摘要：介紹了HART的優(yōu)點(diǎn)，在上位系統(tǒng)和現(xiàn)場儀表之問建立長久連續(xù)通訊的方法，以及在能源計(jì)量儀表中擴(kuò)展量程和流量的溫、壓補(bǔ)償應(yīng)用的設(shè)想，擴(kuò)展了儀表的功能，解決了傳統(tǒng)的測量方法中一系列難題。 關(guān)鍵：HART協(xié)議 全數(shù)字通信 能源計(jì)量 寬量程測量 ABSTRACT This paper describes the advantages that the user got from the HART Agreement．Introduces some measures to establish long series communication between the supervise system and local instruments．It also put forward the conceive to expand the measure range of the instrument for measuring energy sources and in the application of the temperature and pressure compensation of Flux．These ways expand largely the function of the instruments，settles a series of difficult problems in the tradition measuring ways. KEY WORDS HART Agreement full numeric energy sources measuring broad range measuring 0前言 HART協(xié)議自1983年成為開放協(xié)議以來已經(jīng)整整走過21年，HART協(xié)議已經(jīng)成為過程自動化領(lǐng)域的一個(gè)事實(shí)的標(biāo)準(zhǔn)。HART儀表的價(jià)格也大幅度地下降，在國內(nèi)已經(jīng)與模擬儀表的價(jià)格十分接近支持HART儀表與上位計(jì)算機(jī)通訊的配套硬件和軟件也十分豐富。在當(dāng)今現(xiàn)場總線技術(shù)已經(jīng)十分火爆的時(shí)候，價(jià)值、成本、風(fēng)險(xiǎn)是選擇現(xiàn)場總線通信技術(shù)須考慮的3個(gè)主要因素，而HART協(xié)議是當(dāng)前進(jìn)入實(shí)用階段的智能儀表事實(shí)上的國際標(biāo)準(zhǔn)。優(yōu)點(diǎn)有信息量大，每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)HART設(shè)備有35～40個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)，HART智能現(xiàn)場設(shè)備具有連續(xù)自檢、監(jiān)視儀表的性能和不間斷地連續(xù)提供所采集的真實(shí)過程數(shù)據(jù)。 1 HART協(xié)議 HART使用符合BELl202標(biāo)準(zhǔn)的頻移鍵控（FSK）將數(shù)字信號作為交流（AC）信號疊加在4～20mA的直流（DC）信號上?！?”和“1”對應(yīng)的位分別被編碼為2200Hz和1200Hz的正弦波，調(diào)制幅度約0.5mA的信號。傳送時(shí)信息比特被轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的頻率，接收時(shí)將頻率轉(zhuǎn)換回對應(yīng)狀態(tài)的信息比特。 頻率信號是正弦的并且是完全對稱的，沒有增加直流成分，而且，頻率信號被電流回路上的模擬設(shè)備輸入端上的低通濾波器過濾掉。這樣，數(shù)字通信對模擬的4～20mA信號不產(chǎn)生任何干擾。一個(gè)HART通信芯片負(fù)責(zé)完成信號的調(diào)制和解調(diào)（如圖1所示）。 HART通信的應(yīng)用分為兩類： 第1類是數(shù)字通信與4～20mA并存。此類又分為：用手持終端與模擬回路中的變送器通信（如圖2所示）及用接口將現(xiàn)有模擬回路中的變送器與PC機(jī)或DCS相連。 第2類是全數(shù)字通信。此類又分為“點(diǎn)對點(diǎn)”的連接（如圖3（a）所示）與“多站結(jié)構(gòu)”連接（如圖3（b）所示）。多站結(jié)構(gòu)特別適用于那些對速度要求不高的采集，如能源計(jì)量、區(qū)域的溫、壓補(bǔ)償及管線管理等場合，因?yàn)樗貏e節(jié)省電纜。 