HART通信协议在过程控制现场仪表中的应用

　第20卷　第2期 吉　林　工　学　院　学　报 V o l.20　N o.2 1999年6月 JOU RNAL O F J I L I N I N ST ITU T E O F T ECHNOLO GY Jun.1999

HA R T通信协议在过程控制现场仪表中的应用3

α

邵敏权　宋　宇　吕秀江

(吉林工学院自动化及电气工程系,长春130012)

摘　要　介绍了在现场检测仪表中应用与现行4～20mA模拟信号兼容的数字通信HA R T协议的研制工作。应用HA R T协议能使仪表既保留传统两线制传输的优点,并且还可实现多主通信、多点控制,易于对远距离现场仪表进行组态控制。

关键词　数字通信　HA R T　通信协议　智能仪表

分类号　T P278

0　引　言

在过程控制自动化领域,目前国内仍在大量运行使用4～20mA模拟信号的现场仪表、调节器和执行器。随着科学技术的进步,工业生产控制模式正在从集中控制向分散控制发展,必然产生各种以微控制器为基础的智能现场仪表。而智能现场仪表只有使用现场总线作数字通信才能显示其卓越的性能。这样的智能仪表可以做到:

(1)传感器的非线性和温度特性的补偿;

(2)用一个现场仪表进行多项参数测量;

(3)提供内部自诊断功能;

(4)可进行多点通信。

此外,还允许手持通信器或中心控制室通过远距离的通信对现场仪表进行组态并能读出现场仪表的附加信息。如标识字、关于测量的描述、仪表的校准范围和单位以及与维护相关的活动记录(如最后的数据校准)。这样使测量控制系统同时具备了现场仪表的管理能力。

1　HA R T协议

尽管数字通信是必然趋势,但现在大量使用的4～20mA的仪表、控制器及执行器是不可能在短时期内被全部撤换的,所以在一个较长的过渡期内显然需要一种既可使用数字信号,又可兼容模拟信号的过渡性的通信协议。1986年,Ro se2 m oun t公司提出HA R T(H ighw ay A ddressab le R em o te T ran sducer可寻址远程变送器数据通道)这一现场总线通信协议。此后在1993年,成立了HA R T通信基金会HCF(HA R T Comm u2n icati on Foundati on),约有70多家国际著名的大公司参加。

应用HA R T协议能够很容易地实现一个控制系统和智能现场仪表之间的通信。对于日益增加的智能化现场仪表的模拟数字混合式通信来说,HA R T已成为事实上的工业标准。有越来越多的厂家已经可提供采用HA R T协议的产品。 HA R T通信不需要增加布线,可以通过现存的仪表与中心控制室的连线进行。应用HA R T协议的智能现场仪表允许模拟信号和数字信号在两根导线上同时并存,并保持模拟信号的连续。但在数字通信上花费的时间为测量增加了延迟,这将使快速环的控制受到影响。HA R T协议的优点之一就是在这种情况下可以继续使用模拟信号来实现控制。在测量采用数字式通信,即不再需要4～20mA的模拟信号的应用中,HA R T协议允许采用多点模式,即将多个现场仪表都连接到一对导线上,分别读取各变送器的数据。在多点模式中,现场仪表是并联的,模拟输出被设置为仪表所需电源4mA。

HA R T现场总线使用国际标准化组织ISO 规定的开放式系统互联O S I七层模型中的第一(物理)层,第二(数据链路)层和第七(应用)层。111　物理层

HA R T协议使用频移键控FSK(F requency2 Sh ift Keying)技术将数字信号变换为音频信号叠加到现场变送器和控制室之间的4～20mA电流环上来作数字通信。规定的信号频率(1200H z

α第一作者　男　1946年生　副教授3吉林省科技发展计划资助项目

收稿日期:1999201213

代表1,2200H z代表0)和传输速率(1200位 s)符合美国B ELL202标准。这些音频正弦波的平均值为零。因此,它在现存的模拟信号中不增加直流成分。只要使用低通滤波器滤去数字信号,现有的模拟仪表可以正常工作。

