摘 要:HART協(xié)議是可尋址遠(yuǎn)程傳感器高速通道通信協(xié)議，其特點(diǎn)是在現(xiàn)有模擬信號(hào)傳輸線(xiàn)上實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)通信，用來(lái)連接變送器和調(diào)節(jié)閥定位器。它的典型應(yīng)用是遠(yuǎn)程組態(tài)儀表和診斷。本文以BZ25.1工程為背景，介紹HART協(xié)議儀表在海上采油平臺(tái)上的應(yīng)用。
關(guān)鍵詞：HART;數(shù)字通訊：模擬信號(hào)
過(guò)程工業(yè)的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備向數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化的變遷是過(guò)程控制領(lǐng)域的必然趨勢(shì)?，F(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)具有節(jié)約布線(xiàn)費(fèi)用、操作靈活、可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)管理、可實(shí)現(xiàn)互操作等優(yōu)點(diǎn)，因此它已成為公認(rèn)的過(guò)程控制的發(fā)展方向。但是現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)控制系統(tǒng)在功能上還不能完全取代已經(jīng)發(fā)展得比較完善的DCS。在這種情況下，HART協(xié)議作為一種兼容原有4mA-20 mA模擬信號(hào)的數(shù)字通訊方式產(chǎn)生了。HART是可尋址遠(yuǎn)程傳感器高速通道開(kāi)放通訊協(xié)議，它是Highway Addressable Remote Transducer的縮寫(xiě)。*早由Rosemount公司于1986年開(kāi)發(fā)并得到多家**儀表公司的支持，在1993年成立了HART通信基金會(huì)HCF(HARTCommunication Foundation)。這種被稱(chēng)為可尋址遠(yuǎn)程傳感器高速通道的開(kāi)放通信協(xié)議，其特點(diǎn)是在現(xiàn)有模擬信號(hào)傳輸線(xiàn)上實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)通信，屬于模擬系統(tǒng)向數(shù)字系統(tǒng)轉(zhuǎn)變過(guò)程中過(guò)渡性產(chǎn)品。HART協(xié)議目前已被認(rèn)為是事實(shí)上的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，但是，它僅僅是一個(gè)過(guò)渡性協(xié)議，還不是現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)。
1 HART協(xié)議基本原理
1.1 HART協(xié)議網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[1]
HART協(xié)議參考ISO/OSI(開(kāi)放系統(tǒng)互連模型)，采用了它的簡(jiǎn)化三層模型結(jié)構(gòu)，即**層物理層、**層數(shù)據(jù)鏈路層和第七層應(yīng)用層(如圖1所示)。
物理層規(guī)定信號(hào)的傳輸方法、傳輸介質(zhì)。
HART協(xié)議在4mA～20mA的模擬信號(hào)上迭加了一個(gè)基于Bell202標(biāo)準(zhǔn)的FSK(Frequency ShiftKey.ing)頻移鍵控音頻數(shù)字信號(hào)。是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的半雙工電流信號(hào)和數(shù)字通信方式。1200Hz代表邏輯“0”、2200Hz代表邏輯“1”;信號(hào)的傳輸速率為1200位/s;信號(hào)的幅值為0.5mA (如圖2所示)。由于FSK信號(hào)的平均值為0，所以不影響傳送給控制系統(tǒng)的模擬信號(hào)的直流分量大小。只要用低通濾波器濾去數(shù)字信號(hào)，模擬信號(hào)可以正常工作。保證了模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)的兼容性。(如圖3所示)。HART通訊介質(zhì)采用普通的雙絞線(xiàn)就可以，線(xiàn)路總阻抗應(yīng)在230Ω-1100Ω之間。
1.1.2數(shù)據(jù)鏈路層
數(shù)據(jù)鏈路層規(guī)定了數(shù)據(jù)幀格式和數(shù)據(jù)通信規(guī)程。數(shù)據(jù)幀的格式如圖4所示，*長(zhǎng)為25個(gè)字節(jié)。HART協(xié)議是主，從控通信協(xié)議，系統(tǒng)允許有2個(gè)主設(shè)備，*多15個(gè)從設(shè)備。其中，主設(shè)備向從設(shè)備發(fā)送的數(shù)據(jù)為請(qǐng)求幀;而從設(shè)備向主設(shè)備發(fā)送的數(shù)據(jù)為響應(yīng)幀。響應(yīng)幀只比請(qǐng)求幀多了響應(yīng)碼，而響應(yīng)碼表示出錯(cuò)狀態(tài)。若為0，表示回答數(shù)據(jù)正確。否則回答出錯(cuò)。