常用的設(shè)備有多路切換器（它有多個(gè)HART通信端口，每一個(gè)端口可按點(diǎn)對點(diǎn)形式連接現(xiàn)場設(shè)備，有些情況下，端口也可以采用多點(diǎn)方式連接現(xiàn)場設(shè)備）、RS-485串口以及將HART信號轉(zhuǎn)到以太網(wǎng)、Modbus、Profibus的網(wǎng)關(guān)。也可采用把HART信號轉(zhuǎn)為RS-485的多路切換器。如果將一個(gè)主多路切換器和若于個(gè)從多路切換器串接在一起，最多可以把7905臺HART儀表接入一臺PC。從HART網(wǎng)絡(luò)上來的數(shù)據(jù)經(jīng)過一個(gè)多路切換器送到某個(gè)網(wǎng)絡(luò)上，例如Modbus，PROFIBUSDP或者以RS485為基礎(chǔ)的專用協(xié)議，然后送往主站。從這個(gè)意義上講，多路切換器實(shí)際上是一個(gè)網(wǎng)關(guān)單元。HART網(wǎng)絡(luò)必須在設(shè)備和供電之間有一些阻抗。位于主站（host）輸入模板上的阻抗一般為250Ω。它有兩個(gè)作用：防止直流電源將交流信號短路；作為通信信號的負(fù)載。當(dāng)FSK電流通過這個(gè)阻抗時(shí)，產(chǎn)生了一個(gè)0.125V的交流壓降。網(wǎng)絡(luò)上所有設(shè)備拾取這個(gè)交流電壓，既使在線路上有信號衰減時(shí)也能夠接收到。換句話說，發(fā)送是通過電流，接收是通過電壓。在多掛接（multidrop）模式中，幾個(gè)變送器并行連接，通常這時(shí)4～20mA功能被禁止，并且輸出都固定到4mA，與輸入無關(guān)。 2 HART協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)及應(yīng)用 2．1優(yōu)點(diǎn) 每一個(gè)HART儀表的數(shù)字信號中平均能提供3540項(xiàng)信息。要充分利用這些信息，唯一的條件就是要與HART儀表建立連續(xù)的、長期的通訊聯(lián)系。如果只是偶爾用手持器與HART儀表進(jìn)行短時(shí)間的通訊，那么，HART協(xié)議的潛力是無法發(fā)揮出來的。一旦與HART儀表建立了長期的通訊聯(lián)系，將具備以下優(yōu)點(diǎn)： 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，調(diào)試人員利用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)（量程范圍、量程上、下限值等）的重新整定，而不必到現(xiàn)場去一一確認(rèn)。 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。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，能夠準(zhǔn)確地判斷是儀表的原因還是過程的原因。HART儀表還可以對其輸出的模擬信號進(jìn)行驗(yàn)證。 3）通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行現(xiàn)場儀表的維護(hù)管理，大大提高了儀表維護(hù)工作的效率。從HART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型。因此，可以攜帶正確的工具和備件到現(xiàn)場去，維修人員到現(xiàn)場去是有的放矢。另外還可以根據(jù)HART儀表內(nèi)部的統(tǒng)計(jì)信息預(yù)測儀表需要維修的日期。 4）利用HART儀表中的多個(gè)過程變量測量值，或者采用多掛接方式，可以節(jié)省儀表的數(shù)量。一般，HART儀表可以提供最多四個(gè)變量的測量值。把這些信號利用起來可以減少儀表的數(shù)量，也可以減少主設(shè)備上的儀表安裝孔。在多掛接狀態(tài)下，一個(gè)網(wǎng)段上如果掛接l5臺儀表，則它的信息更新時(shí)間大約要10s～15s，這對能源計(jì)量還是基本能夠滿足要求的，可通過劃分多個(gè)子站的建網(wǎng)方式，來縮短整個(gè)能源計(jì)量網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)采集時(shí)間。 在基于4～20mA的系統(tǒng)中，控制回路的信號要經(jīng)過若干次模數(shù)（A/D）及數(shù)模（D/A）轉(zhuǎn)換。每次轉(zhuǎn)換增加的一個(gè)誤差，被稱為“量化誤差”，轉(zhuǎn)換誤差加起來，往往會超過1%。采用數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)消除了這些轉(zhuǎn)換的需要，大大提高了系統(tǒng)精度。