智能式现场仪表

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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。
第一层：物理层。规定了信号的传输方法、传输介
质，为了实现模拟通信和数字通信同时进行而又互不干 扰，HART协议采用频移键控技术FSK，即在4～20mA 模拟信号上迭加一个频率信号，频率信号采用 Be11202 国际标准，数字信号的传送波特率设定为 1200bps， 1200Hz代表逻辑“1”，2200Hz代表逻辑“0”，信号幅 值0.5mA，如图8.1所示。
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2. HART协议远程通信硬件
现场仪表的HART协议部分主要完成数字信号到模拟电流 信号的转换，并实现对主要变量和测量、过程参数、设备组态、 校准及诊断信息的访问。图8.2是HART协议通信模块结构框 图。
图8.2 HART协议通信模块结构框图
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HART协议采用基于Bell202标准的FSK频移键控信号，在低 频的 4～20mA模拟信号上叠加幅度为0.5mA的音频数字信号进行 双向数字通讯，数据传输率为1.2Mbps。由于FSK信号的平均值为 0，不影响传送给控制系统模拟信号的大小，保证了与现有模拟系 统的兼容性。在HART协议通信中，主要的变量和控制信息由4～ 20mA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。
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全数字化意味着取消模拟信号的传送方式，要求每一 个现场设备都具有智能及数字通信能力，使得操作人员或 其它设备（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 传统生产厂家各自标准独立的局面，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 网关与其它系统共享资源。
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8.1.2 HART协议
1. HART协议简介
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Rosemount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。HART装置提供具有相对低的带宽，适度响应时间的通信，经 过20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。
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目前，一方面现场总线标准正处在完善和发展阶
段，另一方面传统的基于4～20mA的模拟设备还在广 泛应用于工业控制各个领域。因此，立即全数字化是不 现实的。为满足从模拟到全数字化的过渡，HART协议 应运而生。它采用频移键控（FSK）技术在4～20mA 模拟信号上叠加不同的频率信号来传送数字信号。由于 4～20mA模拟信号标准将在今后相当长的时间内存在， 因此学习基于HART协议技术的现场仪表和基于现场总 线技术的智能仪表具有重要意义。
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8.1现场总线技术
8.1.1现场总线技术的产生和发展
自1983年Honeywell推出智能仪表Smar变送器之后， 世界各厂家都相继推出各有特色的智能仪表。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发展。目前，有影响的现 场总线技术有：基金会现场总线、LonWorks、 PROFIBUS、CAN、HART等，除HART外，均为全数 字化现场总线协议。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 能仪表为现场总线技术的应用奠定了基础。
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第8章 智能式现场仪表
8.1 现场总线技术 8.2 智能差压变送器 8.3 智能式温度变送器 8.4 智能式电动执行机构和智能式阀门定位器
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第8章 智能式现场仪表
随着计算机技术、通讯技术、集成电路技术的发 展，现场总线技术正在迅猛发展和扩大，它给用户一 个直观简单的使用界面和标准的“功能块”，用户可 以使用那些“图形化”的语言来构筑自己的系统。基 于现场总线技术的智能式现场仪表由于具有数字化、 智能化、小型化等特点，能够满足目前DCS和现场总 线系统等自控系统高精度、数字通讯、自诊断等要求， 正在逐渐替代处于工业自动控制系统现场的模拟变送 器和执行器。本章主要介绍几种目前技术比较成熟的 智能式差压变送器、温度变送器和智能式阀门定位器。
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图8.1基于Bell202标准的FSK频移键控信号
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通信介质的选择视传输距离长短而定。通常采用双绞同 轴电缆作为传输介质时，最大传输距离可达到1500ｍ。线路 总阻抗应在230～1100Ω之间。
第二层：数据链路层。规定了HART帧的格式，实现建 立、维护、终结链路通讯功能。HART协议根据冗余检错码信 息，采用自动重复请求发送机制，消除由于线路噪音或其它干 扰引起的数据通讯出错，实现通讯数据无差错传送。
现场仪表要执行HART指令，操作数必须合乎指定的大 小。每个独立的字符包括1个起始位、8个数据位、1个奇偶校 验位和一个停止位。由于数据的有无和长短并不恒定，所以 HART数据的长度也是不一样的，最长的HART数据包含25个 字节。
第七层：应用层。为HART命令集，用于实现 HART指 令。命令分为三类，即通用命令、普通命令和专用命令。