传统变送器的HART改造

《自动化仪表》第26卷第1期2005年1月传统变送器的HART改造HART Retrofit of Traditional Transmitters马小永黄玲北京华控技术有限责任公司北京100085)摘要简单介绍了HART通信协议的物理层、数据链路层、应用层的规范。并在对其中关键技术和器件的选择进行分析的基础上重点分析了如何实现传统模拟变送器向HART协议智能变送器的改造。关键词 HART FSK HART协议变送器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引言护和精度更高的优点因而在当前的过渡时期具有很强的市场竞争力。在全世界范围内新安装的现上世纪70年代中期統一的两线制4~20mA标准场变送器中已有超过70%符合HART协议标准。国信号促进了工业过程控制系统的发展在目前运行的内由于起步较晚HART智能变送器所占的比例还比过程控制系统中仍然占据着相当大的比例。但是采用较低但经过几年来的推广近年巳经获得迅猛的发模拟量对传输及控制信号进行转换、传递其精度差,展。受干扰信号影响大因而整个控制系统的控制效果及HART通信协议采用了OSI通信协议参考模型中稳定性都比较差。近年来随着微电子技术的迅速发的第一层物理层、第二层数据链路层和第七层应用层,展集成电路产品性能迅速提高,价格和功耗逐步下省略了中间各层降智能型变送器以其较高的性价比逐渐占据了市场HART通信协议的物理层是在4~20mA的模拟信的主流地位。为了使不同制造商生产的变送器能够更号上叠加Bl202标准的频移键控信号用两个不同的方便地集成在同一个系统中国际上一些大的厂商和频率1200Hz和2200Hz来表示二进制的1和0通信传标准化组织制定了一些开放的协议标准。在过程控制输速率固定为1200band。由于叠加在直流上的双频率领域HART协议智能变送器和F协议智能变送器实正弦波平均值为0因而不影响4~20mA的模拟信号。际上分别代表了现在和未来的过程控制变送器工业标HART协议规定HAHT协议主设备(主控制系统或手准持器)传送的是一个电压信号电压峰峰值为400~1HART协议简介600 my HART协议从设备现场设备)传送的是一个电流信号电流峰峰值为0.8~1.2mA。HART( highway addressable remote transducer可寻址HART的数据链路层规定了通信数据的结构、通远程传感器通路湜用于控制系统与现场智能变送器信模式、用户接口原语等。HAT通信协议为主从式的一种工业标准通信协议由美国 Rosemount公司在协议即现场设备只有在被主设备请求时才作出响应。1986年制定并在其后几年进行了修订、增补后作为HART协议允许在同一通信链路中存在两个主设备开放标准由HART通信基金会向全世界发布第一主设备通常是计算机或控制室设备第二主设备与其它只支持数字信号传输的现场总线协议相通常是手持通信器。比HART协议智能变送器的最大特点就是在传输数凵中国煤化工令被定义为三类通字通信信号的同时保留了4~20mA标准控制信号,用命CNMH令令。通用命令的代码范可以直接替换原有的模拟仪表,从而成为改造原有围是0~30它们提供的所有符合HART通信协议的现模拟设备的理想选择。与模拟仪表相比,HART智能场设备所完成的功能目的是确保在大量并不断增长仪表在成本不增加太大的前提下具有易于调试、维的来自不同供应商的符合HART协议的设备间可互操22PROCESS AUTOMATION INSTRUMENTATION Vol 26, No I January 2005传统变送器的HART改造马小永等作并在日常工厂操作中访问数据。常用命令的代码电阻。范围是32~126,它们提供大部分符合HART通信协议③电缆分布电容在实际运行中曾有过模拟输〔但不是全部舶的现场设备完成的功能。设备专用命令出信号正常但不能通信的现象。经分析是由于电缆的代码范围是128~253,它们提供由基本上唯一的特太长、分布电容太大致使网络时间常数过大、通信波殊现场设备所完成的功能。形严重失真而无法通信此时可以通过更换合适的电在一个大的系统中往往集成了多个厂商的变缆来解决送器。从用户角度出发,希望用一个手持器就可以对所有的变送器进行一些常用的操作,这就涉及到3传统变送器的HART改造了互操作性。为了保证HAR协议产品符合互操作典型HART智能仪表的电路组成一般包括电源模性要求,HART基金会要求其协议产品必须经过块、传感器接口电路、AD转移电路、MCU、DA输出电HART基金会的互操作性和一致性测试。HART协议路和HART通信电路等如图1所示现场设备的种类繁多,所以认证测试工作变得尤为突出应进行HART协议产品物理层测试、数据链路HART通信模块4~20mA层及应用层测试、互操作性测试、设备描述登记等几A/D转换MCU Kn dIas输出项工作。电源模2传统变送器与HART智能变送器比较图1HART智能仪表电路结构示意图传统的4~20mA模拟变送器的生产过程通常是电源模块的功能是将环路24V电压转换为仪表各根据用户的订货需要通过调整零点线性、增益电位部分工作所需要的供电电压传感器接口用于向传感器等方式使变送器的输出符合用户的需求。为了获器提供激励并将传感器的输出信号引入到AD转换得比较高的精度往往需要反复调整生产效率非常器的模拟输入接口;AD转换部分将此模拟信号转换低。