《自動化儀表》第26卷第1期2005年1月傳統(tǒng)變送器的HART改造HART Retrofit of Traditional Transmitters馬小永黃玲北京華控技術(shù)有限責(zé)任公司北京100085)摘要簡單介紹了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 FSK HART協(xié)議變送器Abstract The specifications of physical data link and applayers of HART communication protocol are introduced briefly. On the basis of analysis on the selection of critical technology and device the retrofit of traditional analog transmitter into HART transmitter is analyzed emphaticallyKeywords HART FSK HART protocol transmitter引言護(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)的市場競爭力。在全世界范圍內(nèi)新安裝的現(xiàn)上世紀(jì)70年代中期統(tǒng)一的兩線制4~20mA標(biāo)準(zhǔn)場變送器中已有超過70%符合HART協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。國信號促進(jìn)了工業(yè)過程控制系統(tǒng)的發(fā)展在目前運(yùn)行的內(nèi)由于起步較晚HART智能變送器所占的比例還比過程控制系統(tǒng)中仍然占據(jù)著相當(dāng)大的比例。但是采用較低但經(jīng)過幾年來的推廣近年巳經(jīng)獲得迅猛的發(fā)模擬量對傳輸及控制信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換、傳遞其精度差,展。受干擾信號影響大因而整個(gè)控制系統(tǒng)的控制效果及HART通信協(xié)議采用了OSI通信協(xié)議參考模型中穩(wěn)定性都比較差。近年來隨著微電子技術(shù)的迅速發(fā)的第一層物理層、第二層數(shù)據(jù)鏈路層和第七層應(yīng)用層,展集成電路產(chǎn)品性能迅速提高,價(jià)格和功耗逐步下省略了中間各層降智能型變送器以其較高的性價(jià)比逐漸占據(jù)了市場HART通信協(xié)議的物理層是在4~20mA的模擬信的主流地位。為了使不同制造商生產(chǎn)的變送器能夠更號上疊加Bl202標(biāo)準(zhǔn)的頻移鍵控信號用兩個(gè)不同的方便地集成在同一個(gè)系統(tǒng)中國際上一些大的廠商和頻率1200Hz和2200Hz來表示二進(jìn)制的1和0通信傳標(biāo)準(zhǔn)化組織制定了一些開放的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。在過程控制輸速率固定為1200band。由于疊加在直流上的雙頻率領(lǐng)域HART協(xié)議智能變送器和F協(xié)議智能變送器實(shí)正弦波平均值為0因而不影響4~20mA的模擬信號。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)HART協(xié)議規(guī)定HAHT協(xié)議主設(shè)備(主控制系統(tǒng)或手準(zhǔn)持器)傳送的是一個(gè)電壓信號電壓峰峰值為400~1HART協(xié)議簡介600 my HART協(xié)議從設(shè)備現(xiàn)場設(shè)備)傳送的是一個(gè)電流信號電流峰峰值為0.8~1.2mA。HART( highway addressable remote transducer可尋址HART的數(shù)據(jù)鏈路層規(guī)定了通信數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)、通遠(yuǎn)程傳感器通路湜用于控制系統(tǒng)與現(xiàn)場智能變送器信模式、用戶接口原語等。