工業(yè)現場(chǎng)總線(xiàn)與HART協(xié)議的關(guān)系及應用

數字數據通信現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)是當前自動(dòng)檢測技術(shù)的熱點(diǎn)之一。從現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)形成來(lái)看，它是控制、計算機、通信、網(wǎng)絡(luò )等技術(shù)發(fā)展的必然結果；而智能儀表則為現場(chǎng)總線(xiàn)的出現和應用奠定了基礎。為解決開(kāi)放性資源的共享標題，從用戶(hù)到廠(chǎng)商都強烈要求形成統一標準，促進(jìn)現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的形成。目前，幾種有影響的現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)有：基金會(huì )現場(chǎng)總線(xiàn)、LonWorks、PROFIBUS、CAN、HART，除HART外，均為全數字化現場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議。

HART協(xié)議概述

HART(Highway Addressable Remote Transducer)，可尋址遠程傳感器高速通道的開(kāi)放通信協(xié)議是美國Rosemout公司于1985年推出的一種用于現場(chǎng)智能儀表和控制室設備之間的通信協(xié)議。全數字化意味著(zhù)將取消傳統的模擬信號的傳送方式，而要求每一個(gè)現場(chǎng)設備都具有智能及數字通信的能力，使得操作人員或其他設備(傳感器、執行器等)向現場(chǎng)發(fā)送指令(如設定值、量程、報警值等)，同時(shí)也能實(shí)時(shí)地得到現場(chǎng)設備各方面的情況(如測量值、環(huán)境參數、設備運行情況及設備校準、自診斷情況、報警信息、故障數據等)。此外，原來(lái)由主控制器完成的控制運算也分散到了各個(gè)現場(chǎng)設備上，大大提高了系統的可靠性和靈活性?，F場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)關(guān)鍵之處在于系統的開(kāi)放性，強調對標準的共識與遵從，打破了傳統生產(chǎn)廠(chǎng)家各自獨立標準的局面，保證了來(lái)自不同廠(chǎng)家的產(chǎn)品可以集成到同一個(gè)現場(chǎng)總線(xiàn)系統中，并且可以通過(guò)網(wǎng)關(guān)與其他系統共享資源。

目前，一方面現場(chǎng)總線(xiàn)標準正處在完善和發(fā)展的階段，另一方面傳統的基于(4～20)mA的模擬設備還在廣泛應用于工業(yè)控制各個(gè)領(lǐng)域。因此，馬上全數字化是不現實(shí)的。為滿(mǎn)足從模擬到全數字的過(guò)渡，HART協(xié)議應運而生。

HART裝置提供具有相對低的帶寬，適度響應時(shí)間的通信，經(jīng)過(guò)10多年的發(fā)展，HART技術(shù)在國外已經(jīng)十分成熟，并已成為全球智能儀表的工業(yè)標準。

HART協(xié)議的技術(shù)應用

1、HART通信采用的是半雙工的通信方式

HART協(xié)議參考ISO/OSI(開(kāi)放系統互連模型)，采用了它的簡(jiǎn)化三層模型結構，即di一層物理層，第二層數據鏈路層和第七層應用層。在HART協(xié)議通信中，緊張的變量和控制信息由(4～20)mA傳送，在需要的情況下，另外的測量、過(guò)程參數、設備組態(tài)、校準、診斷信息通過(guò)HART協(xié)議訪(fǎng)問(wèn)。

2、操作器能從HART儀表中提取管理信息，包括生產(chǎn)廠(chǎng)商、設備類(lèi)型、設備編號、工位號、日期、描述、量程上下限、zui小量程、傳感器上下限、工程單位、阻尼時(shí)間、傳遞函數等信息。

3、操作器能從HART儀表中提取測量信息，包括主變量、電流、量程百分比等。

4、操作器能對HART儀表進(jìn)行組態(tài),包括節點(diǎn)地址、主變量量程上下限、工程單位、阻尼時(shí)間、傳遞函數等。

5、操作器能對HART儀表進(jìn)行校準，包括4mA、20mA電流校準、傳感器調零、傳感器上下限校準等。

HART采用頻移鍵控(FSK)技術(shù)。它基于Bell202通信標準，在(4～20)mA模擬信號上疊加不同的頻率信號(220Hz吐露體現“0”,1200Hz吐露體現“1”)來(lái)傳送數字信號。HART協(xié)議的數據傳輸速率為1200bps(位/秒)。HART現場(chǎng)總線(xiàn)(簡(jiǎn)稱(chēng)HF)系統采用主從工作方式：主機為1臺IBM-PC機；從機為1臺或多臺遵守HART協(xié)議的HF智能變送器。當從機只有1臺HF智能變送器，即智能變送器工作在點(diǎn)-點(diǎn)方式下時(shí)，可繼續使用傳統的(4～20)mA信號進(jìn)行模擬傳輸，而測量、調整和測試數據用數字方式傳輸；當從機為多臺HF智能變送器時(shí)，即智能變送器工作在多站方式下時(shí),(4～20)mA信號作廢，每臺變送器工作電流為4mA左右。所有測量、調整和測試數據均用數字方式傳輸。由于每臺HF變送器有唯一的編號，所以主機能對每一臺變送器進(jìn)行操作。HART提供設備描述語(yǔ)言(DDL)，以確?；ゲ僮餍?。圖1是HART協(xié)議智能變送器的原理框圖。

