HART协议在化工自动化中的应用

第4期
HART协议在化工自动化中的应用
时国红1，樊安亮1，王玉新2
（1.中国石油辽阳石化分公司尼龙厂， 辽宁 辽阳 111003）（2.中国石油辽阳石化分公司物资采购中心， 辽宁 辽阳 111003）
[摘 要] 对HART协议的提出、原理和HART数据管理平台应用现状进行了归类举例并分析了HART协议从企业网络架构到具体测量回路等工业生产中的多个应用案例，介绍了HART协议在化工自动化中仪表设备数据管理和测量解决方案等方面的应用。

HART协议强大的生命力和丰富的服务于多种工业环境的数据通讯方案将对化工自动化中企业信息化框架搭构、现场设备信息管理和复杂环境生产对象监测起到重要作用。

[关键词] HART协议；自动化；应用
作者简介：时国红（1967—），女，辽宁锦州人，1989年7月毕
业于辽阳石油化工专科学校，工程师。

现在中国石油辽阳石化分公司尼龙厂从事工厂自动化运行管理与维护工作。

HART 协议是美国罗斯蒙特公司于1986年提出的一个过渡性标准通信协议，实现从传统的模拟量通讯向纯数字量通讯的过渡。

目前支持HART 协议的仪表制造商众多，产品应用广泛，该协议已成为工业标准。

HART 协议是在模拟信号上叠加了数字信号，模拟通讯和数字通讯可以同时进行传递，保证了4-20mA 模拟信号与数字通讯信号的兼容。

HART 协议的有效通讯距离为3000m ，具有点对点通讯模式和多点连接通讯模式，可以在一根双绞线上连接多台HART 设备，构成多站网络。

HART 协议采用DDL 语言，无论是仪表制造商还是HART 基金会组织都可以采用DDL 技术来读取仪表的参数和数据，不必开发专用接口，因此，HART 协议在化工自动化的网络架构及测量回路上应用广泛。

按仪表数据的管理和使用，大致可分为现场仪表本身的信息、组态参数管理和生产现场被测对象的监测数据传输两个应用范畴。

1 HART 仪表设备信息及组态参数管理
HART 信息管理平台经过多年的发展，稳定性、兼容性和计算能力越来越强大。

基本分为HART 设备管理系统、HART 通用计算机管理平台、手持终端三大类。

1.1 HART 手持终端
罗斯蒙特公司的手持终端是应用最广泛的HART 协议人机接口设备，主要功能有：（1）读取40项以上的设备信息；（2）最多可同时读取4个变量；（3）读取故障自诊断信息；（4）设定零
点、量程、阻尼时间及运算公式等参数；（5）校正变送器和阀门定位器；（6）初始化设置；（7）3000m 的最大传输距离，实现控制室远程维护设备。

1.2 HART 通用计算机平台
E+H 公司的HART 协议通讯适配器FXA195，是比较典型的HART 通用计算机平台。

硬件上由通用计算机和安装在其USB 接口的通讯协议适配器组成，软件是在计算机上安装FieldCare 应用软件及FXA195专用驱动程序，即可使通用计算机具备与HART 手持终端相类似的功能。

由于通用计算机强大的数据运算处理能力，使得该类平台的储存能力比手持终端保存更多的设备数据信息及组态参数。

基于WINDOWS 平台强大的开放拓展能力，通过编译本计算机储存的设备信息，可以实现与第三方HART 通用计算机平台的信息共享，开放性更强。

1.3 基于HART 协议的AMS 设备管理系统1.3.1 独立的HART 管理系统模式
这种配置模式，是通过一个多路接口单元，将分离出4-20mA 的模拟信号送给监视系统，而数字信号送给HART 管理站，HART 管理站送给现场智能仪表的数据，也可以通过接口单元进行叠加，实现对HART 仪表的远程管理[1]。

该系统具备了HART 通用计算机平台所有功能，通过多路接口单元固定地与现场的HART 仪表
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通讯，对数据的实时处理能力有着明显优势。