HAT通信協(xié)議為主從式的一種工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議由美國 Rosemount公司在協(xié)議即現(xiàn)場設(shè)備只有在被主設(shè)備請求時(shí)才作出響應(yīng)。1986年制定并在其后幾年進(jìn)行了修訂、增補(bǔ)后作為HART協(xié)議允許在同一通信鏈路中存在兩個(gè)主設(shè)備開放標(biāo)準(zhǔn)由HART通信基金會向全世界發(fā)布第一主設(shè)備通常是計(jì)算機(jī)或控制室設(shè)備第二主設(shè)備與其它只支持?jǐn)?shù)字信號傳輸?shù)默F(xiàn)場總線協(xié)議相通常是手持通信器。比HART協(xié)議智能變送器的最大特點(diǎn)就是在傳輸數(shù)凵中國煤化工令被定義為三類通字通信信號的同時(shí)保留了4~20mA標(biāo)準(zhǔn)控制信號,用命CNMH令令。通用命令的代碼范可以直接替換原有的模擬儀表,從而成為改造原有圍是0~30它們提供的所有符合HART通信協(xié)議的現(xiàn)模擬設(shè)備的理想選擇。與模擬儀表相比,HART智能場設(shè)備所完成的功能目的是確保在大量并不斷增長儀表在成本不增加太大的前提下具有易于調(diào)試、維的來自不同供應(yīng)商的符合HART協(xié)議的設(shè)備間可互操22PROCESS AUTOMATION INSTRUMENTATION Vol 26, No I January 2005傳統(tǒng)變送器的HART改造馬小永等作并在日常工廠操作中訪問數(shù)據(jù)。常用命令的代碼電阻。范圍是32~126,它們提供大部分符合HART通信協(xié)議③電纜分布電容在實(shí)際運(yùn)行中曾有過模擬輸〔但不是全部舶的現(xiàn)場設(shè)備完成的功能。設(shè)備專用命令出信號正常但不能通信的現(xiàn)象。經(jīng)分析是由于電纜的代碼范圍是128~253,它們提供由基本上唯一的特太長、分布電容太大致使網(wǎng)絡(luò)時(shí)間常數(shù)過大、通信波殊現(xiàn)場設(shè)備所完成的功能。形嚴(yán)重失真而無法通信此時(shí)可以通過更換合適的電在一個(gè)大的系統(tǒng)中往往集成了多個(gè)廠商的變纜來解決送器。從用戶角度出發(fā),希望用一個(gè)手持器就可以對所有的變送器進(jìn)行一些常用的操作,這就涉及到3傳統(tǒng)變送器的HART改造了互操作性。為了保證HAR協(xié)議產(chǎn)品符合互操作典型HART智能儀表的電路組成一般包括電源模性要求,HART基金會要求其協(xié)議產(chǎn)品必須經(jīng)過塊、傳感器接口電路、AD轉(zhuǎn)移電路、MCU、DA輸出電HART基金會的互操作性和一致性測試。HART協(xié)議路和HART通信電路等如圖1所示現(xiàn)場設(shè)備的種類繁多,所以認(rèn)證測試工作變得尤為突出應(yīng)進(jìn)行HART協(xié)議產(chǎn)品物理層測試、數(shù)據(jù)鏈路HART通信模塊4~20mA層及應(yīng)用層測試、互操作性測試、設(shè)備描述登記等幾A/D轉(zhuǎn)換MCU Kn dIas輸出項(xiàng)工作。電源模2傳統(tǒng)變送器與HART智能變送器比較圖1HART智能儀表電路結(jié)構(gòu)示意圖傳統(tǒng)的4~20mA模擬變送器的生產(chǎn)過程通常是電源模塊的功能是將環(huán)路24V電壓轉(zhuǎn)換為儀表各根據(jù)用戶的訂貨需要通過調(diào)整零點(diǎn)線性、增益電位部分工作所需要的供電電壓傳感器接口用于向傳感器等方式使變送器的輸出符合用戶的需求。為了獲器提供激勵(lì)并將傳感器的輸出信號引入到AD轉(zhuǎn)換得比較高的精度往往需要反復(fù)調(diào)整生產(chǎn)效率非常器的模擬輸入接口;AD轉(zhuǎn)換部分將此模擬信號轉(zhuǎn)換低。投入使用后如果用戶需要改變變送器的量程,為數(shù)字量供MCU使用洊儲器中可以存放各種組態(tài)信或者在經(jīng)過長時(shí)間運(yùn)行后儀表出現(xiàn)了漂移而超出了息、特征化數(shù)據(jù)等渺DA輸出部分完成電壓到環(huán)路電流允許精度往往就需要返回生產(chǎn)廠家對變送器重新進(jìn)的轉(zhuǎn)換HART通信模塊用于HAFT協(xié)議物理層的實(shí)行調(diào)?！