HART智能仪表系统在采油平台上的应用
摘 要:HART协议是可寻址远程传感器高速通道通信协议，其特点是在现有模拟信号传输线上实现数字信号通信，用来连接变送器和调节阀定位器。它的典型应用是远程组态仪表和诊断。本文以BZ25．1工程为背景，介绍HART协议仪表在海上采油平台上的应用。
关键词：HART；数字通讯：模拟信号
过程工业的现场设备向数字化、网络化的变迁是过程控制领域的必然趋势。现场总线技术具有节约布线费用、操作灵活、可实现网络管理、可实现互操作等优点，因此它已成为公认的过程控制的发展方向。但是现场总线控制系统在功能上还不能完全取代已经发展得比较完善的DCS。在这种情况下，HART协议作为一种兼容原有4mA-20 mA模拟信号的数字通讯方式产生了。HART是可寻址远程传感器高速通道开放通讯协议，它是Highway Addressable Remote Transducer的缩写。最早由Rosemount公司于1986年开发并得到多家著名仪表公司的支持，在1993年成立了HART通信基金会HCF（HARTCommunication Foundation）。这种被称为可寻址远程传感器高速通道的开放通信协议，其特点是在现有模拟信号传输线上实现数字信号通信，属于模拟系统向数字系统转变过程中过渡性产品。HART协议目前已被认为是事实上的工业标准，但是，它仅仅是一个过渡性协议，还不是现场总线。
1 HART协议基本原理
1．1 HART协议网络结构[1]
HART协议参考ISO／OSI（开放系统互连模型），采用了它的简化三层模型结构，即第一层物理层、第二层数据链路层和第七层应用层（如图1所示）。
物理层规定信号的传输方法、传输介质。
HART协议在4mA～20mA的模拟信号上迭加了一个基于Bell202标准的FSK（Frequency ShiftKey．ing）频移键控音频数字信号。是国际标准的半双工电流信号和数字通信方式。1200Hz代表逻辑“0”、2200Hz代表逻辑“1”；信号的传输速率为1200位／s；信号的幅值为0．5mA （如图2所示）。由于FSK信号的平均值为0，所以不影响传送给控制系统的模拟信号的直流分量大小。只要用低通滤波器滤去数字信号，模拟信号可以正常工作。保证了模拟信号与数字信号的兼容性。（如图3所示）。HART通讯介质采用普通的双绞线就可以，线路总阻抗应在230Ω－1100Ω之间。
1．1．2数据链路层
数据链路层规定了数据帧格式和数据通信规程。数据帧的格式如图4所示，最长为25个字节。HART协议是主，从控通信协议，系统允许有2个主设备，最多15个从设备。其中，主设备向从设备发送的数据为请求帧；而从设备向主设备发送的数据为响应帧。响应帧只比请求帧多了响应码，而响应码表示出错状态。若为0，表示回答数据正确。否则回答出错。
每个字节由11位组成，其中包括一个起始位、8个数据位、1个奇偶校验位和1个停止位。
1．1．3 应用层
应用层提供了256个HART通信协议命令。命令分为3类。第1类为通用命令，适用于所有符合HAR1协议的产品，如读主变量的值和单位等。第2类为普通应用命令，适用于大部分HART产品，但不同的产品会有区别，如写主变量。第3类为特殊命，是各个厂家所特有的命令，不互相通用。
1．2 HART协议仪表系统的功能[2]
每一个HART仪表的数字信号中平均能提供35—40项信息。
1．2．1便于仪表和控制回路的调试
