摘要：介紹了HART的優點，在上位系統和現場儀表之問建立長久連續通訊的方法，以及在能源計量儀表中擴展量程和流量的溫、壓補償應用的設想，擴展了儀表的功能，解決了傳統的測量方法中一系列難題。 關鍵：HART協議 全數字通信 能源計量 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協議自1983年成為開放協議以來已經整整走過21年，HART協議已經成為過程自動化領域的一個事實的標準。HART儀表的價格也大幅度地下降，在國內已經與模擬儀表的價格十分接近支持HART儀表與上位計算機通訊的配套硬件和軟件也十分豐富。在當今現場總線技術已經十分火爆的時候，價值、成本、風險是選擇現場總線通信技術須考慮的3個主要因素，而HART協議是當前進入實用階段的智能儀表事實上的國際標準。優點有信息量大，每個標準HART設備有35～40個數據項，HART智能現場設備具有連續自檢、監視儀表的性能和不間斷地連續提供所采集的真實過程數據。 1 HART協議 HART使用符合BELl202標準的頻移鍵控（FSK）將數字信號作為交流（AC）信號疊加在4～20mA的直流（DC）信號上?！?”和“1”對應的位分別被編碼為2200Hz和1200Hz的正弦波，調制幅度約0.5mA的信號。傳送時信息比特被轉換為相應的頻率，接收時將頻率轉換回對應狀態的信息比特。 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備輸入端上的低通濾波器過濾掉。這樣，數字通信對模擬的4～20mA信號不產生任何干擾。一個HART通信芯片負責完成信號的調制和解調（如圖1所示）。 HART通信的應用分為兩類： 第1類是數字通信與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）及用接口將現有模擬回路中的變送器與PC機或DCS相連。 第2類是全數字通信。此類又分為“點對點”的連接（如圖3（a）所示）與“多站結構”連接（如圖3（b）所示）。多站結構特別適用于那些對速度要求不高的采集，如能源計量、區域的溫、壓補償及管線管理等場合，因為它特別節省電纜。 常用的設備有多路切換器（它有多個HART通信端口，每一個端口可按點對點形式連接現場設備，有些情況下，端口也可以采用多點方式連接現場設備）、RS-485串口以及將HART信號轉到以太網、Modbus、Profibus的網關。也可采用把HART信號轉為RS-485的多路切換器。如果將一個主多路切換器和若于個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網絡上來的數據經過一個多路切換器送到某個網絡上，例如Modbus，PROFIBUSDP或者以RS485為基礎的專用協議，然后送往主站。從這個意義上講，多路切換器實際上是一個網關單元。HART網絡必須在設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。它有兩個作用：防止直流電源將交流信號短路；作為通信信號的負載。當FSK電流通過這個阻抗時，產生了一個0.125V的交流壓降。網絡上所有設備拾取這個交流電壓，既使在線路上有信號衰減時也能夠接收到。換句話說，發送是通過電流，接收是通過電壓。在多掛接（multidrop）模式中，幾個變送器并行連接，通常這時4～20mA功能被禁止，并且輸出都固定到4mA，與輸入無關。 2 HART協議的優點及應用 2．1優點 每一個HART儀表的數字信號中平均能提供3540項信息。要充分利用這些信息，唯一的條件就是要與HART儀表建立連續的、長期的通訊聯系。如果只是偶爾用手持器與HART儀表進行短時間的通訊，那么，HART協議的潛力是無法發揮出來的。一旦與HART儀表建立了長期的通訊聯系，將具備以下優點： 1）便于儀表和控制回路的調試。HART儀表都能提供儀表本身的信息，調試人員利用HART儀表的信息就可以很方便地在屏幕上加以確認，并進行參數（量程范圍、量程上、下限值等）的重新整定，而不必到現場去一一確認。 2）在系統運行時，協助運行人員做出正確的判斷，減少系統意外停車。由于HART儀表在每一次通訊中都給出儀表的狀態信息，因此，能夠準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行驗證。 3）通過網絡進行現場儀表的維護管理，大大提高了儀表維護工作的效率。