，F(xiàn)憚片機(jī)MCU測是整個(gè)智能儀表的核心具有協(xié)調(diào)與傳統(tǒng)4~20mA模擬變送器相比HART智能變其余部分的運(yùn)行完成運(yùn)算、HAR數(shù)據(jù)鏈路層、HART送器可以根據(jù)用戶的不同需求方便地設(shè)置變送器的應(yīng)用層等功能。量程并且在生產(chǎn)過程中可以針對傳感器的線性度誤個(gè)完整的工作過程通常為:首先將傳感器輸入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)的模擬信號轉(zhuǎn)換為微處理器可以處理的數(shù)字信號根字溫度補(bǔ)償?shù)炔僮鲝亩哂猩a(chǎn)效率高、精度高、溫?fù)?jù)此數(shù)字信號和生產(chǎn)過程中獲得的組態(tài)信息特征化度漂移小等優(yōu)點(diǎn)。以上的組態(tài)、線性化等操作都可以數(shù)據(jù)等汁算出相應(yīng)的過程變量和以數(shù)字表示的模擬通過組態(tài)軟件方便地實(shí)現(xiàn)在現(xiàn)場投運(yùn)后也可以通過輸出量溥再經(jīng)過D/A變換,將此模擬量輸出到4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20mA回路上。從這個(gè)工作過程可以看出影響HART現(xiàn)場維護(hù)的工作量大大降低變送器精度的兩個(gè)關(guān)鍵部分分別是AD轉(zhuǎn)換和D/AHART智能變送器在系統(tǒng)調(diào)試時(shí)注意以下方面轉(zhuǎn)換①最小端電壓這是儀表可以正常工作的最下面以常用的1151壓力變送器舉例說明應(yīng)該如電壓。在回路電流達(dá)到最大值例如上限飽和輸出何選擇合適的AD和DA轉(zhuǎn)換芯片。假設(shè)要求儀表固定2lmA)供電電壓減去負(fù)載及電纜壓降后必須高的數(shù)字精度達(dá)到0.1%、量程壓縮比優(yōu)于6:1那么A于最小端電壓。D轉(zhuǎn)換芯片的精度至少要達(dá)到0.017%F.孓全量程)②負(fù)載電阻H協(xié)議規(guī)定通信負(fù)載電阻范實(shí)際中國煤化工所需精度4倍的裕量圍為230~100.在此范圍內(nèi)適當(dāng)加大負(fù)載電阻可所CNMHG004%F.S這就要求15以增強(qiáng)通信時(shí)的抗干擾能力提高通信可靠性但同時(shí)位以上的分辨率。常用于智能變送器的低功耗AD會減小儀表的供電電壓。所以在實(shí)際使用中需要根轉(zhuǎn)換器包括AD715、MAX1400LTC2415等這些MD據(jù)供電電壓及變送器最小端電壓的要求合理選擇負(fù)載轉(zhuǎn)換器的特點(diǎn)是分辨率高、功耗低內(nèi)部集成了可編程《自動化儀表》第26卷第1期2005年1月增益放大器?？ǖ耐ㄐ抛杩?、噪聲靈敏度和通信載波等指標(biāo)一般達(dá)HART變送器還有一個(gè)很重要的部分就是電流輸不到HART物理層協(xié)議規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn),所以不能通過岀。對電流源的要求包括輸岀精度和溫度穩(wěn)定性。HAF通信物理層的測試。如果將多個(gè)儀表接λ同4~20mA輸出的變送器其報(bào)警電流通常設(shè)計(jì)為小于個(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3.9m低報(bào)警模式淢者大于2lm高報(bào)警模式),以間相互干擾而不能正常通信區(qū)別正常工作狀態(tài)和異常工作狀態(tài)(報(bào)鳘狀態(tài)時(shí)電流智能板卡只能對第二主設(shè)備響應(yīng)不支持第一值取決于選擇的報(bào)鳘設(shè)置而不是當(dāng)前的實(shí)際壓力值)主設(shè)備。這意味著這些儀表只能對手持器進(jìn)行響應(yīng)考慮到裕量其有效電流輸岀范圍至少為20mA。如果而不能和通常作為第一主設(shè)備的計(jì)算機(jī)或控制室設(shè)備我們選擇分辨率為12位的D/A可以容易地計(jì)算岀其正常通信,數(shù)據(jù)鏈路層不能通過HART基金會測試。分辨率為4.9K即DA輸出最低位的變化影響量為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)49A)這樣的分辨率在某些應(yīng)用上是不允許的。