HART仪表都能提供仪表本身的信息。包括仪表的型号、测量范围、制造厂名称、材料、工位号等。因此，调试人员从屏幕上就能知道各个工位上安装的仪表是否是正确的仪表，而不必到现场去一一确认。HART仪表还能提供仪表组态的量程范围，量程上下限值。这些组态参数是否与DCS系统中相应的组态参数匹配，这在调试中是很关键的。如果两者不匹配，就会引起控制策略不能正常执行，或者引起虚假报警。利用HART仪表的信息就可以很方便地在屏幕上加以确认，并进行参数的重新整定。调试人员还可以在控制回路调试时通过HART通讯使HART仪表输出一个指定的模拟信号，然后观察控制回路的动作，以确定控制回路是否能正常工作。也可以利用这种方法来启动报警或安全连锁系统，确认这些系统的动作是否正确。
1．2．2 在系统运行时协助运行人员做出正确的判断减少系统意外停车
在系统运行中出现的报警或异常无非是过程引起的或者是仪表引起的。HART通讯可以帮助运行人员判断是否有仪表引起异常。由于HART仪表在每一次通讯中都给出仪表的状态信息，因此运行人员可以非常确切地知道现在有哪些仪表的工作是正常的。从而他们可以把注意力放到那些提供故障信息或者不确定信息的仪表上。大大缩小了他们的监视范围。一旦出现报警，他们能够准确地判断是仪表的原因，还是过程的原因。HART仪表还可以对其输出的模拟信号进行验证。当运行人员怀疑某台仪表的模拟信号有问题时，他们可以将其与该仪表的同一个过程变量的数字信号进行比较，来判断信号是否出现了问题。美国有一家炼油厂因为一台液位变送器的输出信号连接处出现结露，而引起部分短路，但运行人员又无法判断信号的可信性，最终造成溢罐工厂全部停工，直接损失3O万美元。
如果采用HART仪表，就可以避免这类损失。在一些安全连锁系统中还可以直接引入HART仪表的状态信息，一旦仪表出现故障信息就可以直接触发安全系统动作，不必等到过程发生大的偏差后再报警动作，提高了控制系统的安全性。
1．2.3 通过网络进行现场仪表的维护管理大大提高了仪表维护工作的效率
首先，维护人员可以根据HART仪表的信息建立一个该仪表的私人档案，包括仪表的型号、制造厂、使用日期、所在工位、校验日期和结果、采用的特殊材料或者灌冲液体等。其次，由于HART仪表不断向系统提供仪表自身的状态信息。因此，仪表维修人员对在线仪表的工作状态十分清楚。不像采用模拟仪表时只能依靠经验和推理来怀疑某台仪表有问题，然后到现场去拆卸送到仪表车间校验，而结果往往仪表是正常的。现在，维修人员到现场去是有的放矢，不但减少了去现场的次数，而且不会空跑。如果发现仪表故障信息后，再对仪表进行深一步的询查，还可以从HA RT仪表的信息中得到更为详细的故障信息。能够初步判断仪表的故障类型。因此可以携带正确的工具和备件到现场去，避免无谓的来回跑动。另外，还可以根据HART仪表内部的统计信息预测仪表需要维修的日期。这主要用于阀门等有磨损产生的仪表。HART仪表可以对阀杆的动作次数进行统计，可以计算阀杆的累计运动里程数。当这个数字与制造厂提供的部件寿命指标接近时，就表示这台阀门将需要维修了。这样的预测，工厂可以更合理地配备维修资源，在最合适的时机购买备件，把维修计划制定得更科学，对一些随着时间会发生性能老化的传感器也可以采用这种预测方法。
1．2．4 利用HART仪表中的多个过程变量测量值或者采用多挂接方式可以节省仪表的数量
一般HART仪表可以提供最多四个变量的测量值。把这些信号利用起来可以减少仪表的数量，也可以减少主设备上的仪表安装孔。
如果过程对数据更新的速度要求很低，还可以采用多挂接的方式，能节省电缆端子板配电器等设备的数量。
2 HART仪表在BZ 25．1采油平台上的应用[2]
有两种方式可以把HART表和控制系统联接在一起。有些公司把HART作为系统的标准配置，所有I，O模块都能接受HART数字信号，例如Emerson的Delta—V系统；有些公司则采用把HART信号转为RS-485的多路切换器，通过RS-485传送HART信号到控制系统。BZ 25一1采油平台上的控制系统采用的是第二种方式。
2．1系统接线图
