基于HART協(xié)議的粗真空壓力自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

金偉清

（西安明德理工學(xué)院智能制造與控制技術(shù)學(xué)院，陜西西安710124）

0 引言

工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)是智能制造的重要支撐基礎(chǔ)技術(shù)，也是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展最活躍的一個(gè)方向?，F(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)是連接控制現(xiàn)場(chǎng)的儀表與控制室內(nèi)控制裝置的數(shù)字化、串行、多站通信的網(wǎng)絡(luò)，是實(shí)現(xiàn)工廠(chǎng)數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)，廣泛用于制造自動(dòng)化、過(guò)程自動(dòng)化及樓宇自動(dòng)化等領(lǐng)域。

基于HART通信協(xié)議的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)是一種常用的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)，目前HART協(xié)議常用于儀表的調(diào)試、校準(zhǔn)和日常維護(hù)等，把HART協(xié)議智能儀表組成網(wǎng)絡(luò)，與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信，從而連接成控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制，這樣的應(yīng)用尚不多見(jiàn)。某大型粗真空系統(tǒng)壓力測(cè)量點(diǎn)多、氣路距離遠(yuǎn)，傳統(tǒng)的分布式測(cè)控系統(tǒng)難以滿(mǎn)足系統(tǒng)的高性能及智能化要求。

本文以某粗真空壓力測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)控制系統(tǒng)研制為背景，采用了HART智能壓力變送器實(shí)現(xiàn)壓力測(cè)量，基于HART協(xié)議和西門(mén)子S7-300系列PLC及其HART模塊，進(jìn)行粗真空壓力自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

1 基于HART協(xié)議的粗真空壓力測(cè)量系統(tǒng)構(gòu)成

1.1 基于HART協(xié)議的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)

現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)主要實(shí)現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)智能化儀器儀表、控制器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備間的數(shù)字通信及其與高級(jí)控制系統(tǒng)之間的信息傳遞。現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)控制系統(tǒng)（FCS）是以現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)為核心的工業(yè)控制系統(tǒng)。隨著數(shù)字通信和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，在現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備的基礎(chǔ)上又發(fā)展了現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)設(shè)備，并使工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)從分布式控制系統(tǒng)（DCS）向FCS發(fā)展。隨著FCS的發(fā)展，作為現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)控制系統(tǒng)基礎(chǔ)的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)智能變送器被廣泛應(yīng)用。

全球有四十余種工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)可歸為三類(lèi)，即RS485網(wǎng)絡(luò)、HART網(wǎng)絡(luò)和FIELDBUS總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)（如FF、PROFIBUS、CANBUS、CC-Link等）。

HART（Highway Addressable Remote Transducer）協(xié)議是美國(guó)ROSEMOUNT公司于1985年推出的一種用于現(xiàn)場(chǎng)智能儀表和控制室主設(shè)備之間的通信協(xié)議，現(xiàn)已成為全球智能儀表的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

HART協(xié)議是目前世界上使用最多的智能儀表通信協(xié)議，具有完整的技術(shù)支持，覆蓋了現(xiàn)場(chǎng)智能壓力、差壓、流量、液位、調(diào)節(jié)閥、成分分析和記錄儀等智能設(shè)備。HART智能儀表是指基于HART協(xié)議的儀表，全球工業(yè)提供商制造的智能儀表中有超過(guò)75%的儀表安裝了HART協(xié)議，HART協(xié)議的應(yīng)用，使變送器達(dá)到更高的智能水平。HART協(xié)議在保持傳統(tǒng)4～20 mA信號(hào)的同時(shí)，擴(kuò)展了兩線(xiàn)制數(shù)字通信與現(xiàn)場(chǎng)智能儀表系統(tǒng)的能力。HART協(xié)議能提供相對(duì)較低帶寬、適度響應(yīng)時(shí)間的通信，其數(shù)字功能可實(shí)現(xiàn)儀表聯(lián)用，智能功能可實(shí)現(xiàn)儀表遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)定，并為用戶(hù)提供現(xiàn)場(chǎng)儀表豐富的自動(dòng)化管理信息，是目前非常受用戶(hù)歡迎的智能現(xiàn)場(chǎng)儀表。