HART、PROFIBUSPA與基金會現(xiàn)場總線用數(shù)字傳送的是一個(gè)帶工程單位的變量，如果現(xiàn)場總線的值是200kPa，被傳送出去就是200，而不是x％或ymA。由于取消了量程換算，也就減少了設(shè)備組態(tài)及認(rèn)證工作。 2．2在能源計(jì)量儀表中的應(yīng)用及效果 1）智能變送器可以實(shí)現(xiàn)壓力、流量（差壓）、液位、溫度、重量及位置（電位器式）等多種物理量的變送。通?？蓪⑺鼈兘映啥嗾痉绞揭怨?jié)省導(dǎo)線，每條HART總線最多可以接15臺變送器，主機(jī)可以采用PC機(jī)，此時(shí)變送器工作在全數(shù)字通信狀態(tài)，測量數(shù)據(jù)用數(shù)字信號與主機(jī)交換。它通常用于數(shù)據(jù)采集能源管理等方面。圖4為由壓力變送器、差壓變送器、溫度變送器各5臺構(gòu)成的5點(diǎn)溫壓補(bǔ)償式氣體流量計(jì)示意圖。這5點(diǎn)只用一根電纜C可長達(dá)16kin）和一臺主機(jī)實(shí)現(xiàn)，從而降低了系統(tǒng)成本。 本系統(tǒng)有兩個(gè)特點(diǎn)：一個(gè)是寬量程測量，另一個(gè)是計(jì)量平衡校正。 用通常的差壓方式的流量測量的動態(tài)范圍只有1：5左右，其原因首先在于孔板等節(jié)流裝置，在小流量時(shí)的流量和差壓已偏離開方關(guān)系；其次在于小信號時(shí)的誤差由于開方的關(guān)系而被大幅度放大，不得已而采取小信號切除。這兩個(gè)問題在本系統(tǒng)都很容易解決。智能變送器既有高的測量精度，又具有用戶設(shè)定曲線功能，所以，小流量曲線校正將使寬量程精度大大改善。 由于傳統(tǒng)的測量方法精度偏低，而幾個(gè)測量點(diǎn)的工況又往往不同，所以總管流量往往不等于支管流量之和，這種計(jì)量不平衡，往往使計(jì)量管理部門很感頭疼。而在本系統(tǒng)中，一方面各點(diǎn)的測量精度提高，另一方面又能用一套公平的校正公式隨時(shí)進(jìn)行平衡校正，從而提高了計(jì)量水平。 2）算術(shù)模塊提供多種用途的計(jì)算功能。它町以用來執(zhí)行過程工業(yè)中普通的計(jì)算，如流量的壓力和溫度補(bǔ)償、靜壓罐測量以及比例控制中受控流量設(shè)定點(diǎn)。 模塊的過程變量從兩個(gè)輸入得到，主要輸入和低端輸入。而低端輸入可以用在如下自動改變量程的方案中：使用兩個(gè)變送器進(jìn)行差壓流量測量以取得較高的量程比（如圖5所示）。 解決了傳統(tǒng)的測量方法中寬量程測量，需要雙節(jié)流件，以及切換和判斷控制等一系列難題。同時(shí)圖5的結(jié)構(gòu)還可以用于雙向流動介質(zhì)的計(jì)量（壓力不要超過變送器的耐壓）。 3結(jié)語 由于HART儀表與原4～20mA標(biāo)準(zhǔn)的儀表具有兼容性，HART儀表的開發(fā)與應(yīng)用發(fā)展迅速，特別是在設(shè)備改造中受到歡迎。盡管HART通信被認(rèn)為是種過渡性的標(biāo)準(zhǔn)，但其發(fā)展之快令人注日，它已走出智能儀表領(lǐng)域，向系統(tǒng)級連接交換發(fā)展。于2000年發(fā)布了HART6．0，它是原HART協(xié)議的增強(qiáng)版，進(jìn)步克服了原有通信技術(shù)的不足，提高了對原有及未來智能儀表產(chǎn)品的支持能力，數(shù)據(jù)利用率大大提高。在國際上其銷售額目前仍處于上升期，而在國內(nèi)可以說僅僅是開始。國際上著名的幾家大公司仍在大力發(fā)展HART儀表，重點(diǎn)在把儀表基礎(chǔ)打好，形成專業(yè)優(yōu)勢，然后在此基礎(chǔ)建立資產(chǎn)管理系統(tǒng)（AMS）；同時(shí)可將產(chǎn)品納入DCS控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)管控體化。任何技術(shù)都有發(fā)展的舞臺，有識之士能從這一領(lǐng)域找到各自發(fā)展的技術(shù)空間。 4 參考文獻(xiàn) [1] 陽憲惠主編．現(xiàn)場總線技術(shù)及其應(yīng)用．北京：清華大學(xué)出版社1999.348～350 [2] 鄔寬明主編．現(xiàn)場總線技術(shù)應(yīng)用選編（1）、（2）．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2004．（1）214～222，（2）73～74． [3] [瑞典]Jonas Beige著，陳小楓等譯．過程控制現(xiàn)場總線——工程、運(yùn)行與維護(hù)．北京：清華大學(xué)出版社，2003.30～35，56，190，319