每個(gè)字節(jié)由11位組成，其中包括一個(gè)起始位、8個(gè)數(shù)據(jù)位、1個(gè)奇偶校驗(yàn)位和1個(gè)停止位。
1.1.3 應(yīng)用層
應(yīng)用層提供了256個(gè)HART通信協(xié)議命令。命令分為3類(lèi)。第1類(lèi)為通用命令，適用于所有符合HAR1協(xié)議的產(chǎn)品，如讀主變量的值和單位等。第2類(lèi)為普通應(yīng)用命令，適用于大部分HART產(chǎn)品，但不同的產(chǎn)品會(huì)有區(qū)別，如寫(xiě)主變量。第3類(lèi)為特殊命，是各個(gè)廠(chǎng)家所特有的命令，不互相通用。
1.2 HART協(xié)議儀表系統(tǒng)的功能[2]
每一個(gè)HART儀表的數(shù)字信號(hào)中平均能提供35—40項(xiàng)信息。
1.2.1便于儀表和控制回路的調(diào)試
HART儀表都能提供儀表本身的信息。包括儀表的型號(hào)、測(cè)量范圍、制造廠(chǎng)名稱(chēng)、材料、工位號(hào)等。因此，調(diào)試人員從屏幕上就能知道各個(gè)工位上安裝的儀表是否是正確的儀表，而不必到現(xiàn)場(chǎng)去一一確認(rèn)。HART儀表還能提供儀表組態(tài)的量程范圍，量程上下限值。這些組態(tài)參數(shù)是否與DCS系統(tǒng)中相應(yīng)的組態(tài)參數(shù)匹配，這在調(diào)試中是很關(guān)鍵的。如果兩者不匹配，就會(huì)引起控制策略不能正常執(zhí)行，或者引起虛假報(bào)警。利用HART儀表的信息就可以很方便地在屏幕上加以確認(rèn)，并進(jìn)行參數(shù)的重新整定。調(diào)試人員還可以在控制回路調(diào)試時(shí)通過(guò)HART通訊使HART儀表輸出一個(gè)指定的模擬信號(hào)，然后觀(guān)察控制回路的動(dòng)作，以確定控制回路是否能正常工作。也可以利用這種方法來(lái)啟動(dòng)報(bào)警或**連鎖系統(tǒng)，確認(rèn)這些系統(tǒng)的動(dòng)作是否正確。
1.2.2 在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)協(xié)助運(yùn)行人員做出正確的判斷減少系統(tǒng)意外停車(chē)
在系統(tǒng)運(yùn)行中出現(xiàn)的報(bào)警或異常無(wú)非是過(guò)程引起的或者是儀表引起的。HART通訊可以幫助運(yùn)行人員判斷是否有儀表引起異常。由于HART儀表在每一次通訊中都給出儀表的狀態(tài)信息，因此運(yùn)行人員可以非常確切地知道現(xiàn)在有哪些儀表的工作是正常的。從而他們可以把注意力放到那些提供故障信息或者不確定信息的儀表上。大大縮小了他們的監(jiān)視范圍。一旦出現(xiàn)報(bào)警，他們能夠準(zhǔn)確地判斷是儀表的原因，還是過(guò)程的原因。HART儀表還可以對(duì)其輸出的模擬信號(hào)進(jìn)行驗(yàn)證。當(dāng)運(yùn)行人員懷疑某臺(tái)儀表的模擬信號(hào)有問(wèn)題時(shí)，他們可以將其與該儀表的同一個(gè)過(guò)程變量的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行比較，來(lái)判斷信號(hào)是否出現(xiàn)了問(wèn)題。美國(guó)有一家煉油廠(chǎng)因?yàn)橐慌_(tái)液位變送器的輸出信號(hào)連接處出現(xiàn)結(jié)露，而引起部分短路，但運(yùn)行人員又無(wú)法判斷信號(hào)的可信性，*終造成溢罐工廠(chǎng)全部停工，直接損失3O萬(wàn)美元。
如果采用HART儀表，就可以避免這類(lèi)損失。在一些**連鎖系統(tǒng)中還可以直接引入HART儀表的狀態(tài)信息，一旦儀表出現(xiàn)故障信息就可以直接觸發(fā)**系統(tǒng)動(dòng)作，不必等到過(guò)程發(fā)生大的偏差后再報(bào)警動(dòng)作，提高了控制系統(tǒng)的**性。
1.2.3 通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)儀表的維護(hù)管理大大提高了儀表維護(hù)工作的效率
首先，維護(hù)人員可以根據(jù)HART儀表的信息建立一個(gè)該儀表的私人檔案，包括儀表的型號(hào)、制造廠(chǎng)、使用日期、所在工位、校驗(yàn)日期和結(jié)果、采用的特殊材料或者灌沖液體等。其次，由于HART儀表不斷向系統(tǒng)提供儀表自身的狀態(tài)信息。因此，儀表維修人員對(duì)在線(xiàn)儀表的工作狀態(tài)十分清楚。不像采用模擬儀表時(shí)只能依靠經(jīng)驗(yàn)和推理來(lái)懷疑某臺(tái)儀表有問(wèn)題，然后到現(xiàn)場(chǎng)去拆卸送到儀表車(chē)間校驗(yàn)，而結(jié)果往往儀表是正常的?，F(xiàn)在，維修人員到現(xiàn)場(chǎng)去是有的放矢，不但減少了去現(xiàn)場(chǎng)的次數(shù)，而且不會(huì)空跑。如果發(fā)現(xiàn)儀表故障信息后，再對(duì)儀表進(jìn)行深一步的詢(xún)查，還可以從HA RT儀表的信息中得到更為詳細(xì)的故障信息。能夠初步判斷儀表的故障類(lèi)型。因此可以攜帶正確的工具和備件到現(xiàn)場(chǎng)去，避免無(wú)謂的來(lái)回跑動(dòng)。