1.3.2 嵌入DCS系统的AMS管理系统模式
利用DCS网络、控制站、带HART功能的I/O 卡件和现场HART仪表，在DCS中设置专用的AMS 管理站，构成了嵌入DCS系统的AMS管理系统。

该模式管理系统无缝嵌入DCS系统，使DCS系统具备HART管理功能与权限，丰富了DCS系统管理HART仪表数据的手段，提高了DCS系统对现场设备的管理覆盖。

借助于DCS强大的运算能力和网络拓展能力（通过MES和ERP），HART数据被用于生产、维护、资源管理等方面，从而最大程度地挖掘了HART协议的潜力。

2 HART协议用于生产现场被测对象的监测数据传输
HART协议具备三大优势：可以与模拟量同缆远距离传输的纯数字协议；通用的DDL语言；统一的基金会管理和广泛的第三方制造厂商。

2.1 直接使用HART协议进行仪表测量数据传输
某公司成品油输送管线采用罗斯蒙特质量流量计，使用MODBUS485通讯，将流量测量信号送控制室显示。

发生雷击后，流量计的MODBUS485通讯口损坏，无法完成监测任务。

这时，采用HART 协议转RS232适配器连接到通用PC计算机上，再使用MSComm通讯软件和VB++编程语言，通过HART协议方式，实现测量数据在控制室的显示，实时性好，准确率高，效果明显[2]。

2.2 使用HART协议实现仪表测量的多变量传输
目前HART智能仪表中多变量测量功能的占比很大。

如质量流量计带有体积、密度等参数的测量功能；差压变送器带有膜盒温度、静压等参数的测量。

通过HART协议，可以将其中的4个测量变量连续进行传输，对生产管理意义很大。

2.2.1 使用HART协议解调器实现多测量变量传输
某化工厂采用差压变送器和标准孔板测量空气流量，因工艺需要，改用ABB公司267DS多变量差压变送器和均速管流量计代替原有测量方案。

需要将差压、压力、温度信号送入DCS系统计算。

原方案仅有一根通讯电缆，无法同时传输三个信号。

若增敷电缆在时间、成本等方面不经济。

因267DS 带有HART功能，利用HART解调模块，将4-20mA 传输其中的差压信号，使用HART协议传输压力和温度信号，实现了同一根电缆上传输差压、压力、温度三个信号。

多变量信号经HART解调模块转换后，解调出3路4-20mA信号，经DCS计算后实现了补偿、显示并记录。

2.2.2 使用DCS系统HART卡件实现多测量变量同时传输
某石化公司绝大部分的压力/差压变送器需安装在保温箱内，并且要求自控专业在冬季巡检中重点检查箱内温度，防止冬季受冻表影响。

传统人工巡检方式实时性不强，且仪表安装分布较远易遗漏，存在巡检死角。

这些压力、差压变送器以及控制室内的DCS系统AI卡均支持HART协议，因此可以在不影响测量信号传输的前提下，使用HART协议将变送器的膜盒温度引入DCS，在DCS系统内建立温度显示及低温报警功能，全面监视冬季仪表的运行状况。

2.2.3 使用HART协议传输设备信息
某化工厂，DCS系统专配嵌入式AMS设备管理系统及带HART功能的AO卡件，并在现场配备带HART协议的阀门定位器。

可以利用AMS系统，通过HART协议，管理阀门定位器信息。

通过阀门定位器的运动频率和累计次数，判断现场控制阀门的工作状态，实现预知性维修。

2.3 HART总线应用
对于罐区、管道的监测点少而又安装分散的特点，传统的点对点模拟信号传输方式会提高通讯电缆的敷设成本，采用基金会总线又因设备昂贵、系统资源闲置而造成浪费。

使用HART通信的多点连接模式，可以在一根双绞线上连接多台现场设备，既可以实现数据监测又能节约成本。

2.4 无线数据传输
高温高压、易燃易爆、强辐射等高危场合，采用传统的有线控制策略，不仅现场敷设电缆极为不便，而且后期维护将非常困难，而无线控制策略可以弥补有线通讯的先天不足。