傳感器模擬量信號經(jīng)A/D轉換成數字量后送入單片機，單片機將處理后的數字量通過(guò)D/A轉換器,經(jīng)V/I轉換電路輸出(4～20)mA標準電流信號。在數字通信時(shí),微處理器通過(guò)通信接口芯片及耦合電路，以(4～20)mA電流環(huán)路為介質(zhì)傳送和接收數據。

功耗要求

為兼容(4～20)mA現行標準，HART協(xié)議智能變送器必須可工作在(4～20)mA兩線(xiàn)回路中。這就意味可用來(lái)為變送器供電的電流不能超過(guò)4mA。在實(shí)際應用中，為兼容數字與模擬兩信號，通常將數據頻率信號通過(guò)V/I轉換電路的調整管，轉換為幅度為±0.5mA的頻率信號，疊加在兩線(xiàn)的(4～20)mA電流環(huán)上(2200Hz吐露體現“0”，1200Hz吐露體現“1”)。由于對特性,此信號的平均值為0。因此模擬和數字兩種信號互不干擾。但環(huán)路上電流瞬時(shí)zui大值I=4.5mA，zui小值I=3.5mA，如果向變送器供電過(guò)多，超過(guò)3.5mA，將導致數字信號負半周失真?？紤]到調節量所需的余量，要求對變送器供電電流一般不超過(guò)3.4mA為好。

供電方式

給變送器系統供電緊張有兩種方式：一是直接將輸入電壓穩壓成所需電壓(5V或3.3V)后向系統供電，這種方法總電流必須控制在4mA以?xún)?，二是采用DC-DC供電方式，只要DC-DC變換器的聽(tīng)從足夠高，在功耗控制上它比di一種方法要寬松得多，但同時(shí)還需要考慮變換器的線(xiàn)性穩定性因素可能帶來(lái)的負面影響。由于目前微功耗、高性?xún)r(jià)比的集成電路出現，采用方法一的優(yōu)越性更多，因為在供電方式上，兩種方法都有需考慮對供電電壓的適應標題。一般工業(yè)現場(chǎng)多為DC24V，也有DC36V供電的。一般要求變送器能在DC12～42V供電電壓下穩定、可靠地工作，這一方面直接供電方式要比DC-DC變換方式靈活得多。

HART協(xié)議發(fā)展前景

應該指出，HART被認為是事實(shí)上的工業(yè)標準，但它本身并不算現場(chǎng)總線(xiàn)(模擬和數字的混合)，只能說(shuō)是現場(chǎng)總線(xiàn)的雛形，是一種過(guò)渡協(xié)議。由于(4～20)mA模擬信號標準將在今后相等長(cháng)的時(shí)間內存在，所以研究HART協(xié)議仍具有嚴重意義。隨著(zhù)技術(shù)的發(fā)展，國內已有一批“符合HART協(xié)議”的智能儀表及上位系統投放市場(chǎng)。這類(lèi)儀表，如紹興中儀的3051智能壓力變送器等與傳統采用模擬信號的儀表相比，它不但能向用戶(hù)提供測量信息，而且還能對儀表進(jìn)行遠方參數設定和向用戶(hù)提供儀表的管理信息,有的還能通過(guò)分外命令實(shí)現數據運算,具有十分明顯的益處和更高的性能價(jià)格比,也有很大的市場(chǎng)前景。為在控制系統中實(shí)現HART協(xié)議上述功能，需要這類(lèi)儀表的通信具有符合HART協(xié)議的劃一性，在臺式終端、手持器和上位操作站中有識別各企業(yè)生產(chǎn)的HART儀表設備標識和各種操作命令的“數據庫”。因此,為推動(dòng)國產(chǎn)符合HART協(xié)議儀表順利進(jìn)入市場(chǎng)，在控制系統中充分發(fā)揮其智能化和數字通信功能，國家機械工業(yè)局于1999年11月3日以國機管《1999》583號文發(fā)布了《國產(chǎn)符合HART協(xié)議智能儀表登錄工作辦法》，并制定了《國產(chǎn)符合HART協(xié)議智能儀表登錄工作辦法實(shí)施細則》。并委托中國儀器儀表行業(yè)協(xié)會(huì )成立登錄工作辦公室，開(kāi)展登錄細致工作。