另外，還可以根據(jù)HART儀表內(nèi)部的統(tǒng)計(jì)信息預(yù)測(cè)儀表需要維修的日期。這主要用于閥門(mén)等有磨損產(chǎn)生的儀表。HART儀表可以對(duì)閥桿的動(dòng)作次數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，可以計(jì)算閥桿的累計(jì)運(yùn)動(dòng)里程數(shù)。當(dāng)這個(gè)數(shù)字與制造廠(chǎng)提供的部件壽命指標(biāo)接近時(shí)，就表示這臺(tái)閥門(mén)將需要維修了。這樣的預(yù)測(cè)，工廠(chǎng)可以更合理地配備維修資源，在*合適的時(shí)機(jī)購(gòu)買(mǎi)備件，把維修計(jì)劃制定得更科學(xué)，對(duì)一些隨著時(shí)間會(huì)發(fā)生性能老化的傳感器也可以采用這種預(yù)測(cè)方法。
1.2.4 利用HART儀表中的多個(gè)過(guò)程變量測(cè)量值或者采用多掛接方式可以節(jié)省儀表的數(shù)量
一般HART儀表可以提供*多四個(gè)變量的測(cè)量值。把這些信號(hào)利用起來(lái)可以減少儀表的數(shù)量，也可以減少主設(shè)備上的儀表安裝孔。
如果過(guò)程對(duì)數(shù)據(jù)更新的速度要求很低，還可以采用多掛接的方式，能節(jié)省電纜端子板配電器等設(shè)備的數(shù)量。
2 HART儀表在BZ 25.1采油平臺(tái)上的應(yīng)用[2]
有兩種方式可以把HART表和控制系統(tǒng)聯(lián)接在一起。有些公司把HART作為系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)配置，所有I，O模塊都能接受HART數(shù)字信號(hào)，例如Emerson的Delta—V系統(tǒng);有些公司則采用把HART信號(hào)轉(zhuǎn)為RS-485的多路切換器，通過(guò)RS-485傳送HART信號(hào)到控制系統(tǒng)。BZ 25一1采油平臺(tái)上的控制系統(tǒng)采用的是**種方式。
2.1系統(tǒng)接線(xiàn)圖
采用HART協(xié)議的表，接到控制系統(tǒng)中時(shí)，需要在原有的端子排和I/O卡之間多加一個(gè)HART接口板。這塊HART接口板的作用是把復(fù)合有模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)的現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)一分為二。傳統(tǒng)的模擬信號(hào)送往I/O卡，數(shù)字信號(hào)送往HART復(fù)用器。HART復(fù)用器中的從復(fù)用器經(jīng)過(guò)主復(fù)用器復(fù)合后，再經(jīng)過(guò)一個(gè)5轉(zhuǎn)換器，*終與操作站聯(lián)在一起(系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖5)。
2.2 HART接口板
HART接口板可以接l6路HART智能儀表輸入，濾出的HART信號(hào)通過(guò)26芯的排線(xiàn)送給HART復(fù)用器，濾掉HART信號(hào)后剩下的模擬信號(hào)由HART接口板送往I/O卡。它的型號(hào)為FI-PFH.NS0137。接口板對(duì)應(yīng)圖5中下部或圖6右上部。
2.3 HART主/從復(fù)用器
主復(fù)用器有三個(gè)功能：接收HART接口板送來(lái)的l6路儀表的HART信號(hào);接收從HART復(fù)用器送來(lái)的信號(hào);通過(guò)串口與操作站通訊。它的型號(hào)為KFD2.HMM.16。
從復(fù)用器有兩個(gè)功能。接收HART接I：I板送來(lái)的16路儀表表的HART信號(hào);發(fā)送信號(hào)到HART主復(fù)用器。它的型號(hào)為KFD2.I-IMS.16。
2.4 RS-232/485轉(zhuǎn)換器及操作站
主復(fù)用器的輸出為Rs485。為了與計(jì)算機(jī)相聯(lián)，需加一個(gè)RS-485/RS。232轉(zhuǎn)換接頭。主復(fù)用器的信號(hào)送到操作站上之后，通過(guò)一套特殊的軟件可以實(shí)現(xiàn)前文所述HART智能儀表的各種功能。
3 結(jié)論
和現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)相比，現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)HART協(xié)議更加完整，更加先進(jìn)。但是，在HART儀表已經(jīng)相當(dāng)普及的情況下，用戶(hù)只要花很少的投資就可以享受到許多實(shí)實(shí)在在的好處。HART儀表可以涵蓋平臺(tái)儀表系統(tǒng)中的過(guò)程控制和關(guān)斷兩個(gè)子系統(tǒng)，而現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)通常只能應(yīng)用到過(guò)程控制子系統(tǒng)中。
參考文獻(xiàn)
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公安機(jī)關(guān)備案號(hào)：