采用HART协议的表，接到控制系统中时，需要在原有的端子排和I／O卡之间多加一个HART接口板。这块HART接口板的作用是把复合有模拟信号和数字信号的现场信号一分为二。传统的模拟信号送往I／O卡，数字信号送往HART复用器。HART复用器中的从复用器经过主复用器复合后，再经过一个5转换器，最终与操作站联在一起（系统结构图见图5）。
2．2 HART接口板
HART接口板可以接l6路HART智能仪表输入，滤出的HART信号通过26芯的排线送给HART复用器，滤掉HART信号后剩下的模拟信号由HART接口板送往I／O卡。它的型号为FI-PFH．NS0137。接口板对应图5中下部或图6右上部。
2.3 HART主/从复用器
主复用器有三个功能：接收HART接口板送来的l6路仪表的HART信号；接收从HART复用器送来的信号；通过串口与操作站通讯。它的型号为KFD2．HMM．16。
从复用器有两个功能。接收HART接I：I板送来的16路仪表表的HART信号；发送信号到HART主复用器。它的型号为KFD2．I-IMS．16。
2．4 RS-232／485转换器及操作站
主复用器的输出为Rs485。为了与计算机相联，需加一个RS-485／RS。232转换接头。主复用器的信号送到操作站上之后，通过一套特殊的软件可以实现前文所述HART智能仪表的各种功能。
3 结论
和现场总线相比，现场总线技术HART协议更加完整，更加先进。但是，在HART仪表已经相当普及的情况下，用户只要花很少的投资就可以享受到许多实实在在的好处。HART仪表可以涵盖平台仪表系统中的过程控制和关断两个子系统，而现场总线通常只能应用到过程控制子系统中。
参考文献
1 吴志扬．HART系列讲座．北京，中国工控网，2003．
2 董景辰．HART协议给我们带来了什么．北京，自动化博览，2003．
3 Honeywel1．Manual of HART Multiplexer．天津，BZ 25-1中控系统完工文件，2004．
关键词：HART；数字通讯：模拟信号
过程工业的现场设备向数字化、网络化的变迁是过程控制领域的必然趋势。现场总线技术具有节约布线费用、操作灵活、可实现网络管理、可实现互操作等优点，因此它已成为公认的过程控制的发展方向。但是现场总线控制系统在功能上还不能完全取代已经发展得比较完善的DCS。在这种情况下，HART协议作为一种兼容原有4mA-20 mA模拟信号的数字通讯方式产生了。HART是可寻址远程传感器高速通道开放通讯协议，它是Highway Addressable Remote Transducer的缩写。最早由Rosemount公司于1986年开发并得到多家著名仪表公司的支持，在1993年成立了HART通信基金会HCF（HARTCommunication Foundation）。这种被称为可寻址远程传感器高速通道的开放通信协议，其特点是在现有模拟信号传输线上实现数字信号通信，属于模拟系统向数字系统转变过程中过渡性产品。HART协议目前已被认为是事实上的工业标准，但是，它仅仅是一个过渡性协议，还不是现场总线。
1 HART协议基本原理
1．1 HART协议网络结构[1]
HART协议参考ISO／OSI（开放系统互连模型），采用了它的简化三层模型结构，即第一层物理层、第二层数据链路层和第七层应用层（如图1所示）。
物理层规定信号的传输方法、传输介质。
HART协议在4mA～20mA的模拟信号上迭加了一个基于Bell202标准的FSK（Frequency ShiftKey．ing）频移键控音频数字信号。是国际标准的半双工电流信号和数字通信方式。1200Hz代表逻辑“0”、2200Hz代表逻辑“1”；信号的传输速率为1200位／s；信号的幅值为0．5mA （如图2所示）。由于FSK信号的平均值为0，所以不影响传送给控制系统的模拟信号的直流分量大小。只要用低通滤波器滤去数字信号，模拟信号可以正常工作。保证了模拟信号与数字信号的兼容性。（如图3所示）。HART通讯介质采用普通的双绞线就可以，线路总阻抗应在230Ω－1100Ω之间。