基于FF總線(xiàn)及PROFIBUS-PA等總線(xiàn)的智能儀表系統(tǒng)復(fù)雜，價(jià)格偏高，特別是總線(xiàn)安全柵價(jià)格昂貴，支持RS485的現(xiàn)場(chǎng)智能儀表不太多，而HART儀表及其安全柵技術(shù)比較成熟，簡(jiǎn)單、可靠、易用，價(jià)格低廉，實(shí)用性強(qiáng)。因此，粗真空壓力自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)將采用基于HART協(xié)議的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)控制系統(tǒng)。

1.2 壓力變送器選型

壓力變送器一般直接輸出與壓力呈線(xiàn)性關(guān)系的標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)或電流信號(hào)，供儀表、控制計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集卡等設(shè)備采集，在工業(yè)控制領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛。隨著微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，越來(lái)越多的智能壓力變送器開(kāi)始支持?jǐn)?shù)字信號(hào)傳輸?shù)默F(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議。

DP harp EJA系列智能差壓壓力變送器是由日本橫河電機(jī)株式會(huì)社于1994年開(kāi)發(fā)的高性能智能儀表。EJA智能變送器采用了單晶硅諧振式傳感器，由單晶硅諧振式傳感器上的兩個(gè)H形振動(dòng)梁分別將差壓、壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換成頻率信號(hào)，送到脈沖計(jì)數(shù)器，再將兩頻率之差直接傳輸?shù)紺PU進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為與輸入信號(hào)相對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)DC4～20 mA輸出信號(hào)，并在模擬信號(hào)上疊加一個(gè)HART/BRAIN數(shù)字信號(hào)進(jìn)行通信。EJA智能變送器具有雙向通信功能和完善的自診斷功能，提供了HART 5/HART 7、HART（DC1～5 V）低功耗型、FF總線(xiàn)、PROFIBUS-PA總線(xiàn)以及BRAIN等通信協(xié)議。

經(jīng)過(guò)分析論證，本文選用橫河EJA510E型螺紋安裝式絕對(duì)壓力變送器來(lái)測(cè)量氣路的空氣壓力，輸出信號(hào)類(lèi)型選擇二線(xiàn)制DC4～20 mA帶HART 5/HART 7協(xié)議數(shù)字通信。智能變送器都有一定的測(cè)量量程范圍，實(shí)際設(shè)定的量程應(yīng)在固有量程的1/4～3/4段，這樣才能夠保證測(cè)量的精度。某粗真空系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中與工作環(huán)境大氣壓的壓力差為60 kPa，根據(jù)系統(tǒng)的工作壓力范圍，選擇EJA智能壓力變送器的壓力測(cè)量量程范圍為10～200 kPa。

1.3 粗真空壓力測(cè)量系統(tǒng)構(gòu)成

某粗真空系統(tǒng)采用高壓風(fēng)機(jī)產(chǎn)生負(fù)壓，共有8條氣路支路，需采用8塊帶HART協(xié)議的EJA510E智能壓力變送器測(cè)量8條支路的壓力，采用S7-300 PLC和HART接口模塊組建粗真空壓力自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。大型的分布式控制場(chǎng)合。粗真空壓力自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)采用ET 200M分布式I/O系統(tǒng)。

ET 200M是具有S7-300/400 PLC自動(dòng)化系統(tǒng)的組態(tài)技術(shù)，由一個(gè)IM 153-x和多個(gè)S7-300/400 PLC的I/O模塊組成。ET 200M 是在PROFIBUS-DP總線(xiàn)上的被動(dòng)站（從站），是

圖1 粗真空壓力測(cè)量系統(tǒng)組成框圖

2 粗真空壓力測(cè)量系統(tǒng)HART通信設(shè)計(jì)