從HART儀表的信息中得到更為詳細的故障信息，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場去，維修人員到現場去是有的放矢。另外還可以根據HART儀表內部的統計信息預測儀表需要維修的日期。 4）利用HART儀表中的多個過程變量測量值，或者采用多掛接方式，可以節省儀表的數量。一般，HART儀表可以提供最多四個變量的測量值。把這些信號利用起來可以減少儀表的數量，也可以減少主設備上的儀表安裝孔。在多掛接狀態下，一個網段上如果掛接l5臺儀表，則它的信息更新時間大約要10s～15s，這對能源計量還是基本能夠滿足要求的，可通過劃分多個子站的建網方式，來縮短整個能源計量網絡的數據采集時間。 在基于4～20mA的系統中，控制回路的信號要經過若干次模數（A/D）及數模（D/A）轉換。每次轉換增加的一個誤差，被稱為“量化誤差”，轉換誤差加起來，往往會超過1%。采用數字化網絡消除了這些轉換的需要，大大提高了系統精度。HART、PROFIBUSPA與基金會現場總線用數字傳送的是一個帶工程單位的變量，如果現場總線的值是200kPa，被傳送出去就是200，而不是x％或ymA。由于取消了量程換算，也就減少了設備組態及認證工作。 2．2在能源計量儀表中的應用及效果 1）智能變送器可以實現壓力、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澥Ь€，每條HART總線最多可以接15臺變送器，主機可以采用PC機，此時變送器工作在全數字通信狀態，測量數據用數字信號與主機交換。它通常用于數據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臺構成的5點溫壓補償式氣體流量計示意圖。這5點只用一根電纜C可長達16kin）和一臺主機實現，從而降低了系統成本。 本系統有兩個特點：一個是寬量程測量，另一個是計量平衡校正。 用通常的差壓方式的流量測量的動態范圍只有1：5左右，其原因首先在于孔板等節流裝置，在小流量時的流量和差壓已偏離開方關系；其次在于小信號時的誤差由于開方的關系而被大幅度放大，不得已而采取小信號切除。這兩個問題在本系統都很容易解決。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。 由于傳統的測量方法精度偏低，而幾個測量點的工況又往往不同，所以總管流量往往不等于支管流量之和，這種計量不平衡，往往使計量管理部門很感頭疼。而在本系統中，一方面各點的測量精度提高，另一方面又能用一套公平的校正公式隨時進行平衡校正，從而提高了計量水平。 2）算術模塊提供多種用途的計算功能。它町以用來執行過程工業中普通的計算，如流量的壓力和溫度補償、靜壓罐測量以及比例控制中受控流量設定點。 模塊的過程變量從兩個輸入得到，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：使用兩個變送器進行差壓流量測量以取得較高的量程比（如圖5所示）。 解決了傳統的測量方法中寬量程測量，需要雙節流件，以及切換和判斷控制等一系列難題。同時圖5的結構還可以用于雙向流動介質的計量（壓力不要超過變送器的耐壓）。 3結語 由于HART儀表與原4～20mA標準的儀表具有兼容性，HART儀表的開發與應用發展迅速，特別是在設備改造中受到歡迎。盡管HART通信被認為是種過渡性的標準，但其發展之快令人注日，它已走出智能儀表領域，向系統級連接交換發展。于2000年發布了HART6．0，它是原HART協議的增強版，進步克服了原有通信技術的不足，提高了對原有及未來智能儀表產品的支持能力，數據利用率大大提高。在國際上其銷售額目前仍處于上升期，而在國內可以說僅僅是開始。國際上著名的幾家大公司仍在大力發展HART儀表，重點在把儀表基礎打好，形成專業優勢，然后在此基礎建立資產管理系統（AMS）；同時可將產品納入DCS控制系統，實現管控體化。任何技術都有發展的舞臺，有識之士能從這一領域找到各自發展的技術空間。 4 參考文獻 [1] 陽憲惠主編．現場總線技術及其應用．北京：清華大學出版社1999.348～350 [2] 鄔寬明主編．現場總線技術應用選編（1）、（2）．北京：北京航空航天大學出版社，2004．（1）214～222，（2）73～74． [3] [瑞典]Jonas Beige著，陳小楓等譯．過程控制現場總線——工程、運行與維護．北京：清華大學出版社，2003.30～35，56，190，319