1．1．2数据链路层
数据链路层规定了数据帧格式和数据通信规程。数据帧的格式如图4所示，最长为25个字节。HART协议是主，从控通信协议，系统允许有2个主设备，最多15个从设备。其中，主设备向从设备发送的数据为请求帧；而从设备向主设备发送的数据为响应帧。响应帧只比请求帧多了响应码，而响应码表示出错状态。若为0，表示回答数据正确。否则回答出错。
每个字节由11位组成，其中包括一个起始位、8个数据位、1个奇偶校验位和1个停止位。
1．1．3 应用层
应用层提供了256个HART通信协议命令。命令分为3类。第1类为通用命令，适用于所有符合HAR1协议的产品，如读主变量的值和单位等。第2类为普通应用命令，适用于大部分HART产品，但不同的产品会有区别，如写主变量。第3类为特殊命，是各个厂家所特有的命令，不互相通用。
1．2 HART协议仪表系统的功能[2]
每一个HART仪表的数字信号中平均能提供35—40项信息。
1．2．1便于仪表和控制回路的调试
HART仪表都能提供仪表本身的信息。包括仪表的型号、测量范围、制造厂名称、材料、工位号等。因此，调试人员从屏幕上就能知道各个工位上安装的仪表是否是正确的仪表，而不必到现场去一一确认。HART仪表还能提供仪表组态的量程范围，量程上下限值。这些组态参数是否与DCS系统中相应的组态参数匹配，这在调试中是很关键的。如果两者不匹配，就会引起控制策略不能正常执行，或者引起虚假报警。利用HART仪表的信息就可以很方便地在屏幕上加以确认，并进行参数的重新整定。调试人员还可以在控制回路调试时通过HART通讯使HART仪表输出一个指定的模拟信号，然后观察控制回路的动作，以确定控制回路是否能正常工作。也可以利用这种方法来启动报警或安全连锁系统，确认这些系统的动作是否正确。
1．2．2 在系统运行时协助运行人员做出正确的判断减少系统意外停车
在系统运行中出现的报警或异常无非是过程引起的或者是仪表引起的。HART通讯可以帮助运行人员判断是否有仪表引起异常。由于HART仪表在每一次通讯中都给出仪表的状态信息，因此运行人员可以非常确切地知道现在有哪些仪表的工作是正常的。从而他们可以把注意力放到那些提供故障信息或者不确定信息的仪表上。大大缩小了他们的监视范围。一旦出现报警，他们能够准确地判断是仪表的原因，还是过程的原因。HART仪表还可以对其输出的模拟信号进行验证。当运行人员怀疑某台仪表的模拟信号有问题时，他们可以将其与该仪表的同一个过程变量的数字信号进行比较，来判断信号是否出现了问题。美国有一家炼油厂因为一台液位变送器的输出信号连接处出现结露，而引起部分短路，但运行人员又无法判断信号的可信性，最终造成溢罐工厂全部停工，直接损失3O万美元。
如果采用HART仪表，就可以避免这类损失。在一些安全连锁系统中还可以直接引入HART仪表的状态信息，一旦仪表出现故障信息就可以直接触发安全系统动作，不必等到过程发生大的偏差后再报警动作，提高了控制系统的安全性。
1．2.3 通过网络进行现场仪表的维护管理大大提高了仪表维护工作的效率