2.1 HART通信設(shè)備設(shè)計(jì)選型

2.1.1 HART通信設(shè)備類(lèi)型

HART通信協(xié)議設(shè)備一般主要包括基本主設(shè)備、副主設(shè)備和最基本的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備?；局髟O(shè)備（主機(jī)）是與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備通信的基本設(shè)備，如PC、DCS、PLC等，副主設(shè)備是鏈路臨時(shí)的使用者，如手持通信器等，最基本的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備包括從設(shè)備、成組模式設(shè)備及現(xiàn)場(chǎng)儀表。HART儀表設(shè)備是智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的首選。每個(gè)HART儀表的數(shù)字信號(hào)能提供35～40項(xiàng)信息，要充分利用這些信息，就要與HART儀表建立連續(xù)長(zhǎng)久的通信聯(lián)系。

HART協(xié)議用于主機(jī)和智能設(shè)備之間的數(shù)字通信，并為用戶(hù)提供強(qiáng)大的系統(tǒng)控制和監(jiān)控功能。每個(gè)HART設(shè)備有一個(gè)唯一的38位地址，該地址由制造商ID代碼、設(shè)備類(lèi)型代碼和設(shè)備唯一標(biāo)識(shí)符組成。HART主機(jī)只有知道了現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的地址之后才能與其成功通信，HART主機(jī)還可以通過(guò)發(fā)布一個(gè)命令使從設(shè)備回應(yīng)地址。

2.1.2 HART通信設(shè)備的選擇

PLC和DCS用于監(jiān)測(cè)和控制工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用中的HART智能儀表及現(xiàn)場(chǎng)模擬儀器儀表，智能儀表的4～20 mA模擬輸出一般都配置HART通信協(xié)議，目前大多數(shù)主流品牌PLC的模擬輸入模塊都不支持HART通信協(xié)議，而西門(mén)子S7-300/400系列PLC提供了HART信號(hào)/功能模塊，故本系統(tǒng)的主設(shè)備采用西門(mén)子S7-300系列PLC及其I/O模塊。

DCS在當(dāng)今工控領(lǐng)域使用非常廣泛，通過(guò)把現(xiàn)場(chǎng)的傳感器/執(zhí)行器與分布式I/O模塊相連，然后通過(guò)總線(xiàn)與控制器（CPU）進(jìn)行通信，可以實(shí)現(xiàn)快速的數(shù)據(jù)交換，方便對(duì)現(xiàn)場(chǎng)各分散元器件的集中管理。西門(mén)子的分布式系統(tǒng)有ET 200S、ET 200SP、ET 200M、ET 200MP、ET 200PRO等。西門(mén)子SIMATIC ET 200M是分布式I/O設(shè)備，可使用S7-300/400 PLC的信號(hào)/功能模塊，也支持PROFIBUS-DP和PROFINET總線(xiàn)，適用于中HART設(shè)備（智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備）的HART主站，最大數(shù)據(jù)傳輸速率為12 MB/s。IM153-2是ET 200M的接口模塊，它通過(guò)HART模擬輸入模塊從PD/PC將參數(shù)分配數(shù)據(jù)傳遞至智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，并將數(shù)據(jù)返回。本系統(tǒng)使用IM 153-2BA00接口模塊作為連接PROFIBUS-DP的接口。

HART模擬模塊是ET 200M分布式I/O系統(tǒng)的一種接口模塊，它是指除模擬量外還可以執(zhí)行HART通信的模擬模塊。HART模擬模塊可以用作HART現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的HART接口，可以參數(shù)化HART現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，也可以通過(guò)模塊讀出診斷狀態(tài)。ET 200M HART模擬模塊只能在ET 200M分布式I/O系統(tǒng)中操作。

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)采用ET 200M HART模擬輸入模塊SM 331，型號(hào)規(guī)格為SM 331 6ES7 331-7TF01-0AB0，有8個(gè)AI通道，將8個(gè)二線(xiàn)制EJA智能壓力變送器連接到SM 331的8個(gè)通道。

2.2 HART通信模式選擇

HART通信采用半雙工通信和主/從控制方式，其特點(diǎn)是在現(xiàn)有模擬信號(hào)傳輸線(xiàn)上實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)通信。HART協(xié)議通信模型采用物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層三層結(jié)構(gòu)。數(shù)據(jù)鏈路層規(guī)定HART協(xié)議幀的格式，可尋址范圍為0～15（對(duì)HART 5）或者0～63（對(duì)HART 7），每臺(tái)HART變送器有唯一的地址編號(hào)，主機(jī)能對(duì)每一臺(tái)變送器進(jìn)行操作。針對(duì)本系統(tǒng)的HART儀表設(shè)備數(shù)量，采用HART 5協(xié)議。

