水工業(yè)傳統(tǒng)流量計(jì)HART改造

摘要
　　簡(jiǎn)單介紹了HART通信協(xié)議的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層的規(guī)范。并在對(duì)其中關(guān)鍵技術(shù)和器件的選擇進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)分析了如何實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)模擬變送器向HART協(xié)議智能變送器的改造。
關(guān)鍵詞HART FSKHART協(xié)議變送器
0引言
　　上世紀(jì)70年代中期，統(tǒng)一的兩線制4~20mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)促進(jìn)了工業(yè)過程控制系統(tǒng)的發(fā)展，在目前運(yùn)行的過程控制系統(tǒng)中仍然占據(jù)著相當(dāng)大的比例。但是采用模擬量對(duì)傳輸及控制信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換、傳遞，其精度差，受干擾信號(hào)影響大，因而整個(gè)控制系統(tǒng)的控制效果及穩(wěn)定性都比較差，受干擾信號(hào)影響大，因而整個(gè)控制系統(tǒng)的控制效果及穩(wěn)定性都比較差。近年來，隨著微電子技術(shù)的迅速發(fā)展，集成電路產(chǎn)品性能迅速提高，價(jià)格和功耗逐步下降，智能型變送器以其較高的性價(jià)比逐漸占據(jù)了市場(chǎng)的主流地位。為了使不同制造商生產(chǎn)的變送器能夠更方便地集成在同一個(gè)系統(tǒng)中，上一些大的廠商和標(biāo)準(zhǔn)化組織制定了一些開放地協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。在過程控制領(lǐng)域，HART協(xié)議智能變送器和FF協(xié)議智能變送器實(shí)際上分別代表　了現(xiàn)在和未來的過程控制變送器工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

1HART協(xié)議簡(jiǎn)介
　　HART(highwayaddressableremotetransducer,可尋址遠(yuǎn)程傳感器通路)是用于控制系統(tǒng)與現(xiàn)場(chǎng)智能變送器的一種工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議，由美國(guó)Rosemount公司在1986年制定，并在其后幾年進(jìn)行了修訂、增補(bǔ)后作為開放標(biāo)準(zhǔn)由HART通信基金會(huì)向世界發(fā)布。
　　
　　與其它只支持?jǐn)?shù)字信號(hào)傳輸?shù)默F(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議相比，HART協(xié)議智能變送器的zui大特點(diǎn)就是在傳輸數(shù)字通信信號(hào)的同時(shí)，保留了4~20mA標(biāo)準(zhǔn)控制信號(hào)，可以直接替換原有的模擬儀表，從而成為改造原有模擬設(shè)備的理想選擇。與模擬儀表相比，HART智能儀表在成本不增加太大的前提下，具有易于調(diào)試、維護(hù)和精度更高的優(yōu)點(diǎn)，因而在當(dāng)前的過渡時(shí)期具有很強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。在*范圍內(nèi)，新安裝的現(xiàn)象變送器中已有超過70％符合HART協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)內(nèi)由于起步較晚，HART智能變送器所占的比例還比較低，但經(jīng)過幾年來的推廣，近年已經(jīng)獲得迅猛的發(fā)展。

　　HART通信協(xié)議采用了OSI通信協(xié)議參考模型中的*層物理層、第二層數(shù)據(jù)鏈路層和第七層應(yīng)用層，省略了中間各層。

　　HART通信協(xié)議的物理層是在4~20mA的模擬信號(hào)上疊加Bell202標(biāo)準(zhǔn)的頻移鍵控信號(hào)，用兩個(gè)不同的頻率1200Hz和2200Hz來表示二進(jìn)制的1和0，通信傳輸速率固定為1200band。由于疊加在直流上的雙頻率正弦波平均值為0，因而不影響4~20mA的模擬信號(hào)。HART協(xié)議規(guī)定：HART協(xié)議主設(shè)備(主控制系統(tǒng)或手持器)傳送是一個(gè)電壓信號(hào)，電壓峰峰值為400~600mV；HART協(xié)議從設(shè)備(現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備)傳送的是一個(gè)電流信號(hào)，電壓峰峰值為400~600mV；HART協(xié)議從設(shè)備(現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備)傳送的是一個(gè)電流信號(hào)，電流峰峰值為0.8~1.2mA。

　　HART的數(shù)據(jù)鏈路層規(guī)定了通信數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)、通信模式、用戶接口原語(yǔ)等。HART通信協(xié)議為主從式協(xié)議，即現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備只有在被主設(shè)備請(qǐng)求時(shí)才作出響應(yīng)。HART協(xié)議允許在同一通信鏈路中存在兩個(gè)主設(shè)備，*主設(shè)備通常是計(jì)算機(jī)或控制室設(shè)備，第二主設(shè)備通常是手持通信器。

