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傳統變送器的HART改造

HART協議簡介傳統變送器與HART智能變送器比較傳統變送器的HART改造

(2005年1月)

摘要   簡單介紹了HART通信協議的物理層、數據鏈路層、應用層的規范。并在對其中關鍵技術和器件的選擇進行分析的基礎上,重點分析了如何實現傳統模擬變送器向HART協議智能變送器的改造。

關鍵詞    HART   FSK  HART協議變送器

0         引言

上世紀70年代中期,統一的兩線制4~20mA標準信號促進了工業過程控制系統的發展,在目前運行的過程控制系統中仍然占據著相當大的比例。但是采用模擬量對傳輸及控制信號進行轉換、傳遞,其精度差,受干擾信號影響大,因而整個控制系統的控制效果及穩定性都比較差,受干擾信號影響大,因而整個控制系統的控制效果及穩定性都比較差。近年來,隨著微電子技術的迅速發展,集成電路產品性能迅速提高,價格和功耗逐步下降,智能型變送器以其較高的性價比逐漸占據了市場的主流地位。為了使不同制造商生產的變送器能夠更方便地集成在同一個系統中,國際上一些大的廠商和標準化組織制定了一些開放地協議標準。在過程控制領域,HART協議智能變送器和FF協議智能變送器實際上分別代表了現在和未來的過程控制變送器工業標準。

1         HART協議簡介

HART(highway  addressable  remote  transducer,可尋址遠程傳感器通路)是用于控制系統與現場智能變送器的一種工業標準通信協議,由美國Rosemount公司在1986年制定,并在其后幾年進行了修訂、增補后作為開放標準由HART通信基金會向世界發布。

與其它只支持數字信號傳輸的現場總線協議相比,HART協議智能變送器的最大特點就是在傳輸數字通信信號的同時,保留了4~20mA標準控制信號,可以直接替換原有的模擬儀表,從而成為改造原有模擬設備的理想選擇。與模擬儀表相比,HART智能儀表在成本不增加太大的前提下,具有易于調試、維護和精度更高的優點,因而在當前的過渡時期具有很強的市場競爭力。在全世界范圍內,新安裝的現象變送器中已有超過70%符合HART協議標準。國內由于起步較晚,HART智能變送器所占的比例還比較低,但經過幾年來的推廣,近年已經獲得迅猛的發展。

HART通信協議采用了OSI通信協議參考模型中的第一層物理層、第二層數據鏈路層和第七層應用層,省略了中間各層。

HART通信協議的物理層是在4~20mA的模擬信號上疊加Bell202標準的頻移鍵控信號,用兩個不同的頻率1200Hz和2200Hz來表示二進制的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。HART協議規定:HART協議主設備(主控制系統或手持器)傳送是一個電壓信號,電壓峰峰值為400~600mV;HART協議從設備(現場設備)傳送的是一個電流信號,電壓峰峰值為400~600mV;HART協議從設備(現場設備)傳送的是一個電流信號,電流峰峰值為0.8~1.2mA。

HART的數據鏈路層規定了通信數據的結構、通信模式、用戶接口原語等。HART通信協議為主從式協議,即現場設備只有在被主設備請求時才作出響應。HART協議允許在同一通信鏈路中存在兩個主設備,第一主設備通常是計算機或控制室設備,第二主設備通常是手持通信器。

HART通信協議的應用層命令被定義為三類:通用命令、常用命令、設備專用命令。通用命令的代碼范圍是0~30,它們提供的所有符合HART通信協議的現場設備所完成的功能,目的是確保在大量并不斷增長的來自不同供應商的符合HART協議的設備間可互操作,并在日常工廠操作中訪問數據。常用命令的代碼范圍是32~126,它們提供大部分符合HART通信協議(但不是全部)的現場設備完成的功能。設備專用命令的代碼范圍是128~253,它們提供由基本上唯一的特殊現場設備說完成的功能。

在一個大的系統中,往往集成了多個廠商的變送器。從用戶角度出發,希望用一個手持器就可以對所有的變送器進行一些常用的操作,這就涉及到了互操作性。為了保證HART協議產品符合互操作性要求,HART基金會要求其協議產品必須經過HART基金會的互操作性和一致性測試。HART協議現場設備的種類繁多,所以認證測試工作變得尤為突出,應進行HART協議產品物理層測試、數據鏈路層及應用層測試、互操作性測試、設備描述登記等幾項工作。

2         傳統變送器與HART智能變送器比較

傳統的4~20mA模擬變送器的生產過程通常是根據用戶的訂貨需要,通過調整零點、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,往往需要反復調整,生產效率非常低。投入使用后,如果用戶需要改變變送器的量程,或者在經過長時間運行后儀表出現了漂移而超出了允許精度,往往就需要返回生產廠家對變送器重新進行調校。

   與傳統4~20mA模擬變送器相比,HART智能變送器可以根據用戶的不同需求,方便地設置變送器的量程,并且在生產過程中可以針對傳感器的線性度誤差和溫度漂移等特性進行相應的數字特征線性化和數字溫度補償等操作,從而具有生產效率高、精度高、溫度漂移小等優點。以上的組態、線性化等操作都可以通過組態軟件方便地實現,在現場投運后,也可以通過按鍵或者手持設備在線調整智能變送器參數,所以使現場維護的工作量大大降低。

