功耗之間做平衡選擇。

1、現場總線通信模塊

通信模塊適用于自動化儀表中的溫度、壓力、流量、液位、執行機構

所有用戶以上儀表中的通信模塊,必須符合以下條件,即協議的一致性測試、FF/PA的國際測試、EMC認證和本安認證等,這樣才可能正式安裝在儀表中上市。

2FF/PA圓卡技術指標

CPUAT91M0800

FLASH512K

RAM1M

總線供電:932VDC

總線電流:≤15mA

工作溫度:-30+70

儀表精度:0.1%

支持FF H1標準功能塊(AIAODIDOPIDIS等);或者支持滿足Profibus PA標準功能塊(AIAODIDO)。

3HART現場總線圓卡的技術指標

通過物理層一致性測試

420mA輸出疊加HART協議數字通訊(兩線制)

可通過手持器或PC機組態調試軟件遠程管理

通過IECEx體系防爆認證

通過電磁兼容測試認證

支持CPU故障報警,寫保護跳線

接口卡通信:串口及I/O方式,最多4I/O

與傳感器的連接部分:光耦隔離

五、現場總線控制系統的開發

         圖四:現場總線控制系統

在完成總線性智能儀表開發的基礎上,可以進行總線控制系統的合作開發,此項工作要求用戶應有一定的系統集成能力,并正在使用著某種控制系統,在此基礎上進行改造、升級和軟硬件的移植,才可能掌握難度較高的現場總線控制系統。
目前,中科博微具有的項目是,現場總線控制系統(NCS4000);裝備專用一體化控制器(NCS-MPLC )和FF網關設備(NCS-LD105)。對于儀表的自動化儀表企業來說,后續的系統開發可能需要考慮的因素較多,應根據自身和市場條件制定出長遠的開發計劃。
目前,中國科學院沈陽自動化研究所、中科博微和國內及國外多個企業合作開發了多項產品,其中有壓力變送器、溫度變送器、電磁流量計、電動執行器、執行機構等。希望能采用OEM的方式,雙方本著各自的優勢,進行合作,定能將國內的智能型總線產品搞上去。
中國科學院沈陽自動化研究所、中科搏微是國際現場總線基金會的會員單位,希望國內有條件的單位加入到現場總線基金會中來,同時也歡迎利用我們已取得的經驗和現有產品,進行OEM式的開發,共同把智能化儀表搞上去。
FBC0409

HT1200M

                                                     文章轉載請注明:沈陽中科博微自動化技術有限公司

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