　　HART通信協(xié)議的應(yīng)用層命令被定義為三類：通用命令、常用命令、設(shè)備命令。通用命令的代碼范圍是0~30，它們提供的所有符合HART通信協(xié)議的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備所完成的功能，目的是確保在大量并不斷增長(zhǎng)的來自不同供應(yīng)商的符合HART協(xié)議的設(shè)備間可互操作，并在日常工廠操作中訪問數(shù)據(jù)。常用命令的代碼范圍是32~126，它們提供大部分符合HART通信協(xié)議(但不是全部)的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備完成的功能。設(shè)備命令的代碼范圍是128~253，它們提供由基本上*的特殊現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備說完成的功能。

　　在一個(gè)大的系統(tǒng)中，往往集成了多個(gè)廠商的變送器。從用戶角度出發(fā)，希望用一個(gè)手持器就可以對(duì)所有的變送器進(jìn)行一些常用的操作，這就涉及到了互操作性。為了保證HART協(xié)議產(chǎn)品符合互操作性要求，HART基金會(huì)要求其協(xié)議產(chǎn)品必須經(jīng)過HART基金會(huì)的互操作性和一致性測(cè)試。HART協(xié)議現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的種類繁多，所以認(rèn)證測(cè)試工作變得尤為突出，應(yīng)進(jìn)行HART協(xié)議產(chǎn)品物理層測(cè)試、數(shù)據(jù)鏈路層及應(yīng)用層測(cè)試、互操作性測(cè)試、設(shè)備描述登記等幾項(xiàng)工作。

2　傳統(tǒng)變送器與HART智能變送器比較
　　傳統(tǒng)的4~20mA模擬變送器的生產(chǎn)過程通常是根據(jù)用戶的訂貨需要，通過調(diào)整零點(diǎn)、線性、增益電位器等方式使變送器的輸出符合用戶的需求。為了獲得比較高的精度，往往需要反復(fù)調(diào)整，生產(chǎn)效率非常低。投入使用后，如果用戶需要改變變送器的量程，或者在經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后儀表出現(xiàn)了漂移而超出了允許精度，往往就需要返回生產(chǎn)廠家對(duì)變送器重新進(jìn)行調(diào)校。

　　與傳統(tǒng)4~20mA模擬變送器相比，HART智能變送器可以根據(jù)用戶的不同需求，方便地設(shè)置變送器的量程，并且在生產(chǎn)過程中可以針對(duì)傳感器的線性度誤差和溫度漂移等特性進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)字特征線性化和數(shù)字溫度補(bǔ)償?shù)炔僮?，從而具有生產(chǎn)效率高、精度高、溫度漂移小等優(yōu)點(diǎn)。以上的組態(tài)、線性化等操作都可以通過組態(tài)軟件方便地實(shí)現(xiàn)，在現(xiàn)場(chǎng)投運(yùn)后，也可以通過按鍵或者手持設(shè)備在線調(diào)整智能變送器參數(shù)，所以使現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)的工作量大大降低。

HART智能變送器在系統(tǒng)調(diào)試時(shí)注意以下方面：
①zui小端電壓 這是儀表可以正常工作的zui小電壓。在回路電流達(dá)到zui大值時(shí)(例如上限飽和，輸出固定21mA)，供電電壓減去負(fù)載及電纜壓將后必須高于zui小端電壓。
②負(fù)載電阻HART協(xié)議規(guī)定，通信負(fù)載電阻范圍為230~1100。在此范圍內(nèi)，適當(dāng)加大負(fù)載電阻可以增強(qiáng)通信時(shí)的抗*力，提高通信可靠性，但同時(shí)會(huì)減小儀表的供電電壓。所以在實(shí)際使用中，需要根據(jù)供電電壓及變送器zui小端電壓的要求合理選擇負(fù)載電阻。
③電纜分布電容 在實(shí)際運(yùn)行中曾有過模擬輸出信號(hào)正常，但不能通信的現(xiàn)場(chǎng)。經(jīng)分析是由于電纜太長(zhǎng)、分布電容太大，致使網(wǎng)絡(luò)時(shí)間常數(shù)過大、通信波形嚴(yán)重失真而無法通信，此時(shí)可以通過更換合適的電纜來解決。

3　傳統(tǒng)變送器的HART改造
　　典型HART智能儀表的電路組成一般包括電源模塊、傳感器接口電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、　　MCU、D/A輸出電路和HART通信電路等。

　　電源模塊的功能是將環(huán)路24V電壓轉(zhuǎn)換為儀表各部分工作所需要的供電電壓；傳感器接口用于向傳感器提供激勵(lì)，并將傳感器的輸出信號(hào)引入到A/D轉(zhuǎn)換器的模擬輸入接口；A/D轉(zhuǎn)換部分將此模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量供MCU使用；存儲(chǔ)器中可以存放各種組態(tài)信息、特征化數(shù)據(jù)等；D/A輸出部分完成電壓到環(huán)路電流的轉(zhuǎn)換；HART通信模塊用于HART協(xié)議物理層的實(shí)現(xiàn)；單片機(jī)(MCU)則是整個(gè)智能儀表的核心，具有協(xié)調(diào)其余部分的運(yùn)行，完成運(yùn)算、HART數(shù)據(jù)鏈路層、HART應(yīng)用層等功能。