HART有點(diǎn)對(duì)點(diǎn)和多點(diǎn)兩種通信模式。對(duì)于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模式，經(jīng)典的4～20 mA模擬信號(hào)依然可以用于傳輸一個(gè)過(guò)程變量配置參數(shù)，與其他設(shè)備數(shù)據(jù)通信則通過(guò)HART協(xié)議。多點(diǎn)模式下，從機(jī)為多臺(tái)HART智能變送器，4～20 mA模擬信號(hào)不再有效，使每臺(tái)變送器工作電流固定在4 mA并且為設(shè)備供電，從而降低總線(xiàn)電流以使功耗最小。

本系統(tǒng)采用多點(diǎn)通信模式，所有測(cè)量/過(guò)程變量、調(diào)整/測(cè)試數(shù)據(jù)均用數(shù)字方式傳輸，系統(tǒng)依次讀取信號(hào)傳輸線(xiàn)上的多臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)儀表的數(shù)據(jù)。在多點(diǎn)通信系統(tǒng)中，按照HART 5協(xié)議進(jìn)行通信，需將各儀表地址配置在1～15，最多可將15個(gè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備連接至一個(gè)HART主站。

2.3 系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用HART協(xié)議組網(wǎng)與S7-300 PLC通信，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制。利用HART協(xié)議在現(xiàn)場(chǎng)儀表與PLC之間建立數(shù)字連接，在控制室與現(xiàn)場(chǎng)儀器儀表之間創(chuàng)建智能連接。HART協(xié)議的有效通信距離為3 000 m，可以通過(guò)一根雙絞線(xiàn)連接多臺(tái)HART設(shè)備構(gòu)成多站網(wǎng)絡(luò)。在本系統(tǒng)中，HART通信模式采用多點(diǎn)模式，HART協(xié)議網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 基于HART協(xié)議的粗真空壓力自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

以1個(gè)S7-300 PLC作為主機(jī)，1個(gè)IM 153-2接口模塊和1個(gè)HART模擬輸入模塊SM 331作為HART主站，8塊遵循HART協(xié)議的EJA智能壓力變送器作為現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和HART從站。

在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備（HART智能儀表）均為并聯(lián)。將8塊現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備連接至HART模擬輸入模塊SM 331的8個(gè)通道，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備作為HART設(shè)備進(jìn)行工作。根據(jù)通信原理，HART通信的信號(hào)是從4～20 mA傳輸線(xiàn)上取得。EJA智能壓力變送器為兩線(xiàn)制，須在SM 331保留的端子10和11之間加一個(gè)短接跳線(xiàn)。

使用HART通信的多點(diǎn)連接模式實(shí)現(xiàn)了PLC與HART現(xiàn)場(chǎng)智能儀表的通信，在一根雙絞線(xiàn)上連接多臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，既可實(shí)現(xiàn)壓力監(jiān)測(cè)，又可節(jié)約成本。

在本系統(tǒng)中，EJA壓力變送器的被測(cè)量、過(guò)程參數(shù)、設(shè)備組態(tài)、校準(zhǔn)、診斷信息均可通過(guò)HART協(xié)議訪(fǎng)問(wèn)，還可實(shí)現(xiàn)對(duì)真空壓力變化的實(shí)時(shí)控制和監(jiān)視。

3 結(jié)語(yǔ)

基于HART協(xié)議的粗真空壓力自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案已在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)得到應(yīng)用，HART總線(xiàn)設(shè)備與PLC通信穩(wěn)定，該方案節(jié)省了模擬量輸入模塊，大大減少了現(xiàn)場(chǎng)布線(xiàn)量，降低了工程造價(jià)。本文所提出的PLC與HART儀表集成方案性?xún)r(jià)比高，具有一定工程實(shí)用意義，為其他HART智能儀表與PLC組建現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)控制系統(tǒng)（FCS）提供了一種經(jīng)濟(jì)可行的方案。