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工業現場總線與HART協議的關系及應用

更新時間:2017年03月22日 所屬類別:知識百科 閱讀量:

數字數據通信現場總線技術是當前自動檢測技術的熱點之一。從現場總線技術形成來看,它是控制、計算機、通信、網絡等技術發展的必然結果;而智能儀表則為現場總線的出現和應用奠定了基礎。為解決開放性資源的共享問題,從用戶到廠商都強烈要求形成統一標準,促進現場總線技術的形成。目前,幾種有影響的現場總線技術有:基金會現場總線、LonWorks、PROFIBUS、CAN、HART,除HART外,均為全數字化現場總線協議。

HART協議概述

HART(Highway Addressable Remote Transducer),可尋址遠程傳感器高速通道的開放通信協議是美國Rosemout公司于1985年推出的一種用于現場智能儀表和控制室設備之間的通信協議。全數字化意味著將取消傳統的模擬信號的傳送方式,而要求每一個現場設備都具有智能及數字通信的能力,使得操作人員或其他設備(傳感器、執行器等)向現場發送指令(如設定值、量程、報警值等),同時也能實時地得到現場設備各方面的情況(如測量值、環境參數、設備運行情況及設備校準、自診斷情況、報警信息、故障數據等)。此外,原來由主控制器完成的控制運算也分散到了各個現場設備上,大大提高了系統的可靠性和靈活性?,F場總線技術關鍵之處在于系統的開放性,強調對標準的共識與遵從,打破了傳統生產廠家各自獨立標準的局面,保證了來自不同廠家的產品可以集成到同一個現場總線系統中,并且可以通過網關與其他系統共享資源。

目前,一方面現場總線標準正處在完善和發展的階段,另一方面傳統的基于(4~20)mA的模擬設備還在廣泛應用于工業控制各個領域。因此,馬上全數字化是不現實的。為滿足從模擬到全數字的過渡,HART協議應運而生。

HART裝置提供具有相對低的帶寬,適度響應時間的通信,經過10多年的發展,HART技術在國外已經十分成熟,并已成為全球智能儀表的工業標準。

HART協議的技術應用

1、HART通信采用的是半雙工的通信方式

HART協議參考ISO/OSI(開放系統互連模型),采用了它的簡化三層模型結構,即第一層物理層,第二層數據鏈路層和第七層應用層。在HART協議通信中,主要的變量和控制信息由(4~20)mA傳送,在需要的情況下,另外的測量、過程參數、設備組態、校準、診斷信息通過HART協議訪問。

2、操作器能從HART儀表中提取管理信息,包括生產廠商、設備類型、設備編號、工位號、日期、描述、量程上下限、最小量程、傳感器上下限、工程單位、阻尼時間、傳遞函數等信息。

3、操作器能從HART儀表中提取測量信息,包括主變量、電流、量程百分比等。

4、操作器能對HART儀表進行組態,包括節點地址、主變量量程上下限、工程單位、阻尼時間、傳遞函數等。

5、操作器能對HART儀表進行校準,包括4mA、20mA電流校準、傳感器調零、傳感器上下限校準等。

HART采用頻移鍵控(FSK)技術。它基于Bell202通信標準,在(4~20)mA模擬信號上疊加不同的頻率信號(220Hz表示“0”,1200Hz表示“1”)來傳送數字信號。HART協議的數據傳輸速率為1200bps(位/秒)。HART現場總線(簡稱HF)系統采用主從工作方式:主機為1臺IBM-PC機;從機為1臺或多臺遵守HART協議的HF智能變送器。當從機只有1臺HF智能變送器,即智能變送器工作在點-點方式下時,可繼續使用傳統的(4~20)mA信號進行模擬傳輸,而測量、調整和測試數據用數字方式傳輸;當從機為多臺HF智能變送器時,即智能變送器工作在多站方式下時,(4~20)mA信號作廢,每臺變送器工作電流為4mA左右。所有測量、調整和測試數據均用數字方式傳輸。由于每臺HF變送器有唯一的編號,所以主機能對每一臺變送器進行操作。HART提供設備描述語言(DDL),以確?;ゲ僮餍?。圖1是HART協議智能變送器的原理框圖。

現場總線與HART協議原理圖

圖一:HART智能變送器圖

傳感器模擬量信號經A/D轉換成數字量后送入單片機,單片機將處理后的數字量通過D/A轉換器,經V/I轉換電路輸出(4~20)mA標準電流信號。在數字通信時,微處理器通過通信接口芯片及耦合電路,以(4~20)mA電流環路為介質傳送和接收數據。

功耗要求

為兼容(4~20)mA現行標準,HART協議智能變送器必須可工作在(4~20)mA兩線回路中。這就意味可用來為變送器供電的電流不能超過4mA。在實際應用中,為兼容數字與模擬兩信號,通常將數據頻率信號通過V/I轉換電路的調整管,轉換為幅度為±0.5mA的頻率信號,疊加在兩線的(4~20)mA電流環上(2200Hz表示“0”,1200Hz表示“1”)。由于對特性,此信號的平均值為0。因此模擬和數字兩種信號互不干擾。但環路上電流瞬時最大值I=4.5mA,最小值I=3.5mA,如果向變送器供電過多,超過3.5mA,將導致數字信號負半周失真??紤]到調節量所需的余量,要求對變送器供電電流一般不超過3.4mA為好。

供電方式

給變送器系統供電主要有兩種方式:一是直接將輸入電壓穩壓成所需電壓(5V或3.3V)后向系統供電,這種方法總電流必須控制在4mA以內,二是采用DC-DC供電方式,只要DC-DC變換器的效率足夠高,在功耗控制上它比第一種方法要寬松得多,但同時還需要考慮變換器的線性穩定性因素可能帶來的負面影響。由于目前微功耗、高性價比的集成電路出現,采用方法一的優越性更多,因為在供電方式上,兩種方法都有需考慮對供電電壓的適應問題。一般工業現場多為DC24V,也有DC36V供電的。一般要求變送器能在DC12~42V供電電壓下穩定、可靠地工作,這一方面直接供電方式要比DC-DC變換方式靈活得多。

HART協議發展前景

應該指出,HART被認為是事實上的工業標準,但它本身并不算現場總線(模擬和數字的混合),只能說是現場總線的雛形,是一種過渡協議。由于(4~20)mA模擬信號標準將在今后相當長的時間內存在,所以研究HART協議仍具有重要意義。隨著技術的發展,國內已有一批“符合HART協議”的智能儀表及上位系統投放市場。這類儀表,如紹興中儀的3051智能壓力變送器等與傳統采用模擬信號的儀表相比,它不但能向用戶提供測量信息,而且還能對儀表進行遠方參數設定和向用戶提供儀表的管理信息,有的還能通過特殊命令實現數據運算,具有十分明顯的優點和更高的性能價格比,也有很大的市場前景。為在控制系統中實現HART協議上述功能,需要這類儀表的通信具有符合HART協議的一致性,在臺式終端、手持器和上位操作站中有識別各企業生產的HART儀表設備標識和各種操作命令的“數據庫”。因此,為推動國產符合HART協議儀表順利進入市場,在控制系統中充分發揮其智能化和數字通信功能,國家機械工業局于1999年11月3日以國機管《1999》583號文發布了《國產符合HART協議智能儀表登錄工作辦法》,并制定了《國產符合HART協議智能儀表登錄工作辦法實施細則》。并委托中國儀器儀表行業協會成立登錄工作辦公室,開展登錄具體工作。

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