首先，维护人员可以根据HART仪表的信息建立一个该仪表的私人档案，包括仪表的型号、制造厂、使用日期、所在工位、校验日期和结果、采用的特殊材料或者灌冲液体等。其次，由于HART仪表不断向系统提供仪表自身的状态信息。因此，仪表维修人员对在线仪表的工作状态十分清楚。不像采用模拟仪表时只能依靠经验和推理来怀疑某台仪表有问题，然后到现场去拆卸送到仪表车间校验，而结果往往仪表是正常的。现在，维修人员到现场去是有的放矢，不但减少了去现场的次数，而且不会空跑。如果发现仪表故障信息后，再对仪表进行深一步的询查，还可以从HA RT仪表的信息中得到更为详细的故障信息。能够初步判断仪表的故障类型。因此可以携带正确的工具和备件到现场去，避免无谓的来回跑动。另外，还可以根据HART仪表内部的统计信息预测仪表需要维修的日期。这主要用于阀门等有磨损产生的仪表。HART仪表可以对阀杆的动作次数进行统计，可以计算阀杆的累计运动里程数。当这个数字与制造厂提供的部件寿命指标接近时，就表示这台阀门将需要维修了。这样的预测，工厂可以更合理地配备维修资源，在最合适的时机购买备件，把维修计划制定得更科学，对一些随着时间会发生性能老化的传感器也可以采用这种预测方法。
1．2．4 利用HART仪表中的多个过程变量测量值或者采用多挂接方式可以节省仪表的数量
一般HART仪表可以提供最多四个变量的测量值。把这些信号利用起来可以减少仪表的数量，也可以减少主设备上的仪表安装孔。
如果过程对数据更新的速度要求很低，还可以采用多挂接的方式，能节省电缆端子板配电器等设备的数量。
2 HART仪表在BZ 25．1采油平台上的应用[2]
有两种方式可以把HART表和控制系统联接在一起。有些公司把HART作为系统的标准配置，所有I，O模块都能接受HART数字信号，例如Emerson的Delta—V系统；有些公司则采用把HART信号转为RS-485的多路切换器，通过RS-485传送HART信号到控制系统。BZ 25一1采油平台上的控制系统采用的是第二种方式。
2．1系统接线图
采用HART协议的表，接到控制系统中时，需要在原有的端子排和I／O卡之间多加一个HART接口板。这块HART接口板的作用是把复合有模拟信号和数字信号的现场信号一分为二。传统的模拟信号送往I／O卡，数字信号送往HART复用器。HART复用器中的从复用器经过主复用器复合后，再经过一个5转换器，最终与操作站联在一起（系统结构图见图5）。
2．2 HART接口板
HART接口板可以接l6路HART智能仪表输入，滤出的HART信号通过26芯的排线送给HART复用器，滤掉HART信号后剩下的模拟信号由HART接口板送往I／O卡。它的型号为FI-PFH．NS0137。接口板对应图5中下部或图6右上部。
2.3 HART主/从复用器
主复用器有三个功能：接收HART接口板送来的l6路仪表的HART信号；接收从HART复用器送来的信号；通过串口与操作站通讯。它的型号为KFD2．HMM．16。
从复用器有两个功能。接收HART接I：I板送来的16路仪表表的HART信号；发送信号到HART主复用器。它的型号为KFD2．I-IMS．16。
2．4 RS-232／485转换器及操作站
主复用器的输出为Rs485。为了与计算机相联，需加一个RS-485／RS。232转换接头。主复用器的信号送到操作站上之后，通过一套特殊的软件可以实现前文所述HART智能仪表的各种功能。
3 结论
和现场总线相比，现场总线技术HART协议更加完整，更加先进。但是，在HART仪表已经相当普及的情况下，用户只要花很少的投资就可以享受到许多实实在在的好处。HART仪表可以涵盖平台仪表系统中的过程控制和关断两个子系统，而现场总线通常只能应用到过程控制子系统中。
参考文献
1 吴志扬．HART系列讲座．北京，中国工控网，2003．
2 董景辰．HART协议给我们带来了什么．北京，自动化博览，2003．
3 Honeywel1．Manual of HART Multiplexer．天津，BZ 25-1中控系统完工文件，2004．
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