HART智能變送器在系統調試時注意以下方面:

①最小端電壓   這是儀表可以正常工作的最小電壓。在回路電流達到最大值時(例如上限飽和,輸出固定21mA),供電電壓減去負載及電纜壓將后必須高于最小端電壓。

②負載電阻  HART協議規定,通信負載電阻范圍為230~1100 。在此范圍內,適當加大負載電阻可以增強通信時的抗干擾能力,提高通信可靠性,但同時會減小儀表的供電電壓。所以在實際使用中,需要根據供電電壓及變送器最小端電壓的要求合理選擇負載電阻。

③電纜分布電容   在實際運行中曾有過模擬輸出信號正常,但不能通信的現場。經分析是由于電纜太長、分布電容太大,致使網絡時間常數過大、通信波形嚴重失真而無法通信,此時可以通過更換合適的電纜來解決。

3         傳統變送器的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轉換電路、MCU、D/A輸出電路和HART通信電路等,如圖1所示。

             圖1 HART智能儀表電路結構示意圖

電源模塊的功能是將環路24V電壓轉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,并將傳感器的輸出信號引入到A/D轉換器的模擬輸入接口;A/D轉換部分將此模擬信號轉換為數字量供MCU使用;存儲器中可以存放各種組態信息、特征化數據等;D/A輸出部分完成電壓到環路電流的轉換;HART通信模塊用于HART協議物理層的實現;單片機(MCU)則是整個智能儀表的核心,具有協調其余部分的運行,完成運算、HART數據鏈路層、HART應用層等功能。

一個完整的工作過程通常為:首先將傳感器輸入的模擬信號轉換為微處理器可以處理的數字信號;根據此數字信號和生產過程中獲得的組態信息、特征化數據等,計算出相應的過程變量和以數字表示的模擬輸出量;再經過D/A變換,將此模擬量輸出到4~20mA回路上。從這個工作過程可以看出,影響HART變送器精度的兩個關鍵部分分別是A/D轉換和D/A轉換。

下面以常用的1151壓力變送器舉例說明應該如何選擇合適的A/D和D/A轉換芯片。假設要求儀表的數字精度達到0.1%、量程壓縮比優于6∶1,那么A/D轉換芯片的精度至少要達到0.017%F.S(全量程)。實際上,考慮到分辨率至少要有所需精度4倍的裕量,所以,A/D的分辨率應該達到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轉換器包括AD7715、MAX1400、LTC2415等,這些A/D轉換器的特點是分辨率高、功耗低,內部集成了可編程增益放大器。

HART變送器還有一個很重要的部分就是電流輸出。對電流源的要求包括輸出精度和溫度穩定性。4~20mA輸出的變送器其報警電流通常設計為小于3.9mA(低報警模式)或者大于21mA(高報警模式),以區別正常工作狀態和異常工作狀態(報警狀態時,電流值取決于選擇的報警設置而不是當前的實際壓力值)??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,可以容易地計算出其分辨率為4.9 (即D/A輸出最低位的變化影響量為49 ),這樣的分辨率在某些應用上是不允許的。為了保證足夠的分辨率,通常應該選擇分辨率不小于14位的D/A轉換器。

通常采用以下兩種方式之一實現可控電流輸出控制:一種是使用D/A轉換芯片輸出希望的電壓,然后使用模擬電路以此電壓信號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。如果選擇第一種方式,由于在進行電壓/電流轉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到非常高的電流精度,溫度漂移也比較小。

現在市場上出現了一些低成本的HART協議智能板,在使用這些智能板構成的變送器測試時發現存在著許多問題,比較突出的有以下幾個方面:

①智能板卡沒有使用HART協議通信專用的調制解調芯片如HT2012等,而只是對HART通信波形進行了簡單的調制和解調,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,也容易對與其連接的其它設備造成干擾,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一般達不到HART物理層協議規定的標準,所以不能通過HART通信物理層的測試。如果將多個儀表接入同一個電流回路中,有可能導致從設備和主設備等設備之間相互干擾而不能正常通信。

②智能板卡只能對第二主設備響應,不支持第一主設備。這意味著這些儀表只能對手持器進行響應,而不能和通常作為第一主設備的計算機或控制室設備正常通信,數據鏈路層不能通過HART基金會測試。如果采用這些板卡生產的儀表組網,則由于其在數據鏈路層和物理層不符合HART協議的要求,所以存在通信不可靠等危險。

③為了降低智能板卡成本,采用了12位的D/A和模擬電路方式,其電流輸出的精度和溫度穩定性往往不能得到很好的保證。

目前每個廠家單獨開發智能板卡在經濟上和時間上都不具備優勢,所以大都采取合作的方式共同生產。此時HART板卡的質量、售后服務等對變送器的可靠性尤為重要。如果只考慮到眼前的價格因素而忽略板卡質量,這對于儀表廠商往往是得不償失的。因此,在對傳統的模擬儀表進行HART改造時,一定要根據自己的需求,綜合考慮性能、成本等因素,選擇合適的智能板卡。

 

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