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工业现场总线与HART协议的关系及应用

更新时间:2017年03月22日 所属类别:知识百科 阅读量:

数字数据通信现场总线技术是当前自动检测技术的热点之一。从现场总线技术形成来看,它是控制、计算机、通信、网络等技术发展的必然结果;而智能仪表则为现场总线的出现和应用奠定了基础。为解决开放性资源的共享问题,从用户到厂商都强烈要求形成统一标准,促进现场总线技术的形成。目前,几种有影响的现场总线技术有:基金会现场总线、LonWorks、PROFIBUS、CAN、HART,除HART外,均为全数字化现场总线协议。

HART协议概述

HART(Highway Addressable Remote Transducer),可寻址远程传感器高速通道的开放通信协议是美国Rosemout公司于1985年推出的一种用于现场智能仪表和控制室设备之间的通信协议。全数字化意味着将取消传统的模拟信号的传送方式,而要求每一个现场设备都具有智能及数字通信的能力,使得操作人员或其他设备(传感器、执行器等)向现场发送指令(如设定值、量程、报警值等),同时也能实时地得到现场设备各方面的情况(如测量值、环境参数、设备运行情况及设备校准、自诊断情况、报警信息、故障数据等)。此外,原来由主控制器完成的控制运算也分散到了各个现场设备上,大大提高了系统的可靠性和灵活性。现场总线技术关键之处在于系统的开放性,强调对标准的共识与遵从,打破了传统生产厂家各自独立标准的局面,保证了来自不同厂家的产品可以集成到同一个现场总线系统中,并且可以通过网关与其他系统共享资源。

目前,一方面现场总线标准正处在完善和发展的阶段,另一方面传统的基于(4~20)mA的模拟设备还在广泛应用于工业控制各个领域。因此,马上全数字化是不现实的。为满足从模拟到全数字的过渡,HART协议应运而生。

HART装置提供具有相对低的带宽,适度响应时间的通信,经过10多年的发展,HART技术在国外已经十分成熟,并已成为全球智能仪表的工业标准。

HART协议的技术应用

1、HART通信采用的是半双工的通信方式

HART协议参考ISO/OSI(开放系统互连模型),采用了它的简化三层模型结构,即第一层物理层,第二层数据链路层和第七层应用层。在HART协议通信中,主要的变量和控制信息由(4~20)mA传送,在需要的情况下,另外的测量、过程参数、设备组态、校准、诊断信息通过HART协议访问。

2、操作器能从HART仪表中提取管理信息,包括生产厂商、设备类型、设备编号、工位号、日期、描述、量程上下限、最小量程、传感器上下限、工程单位、阻尼时间、传递函数等信息。

3、操作器能从HART仪表中提取测量信息,包括主变量、电流、量程百分比等。

4、操作器能对HART仪表进行组态,包括节点地址、主变量量程上下限、工程单位、阻尼时间、传递函数等。

5、操作器能对HART仪表进行校准,包括4mA、20mA电流校准、传感器调零、传感器上下限校准等。

HART采用频移键控(FSK)技术。它基于Bell202通信标准,在(4~20)mA模拟信号上叠加不同的频率信号(220Hz表示“0”,1200Hz表示“1”)来传送数字信号。HART协议的数据传输速率为1200bps(位/秒)。HART现场总线(简称HF)系统采用主从工作方式:主机为1台IBM-PC机;从机为1台或多台遵守HART协议的HF智能变送器。当从机只有1台HF智能变送器,即智能变送器工作在点-点方式下时,可继续使用传统的(4~20)mA信号进行模拟传输,而测量、调整和测试数据用数字方式传输;当从机为多台HF智能变送器时,即智能变送器工作在多站方式下时,(4~20)mA信号作废,每台变送器工作电流为4mA左右。所有测量、调整和测试数据均用数字方式传输。由于每台HF变送器有唯一的编号,所以主机能对每一台变送器进行操作。HART提供设备描述语言(DDL),以确保互操作性。图1是HART协议智能变送器的原理框图。

现场总线与HART协议原理图

图一:HART智能变送器图

传感器模拟量信号经A/D转换成数字量后送入单片机,单片机将处理后的数字量通过D/A转换器,经V/I转换电路输出(4~20)mA标准电流信号。在数字通信时,微处理器通过通信接口芯片及耦合电路,以(4~20)mA电流环路为介质传送和接收数据。

功耗要求

为兼容(4~20)mA现行标准,HART协议智能变送器必须可工作在(4~20)mA两线回路中。这就意味可用来为变送器供电的电流不能超过4mA。在实际应用中,为兼容数字与模拟两信号,通常将数据频率信号通过V/I转换电路的调整管,转换为幅度为±0.5mA的频率信号,叠加在两线的(4~20)mA电流环上(2200Hz表示“0”,1200Hz表示“1”)。由于对特性,此信号的平均值为0。因此模拟和数字两种信号互不干扰。但环路上电流瞬时最大值I=4.5mA,最小值I=3.5mA,如果向变送器供电过多,超过3.5mA,将导致数字信号负半周失真。考虑到调节量所需的余量,要求对变送器供电电流一般不超过3.4mA为好。

供电方式

给变送器系统供电主要有两种方式:一是直接将输入电压稳压成所需电压(5V或3.3V)后向系统供电,这种方法总电流必须控制在4mA以内,二是采用DC-DC供电方式,只要DC-DC变换器的效率足够高,在功耗控制上它比第一种方法要宽松得多,但同时还需要考虑变换器的线性稳定性因素可能带来的负面影响。由于目前微功耗、高性价比的集成电路出现,采用方法一的优越性更多,因为在供电方式上,两种方法都有需考虑对供电电压的适应问题。一般工业现场多为DC24V,也有DC36V供电的。一般要求变送器能在DC12~42V供电电压下稳定、可靠地工作,这一方面直接供电方式要比DC-DC变换方式灵活得多。

HART协议发展前景

应该指出,HART被认为是事实上的工业标准,但它本身并不算现场总线(模拟和数字的混合),只能说是现场总线的雏形,是一种过渡协议。由于(4~20)mA模拟信号标准将在今后相当长的时间内存在,所以研究HART协议仍具有重要意义。随着技术的发展,国内已有一批“符合HART协议”的智能仪表及上位系统投放市场。这类仪表,如绍兴中仪的3051智能压力变送器等与传统采用模拟信号的仪表相比,它不但能向用户提供测量信息,而且还能对仪表进行远方参数设定和向用户提供仪表的管理信息,有的还能通过特殊命令实现数据运算,具有十分明显的优点和更高的性能价格比,也有很大的市场前景。为在控制系统中实现HART协议上述功能,需要这类仪表的通信具有符合HART协议的一致性,在台式终端、手持器和上位操作站中有识别各企业生产的HART仪表设备标识和各种操作命令的“数据库”。因此,为推动国产符合HART协议仪表顺利进入市场,在控制系统中充分发挥其智能化和数字通信功能,国家机械工业局于1999年11月3日以国机管《1999》583号文发布了《国产符合HART协议智能仪表登录工作办法》,并制定了《国产符合HART协议智能仪表登录工作办法实施细则》。并委托中国足球计算器让球胜平负行业协会成立登录工作办公室,开展登录具体工作。

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