　　一個(gè)完整的工作過程通常為：首先將傳感器輸入的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為微處理器可以處理的數(shù)字信號(hào)；根據(jù)此數(shù)字信號(hào)和生產(chǎn)過程中獲得的組態(tài)信息、特征化數(shù)據(jù)等，計(jì)算出相應(yīng)的過程變量和以數(shù)字表示的模擬輸出量；再經(jīng)過D/A變換，將此模擬量輸出到4~20mA回路上。從這個(gè)工作過程可以看出，影響HART變送器精度的兩個(gè)關(guān)鍵部分分別是A/D轉(zhuǎn)換和D/A轉(zhuǎn)換。

　　下面以常用的1151壓力變送器舉例說明應(yīng)該如何選擇合適的A/D和D/A轉(zhuǎn)換芯片。假設(shè)要求儀表的數(shù)字精度達(dá)到0.1％、量程壓縮比優(yōu)于6∶1，那么A/D轉(zhuǎn)換芯片的精度至少要達(dá)到0.017%F.S(全量程)。實(shí)際上，考慮到分辨率至少要有所需精度4倍的裕量，所以，A/D的分辨率應(yīng)該達(dá)到0.017％F.S，這就要求15位以上的分辨率。常用于智能變送器的低功耗A/D轉(zhuǎn)換器包括AD7715、MAX1400、LTC2415等，這些A/D轉(zhuǎn)換器的特點(diǎn)是分辨率高、功耗低，內(nèi)部集成了可編程增益放大器。

　　HART變送器還有一個(gè)很重要的部分就是電流輸出。對(duì)電流源的要求包括輸出精度和溫度穩(wěn)定性。4~20mA輸出的變送器其報(bào)警電流通常設(shè)計(jì)為小于3.9mA(低報(bào)警模式)或者大于21mA(高報(bào)警模式)，以區(qū)別正常工作狀態(tài)和異常工作狀態(tài)(報(bào)警狀態(tài)時(shí)，電流值取決于選擇的報(bào)警設(shè)置而不是當(dāng)前的實(shí)際壓力值)?？紤]到裕量，其有效電流輸出范圍至少為20mA。如果我們選擇分辨率為12位的D/A，可以容易地計(jì)算出其分辨率為4.9(即D/A輸出zui低位的變化影響量為49)，這樣的分辨率在某些應(yīng)用上是不允許的。為了保證足夠的分辨率，通常應(yīng)該選擇分辨率不小于14位的D/A轉(zhuǎn)換器。

　　通常采用以下兩種方式之一實(shí)現(xiàn)可控電流輸出控制：一種是使用D/A轉(zhuǎn)換芯片輸出希望的電壓，然后使用模擬電路以此電壓信號(hào)控制回路電流的輸出；另一種是采用集成的電流輸出控制芯片，如AD21等。如果選擇*種方式，由于在進(jìn)行電壓/電流轉(zhuǎn)換過程中需要利用一些分立的電阻、電容等器件，所以其可靠性較低。這些分立電阻、電容等器件的溫度漂移也將直接影響回路電流的輸出。采用集成的電流輸出控制芯片則可以達(dá)到非常高的電流精度，溫度漂移也比較小。

　　現(xiàn)在市場(chǎng)上出現(xiàn)了一些低成本的HART協(xié)議智能板，在使用這些智能板構(gòu)成的變送器測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn)存在著許多問題，比較突出的有以下幾個(gè)方面：

①智能板卡沒有使用HART協(xié)議通信的調(diào)制解調(diào)芯片如HT2012等，而只是對(duì)HART通信波形進(jìn)行了簡(jiǎn)單的調(diào)制和解調(diào)，其通信波形甚至是方波。由于方波在傳輸過程中容易受到干擾，也容易對(duì)與其連接的其它設(shè)備造成干擾，因此不能可靠通信。并且板卡的通信阻抗、噪聲靈敏度和通信載波等指標(biāo)一般達(dá)不到HART物理層協(xié)議規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)，所以不能通過HART通信物理層的測(cè)試。如果將多個(gè)儀表接入同一個(gè)電流回路中，有可能導(dǎo)致從設(shè)備和主設(shè)備等設(shè)備之間相互干擾而不能正常通信。
②智能板卡只能對(duì)第二主設(shè)備響應(yīng)，不支持*主設(shè)備。這意味著這些儀表只能對(duì)手持器進(jìn)行響應(yīng)，而不能和通常作為*主設(shè)備的計(jì)算機(jī)或控制室設(shè)備正常通信，數(shù)據(jù)鏈路層不能通過HART基金會(huì)測(cè)試。如果采用這些板卡生產(chǎn)的儀表組網(wǎng)，則由于其在數(shù)據(jù)鏈路層和物理層不符合HART協(xié)議的要求，所以存在通信不可靠等危險(xiǎn)。
③為了降低智能板卡成本，采用了12位的D/A和模擬電路