為了鏈路層和物理層不符合HART協(xié)議的要求所以存在保證足夠的分辨率通常應(yīng)該選擇分辨率不小于14位通信不可靠等危險(xiǎn)。的D/A轉(zhuǎn)換器。③為了降低智能板卡成本采用了12位的D/A通常采用以下兩種方式之一實(shí)現(xiàn)可控電流輸岀控和模擬電路方式其電流輸岀的精度和溫度穩(wěn)定性往制:種是使用DA轉(zhuǎn)換芯片輸岀希望的電壓,然后往不能得到很好的保證使用模擬電路以此電壓信號控制回路電流的輸岀;另目前每個(gè)廠家單獨(dú)開發(fā)智能板卡在經(jīng)濟(jì)上和時(shí)間種是采用集成的電流輸岀控制芯片,如AD421等。上都不具備優(yōu)勢所以大都采取合作的方式共同生產(chǎn)。如果選擇第一種方式由于在進(jìn)行電壓/電流轉(zhuǎn)換過程此時(shí)HART板卡的質(zhì)量、售后服務(wù)等對變送器的可靠中需要利用一些分立的電阻、電容等器件所以其可靠性尤為重要。如果只考慮到眼前的價(jià)格因素而忽略板性較低。這些分立電阻、電容等器件的溫度漂移也將卡質(zhì)量這對于儀表廠商往往是得不償失的。因此在直接影響回路電流的輸岀。采用集成的電流輸岀控制對傳統(tǒng)的模擬儀表進(jìn)行HA'改造時(shí)一定要根據(jù)自芯片則可以達(dá)到非常高的電流精度溫度漂移也比較己的需求綜合考慮性能、成本等因素選擇合適的智小能板卡?，F(xiàn)在市場上出現(xiàn)了一些低成本的HAR協(xié)議智能參考文獻(xiàn)板在使用這些智能板構(gòu)成的變送器測試時(shí)發(fā)現(xiàn)存在HART FSK Physical laver①智能板卡沒有使用HT協(xié)議通信專用的調(diào)3陽憲惠現(xiàn)場總線技術(shù)及應(yīng)用清華大學(xué)出版社,/∞um著許多問題比較突出的有以下幾個(gè)方面2 HART SMART Communications Protocol. Data Link Layer Specif制解調(diào)芯片如H2012等而只是對HAR通信波形進(jìn)收稿日期2004-01-17行了簡單的調(diào)制和解調(diào)其通信波形甚至是方波。由第一作者馬小永男,1974年生,2000年畢業(yè)于北京理工大學(xué),獲于方波在傳輸過程中容易受到干擾也容易對與其連碩士學(xué)位工程師主要研究領(lǐng)域?yàn)楝F(xiàn)場總線協(xié)議智能儀表的開發(fā)及應(yīng)接的其它設(shè)備造成干擾因此不能可靠通信。并且板用(上接第21頁)自校正。改變基準(zhǔn)電阻的大小可進(jìn)一步調(diào)整測量范3何立民單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)選編北京航空航天大學(xué)出版社20圍。使用自校正技術(shù),可放寬對電子元器件參數(shù)的要求容易實(shí)現(xiàn)低成本產(chǎn)品化還避免了為提高精度而對Kolen Paul T. Self-calibration/ compensation technique for microcontroller-based sensor arrays. IEEE Transactions on Instrumentation and Measure整個(gè)測量系統(tǒng)進(jìn)行定期標(biāo)定的繁瑣工作。參考文獻(xiàn)中國煤化工朱樂坤溫曉清,標(biāo)準(zhǔn)通風(fēng)干濕表的測濕原理及附加誤差.現(xiàn)代CNMHG計(jì)量測試20(4)第一作者黃曉因男,1953年生,1986年畢業(yè)于云南大學(xué)獲碩土學(xué)2 Brown George C; McClellan James H; Holder E Jeff, Performance bound位副教授主要從事現(xiàn)代測控技術(shù)與計(jì)算機(jī)軟件的研究、開發(fā)、應(yīng)用和analysis of a jybrid array. IEEE Transactions on Signal Processing, 1996教學(xué)工作24PROCESS AUTOMATION INSTRUMENTATION, Vol 26, No. 1 January, 2005