2.4.1 无线HART适配器模式
使用主、从节点适配的模式。

主节点安装在控制室，通过RS232等接口与通用计算机相连，配合专用HART通讯软件和驱动程序等形成HART监控站，管理现场HART仪表的设备信息和测量数据。

从节点安装在现场，通过信号电缆直接连接各种HART仪表。

从结构上类似DCS的数据采集结构，HART仪表与设在现场的从站之间的传输仍为模/数
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第4期
◆参考文献
[1] 梁亮. AMS 在化工企业中的应用[J].石油化工自动化，2007，(3)：61-62.
[2] 刘华均，邓子龙，孙仁斌，等. 罗斯蒙特流量计如何实现HART 通讯[J].当代化工，2009，(5)：497-499.
[3] 王发兵. 工业无线技术在石油化工行业的应用[J].大氮肥，2010，33(3)：145-148.
收稿日期：2019-01-03；修回日期：2019-02-27
（上接47页）
时国红等 HART协议在化工自动化中的应用同缆、只是将I/O 卡件移到现场，使用无线网络代
替了有线控制网络。

2.4.2 WIRELESS HART
WIRELESS HART 主要特征是现场仪表配置路由器功能，即每台无线仪表不仅测量自己的过程参数，同时为其他仪表间的通讯提供路由。

通常配置一个网关，实现DCS 的数据集成。

由于整个无线网络自组织、自愈合，因此优点是实施较为简单，缺点是传输距离较短，通讯速度有限，数据刷新频率较短。

而采用电池供电，对使用在危险化工场所的现场仪表有隔爆要求[3]。

3 结束语
随着FF 现场仪表设备的普遍应用，化工自动化中的纯数字时代是大势所趋，HART 协议将完成它的历史使命。

但在当前仪表信号由模拟量向数
字量过渡的相当长时期内，HART 仪表还将普遍应用。

可以与模拟量同缆远距离传输的纯数字协议、通用的DDL 语言、统一的基金会管理和广泛的第三方设备制造厂商这三大优点赋予了HART 协议旺盛的生命力和丰富的数据通讯方案。

针对具体的生产实际，合理使用现有资源，灵活的HART 应用方案将对企业的管理、生产和运行维护起到事半功倍的作用。

表1 石墨浸渍酚醛树脂与碳化硅的性能比较
低于170℃），而碳化硅轴承[4]可稳定地耐温到1000℃，并具有优异的耐磨性能和超强的耐化学腐蚀性能，因此将其改成耐高温的碳化硅轴承。

由于泵轴的膨胀系数为碳化硅轴套的3～4倍，因
此需在碳化硅轴承外面增加不锈钢保护套的结构，起到吸收或缓冲金属轴因受热膨胀而产生的张力，防止碳化硅轴承碎裂。

石墨浸渍酚醛树脂与碳化硅的性能比较见表1。

类别
特点
优点缺点
石墨浸渍酚醛树脂
良好的润滑性能；良好的化学稳定性；导热系数高；足够
的机械强度和耐冲击性能
不耐高温，使用温度低于170℃。

碳化硅
耐高温，碳化硅可稳定地耐温到1000℃；具有优异的耐磨性能；超强的耐化学腐蚀性能；硬度高仅次于金刚石热膨胀系数小；材料较脆，受到冲击力
作用时容易碎裂
4 结论
通过一系列改进措施和加强管理，成品塔循环
泵的使用寿命得到了延长，减少了环境污染，保证了生产的连续进行。

◆参考文献
[1] 兰州石油机械研究所编写. 石油化工用泵 第五分册 屏蔽泵[M].重庆印刷厂，1977.
[2] SH/T 3411-1999，石油化工泵用过滤器选用、检验及验收[S].
[3] 黄嘉琥，吴剑. 耐腐蚀铸锻材料应用手册[M].北京：机械工业出版社，1991.
[4] 唐山富达莱碳化硅陶瓷有限公司. 碳化硅产品参数表[Z].2009.
收稿日期：2018-12-25；修回日期：2019-03-03。