HA R T通信信号标准见表1(所有数值均用峰值表示)。

表1　HA R T通信信号标准

主机发送信号400～600mV

从机发送信号018～112mA

最小从机信号,由2308电阻转换184mV

最大从机信号,由11008电阻转换1320mV 接收器灵敏度(必须正确接收)0112～210V 接收器阈值(必须忽略)0～80mV

协议将从机设置为不同的地址,因此许多此类装置就能同时接到一对现场总线上。在点对点(单一从机)操作中原始变量可以模拟或数字通信的形式读出,而在多点模式中,则必须使用数字式通信来读原始变量,此时模拟信号不再适用。112　数据链路层

HA R T协议是一种主2从式通信协议,但允许在一个系统中有两个主机:一级主机是控制系统,二级主机是手持通信器,这两个主机有不同的地址。只有当从机接收到了命令报文后,才能回复。这种来自从机的应答,证实了命令已被接收,并且包含主机需要的数据。在非本质安全应用下,多至15个从机可以同时被联到同一个多点线路。要求现场仪表每秒可处理2～3个报文应答。113　应用层

HA R T协议命令可分为三类:

第一类:通用指令。提供所有现场仪表中都能使用的功能。包括:厂商和装置类型,变量绝对值,变量百分比值,变量单位和阻尼时间常数,传感器系列号和极限等。

第二类:一般操作命令。提供大部分现场仪表适用的功能。包括:设阻尼时间常数,设发送范围,校准,执行自检,调节变量为0,写变量单位,调节D A转换0值和增益,写转换功能(平方根 线性),写传感器系列号等。

第三类:特设命令。提供某一种现场仪表专有的功能。包括:开始、结束或清累计,读写校准系数,选择原始变量(流量或密度),校准传感器等。2　应　用

近年来国外已相继推出了应用HA R T协议的采用微控制器的智能变送器。在智能变送器里,从传感器产生的信号,数字化后先由微控制器进行处理(零点和倍率校正,温度补偿等)然后再变换成4～20mA电流信号,同时留有HA R T数字信号的接口。通过与控制室或手持通信器进行通信来组态。吉林工学院和吉林化学工业公司共同承担了吉林省科委下达的“应用HA R T协议的智能压力变送器”的研制任务。我们参考了国外在这一领域的最新进展,为吉化公司仪表厂引进生产的差容式压力传感器配套成为智能变送器,使之具备HA R T通信能力,达到了目前国外同类产品的水平。

差容式传感器内部是由一个可随压力变化而移动的可动电极和两块固定极板组成。这两块极板等距置于可动电极的两侧,与可动电极形成两个电容。如在一侧输入大气压,另一侧输入测定压力时,即构成压力传感器;而当两侧均为压力输入时,便组成差压传感器。在一定范围内,可动电极的位移与两侧接入的压力差成比例。

设C A、C B为两个等效电容值,可分别表示为:

C A=(Ε A) (d-∃d)

C B=(Ε A) (d+∃d)

式中:Ε常数,约为218×819p F m;

A电极有效面积;

d压力为0时固定极板与可动电极的距离;

∃d可动电极随压力变化的移动距离。计算得到:

(C A-C B) (C A+C B)=∃d d

此外,R C电路的时间常数

Σ=R C

这样我们可通过串联一个固定电阻,测定其充(放)电时间来计算电容C A和C B,然后经由∃d d,转换为压力(差压)的数值。

图1为变送器结构框图。其中使用了AD421 (D A,恒压源),H T2012(数字信号接口)与微控制器。AD421包括串行输入16位D A(数字 电流)转换,除自身用电外,还提供可选择的(5V, 313V或3V)稳压输出供变送器其它部分用电。

2012片内集成了符合202标准的调制

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