投入使用后如果用户需要改变变送器的量程,为数字量供MCU使用洊储器中可以存放各种组态信或者在经过长时间运行后仪表出现了漂移而超出了息、特征化数据等渺DA输出部分完成电压到环路电流允许精度往往就需要返回生产厂家对变送器重新进的转换HART通信模块用于HAFT协议物理层的实行调校。现惮片机MCU测是整个智能仪表的核心具有协调与传统4~20mA模拟变送器相比HART智能变其余部分的运行完成运算、HAR数据链路层、HART送器可以根据用户的不同需求方便地设置变送器的应用层等功能。量程并且在生产过程中可以针对传感器的线性度误个完整的工作过程通常为:首先将传感器输入差和温度漂移等特性进行相应的数字特征线性化和数的模拟信号转换为微处理器可以处理的数字信号根字温度补偿等操作从而具有生产效率高、精度高、温据此数字信号和生产过程中获得的组态信息特征化度漂移小等优点。以上的组态、线性化等操作都可以数据等汁算出相应的过程变量和以数字表示的模拟通过组态软件方便地实现在现场投运后也可以通过输出量溥再经过D/A变换,将此模拟量输出到4按键或者手持设备在线调整智能变送器参数所以使20mA回路上。从这个工作过程可以看出影响HART现场维护的工作量大大降低变送器精度的两个关键部分分别是AD转换和D/AHART智能变送器在系统调试时注意以下方面转换①最小端电压这是仪表可以正常工作的最下面以常用的1151压力变送器举例说明应该如电压。在回路电流达到最大值例如上限饱和输出何选择合适的AD和DA转换芯片。假设要求仪表固定2lmA)供电电压减去负载及电缆压降后必须高的数字精度达到0.1%、量程压缩比优于6:1那么A于最小端电压。D转换芯片的精度至少要达到0.017%F.孓全量程)②负载电阻H协议规定通信负载电阻范实际中国煤化工所需精度4倍的裕量围为230~100.在此范围内适当加大负载电阻可所CNMHG004%F.S这就要求15以增强通信时的抗干扰能力提高通信可靠性但同时位以上的分辨率。常用于智能变送器的低功耗AD会减小仪表的供电电压。所以在实际使用中需要根转换器包括AD715、MAX1400LTC2415等这些MD据供电电压及变送器最小端电压的要求合理选择负载转换器的特点是分辨率高、功耗低内部集成了可编程《自动化仪表》第26卷第1期2005年1月增益放大器。卡的通信阻抗、噪声灵敏度和通信载波等指标一般达HART变送器还有一个很重要的部分就是电流输不到HART物理层协议规定的标准,所以不能通过岀。对电流源的要求包括输岀精度和温度稳定性。HAF通信物理层的测试。如果将多个仪表接λ同4~20mA输出的变送器其报警电流通常设计为小于个电流回路中有可能导致从设备和主设备等设备之3.9m低报警模式淢者大于2lm高报警模式),以间相互干扰而不能正常通信区别正常工作状态和异常工作状态(报鳘状态时电流智能板卡只能对第二主设备响应不支持第一值取决于选择的报鳘设置而不是当前的实际压力值)主设备。这意味着这些仪表只能对手持器进行响应考虑到裕量其有效电流输岀范围至少为20mA。如果而不能和通常作为第一主设备的计算机或控制室设备我们选择分辨率为12位的D/A可以容易地计算岀其正常通信,数据链路层不能通过HART基金会测试。分辨率为4.9K即DA输出最低位的变化影响量为如果采用这些板卡生产的仪表组网则由于其在数据49A)这样的分辨率在某些应用上是不允许的。为了链路层和物理层不符合HART协议的要求所以存在保证足够的分辨率通常应该选择分辨率不小于14位通信不可靠等危险。的D/A转换器。③为了降低智能板卡成本采用了12位的D/A通常采用以下两种方式之一实现可控电流输岀控和模拟电路方式其电流输岀的精度和温度稳定性往制:种是使用DA转换芯片输岀希望的电压,然后往不能得到很好的保证使用模拟电路以此电压信号控制回路电流的输岀;另目前每个厂家单独开发智能板卡在经济上和时间种是采用集成的电流输岀控制芯片,如AD421等。上都不具备优势所以大都采取合作的方式共同生产。如果选择第一种方式由于在进行电压/电流转换过程此时HART板卡的质量、售后服务等对变送器的可靠中需要利用一些分立的电阻、电容等器件所以其可靠性尤为重要。如果只考虑到眼前的价格因素而忽略板性较低。这些分立电阻、电容等器件的温度漂移也将卡质量这对于仪表厂商往往是得不偿失的。因此在直接影响回路电流的输岀。采用集成的电流输岀控制对传统的模拟仪表进行HA'改造时一定要根据自芯片则可以达到非常高的电流精度温度漂移也比较己的需求综合考虑性能、成本等因素选择合适的智小能板卡。现在市场上出现了一些低成本的HAR协议智能参考文献板在使用这些智能板构成的变送器测试时发现存在HART FSK Physical laver①智能板卡没有使用HT协议通信专用的调3阳宪惠现场总线技术及应用清华大学出版社,/∞um着许多问题比较突出的有以下几个方面2 HART SMART Communications Protocol. Data Link Layer Specif制解调芯片如H2012等而只是对HAR通信波形进收稿日期2004-01-17行了简单的调制和解调其通信波形甚至是方波。由第一作者马小永男,1974年生,2000年毕业于北京理工大学,获于方波在传输过程中容易受到干扰也容易对与其连硕士学位工程师主要研究领域为现场总线协议智能仪表的开发及应接的其它设备造成干扰因此不能可靠通信。并且板用(上接第21页)自校正。改变基准电阻的大小可进一步调整测量范3何立民单片机应用技术选编北京航空航天大学出版社20围。使用自校正技术,可放宽对电子元器件参数的要求容易实现低成本产品化还避免了为提高精度而对Kolen Paul T. Self-calibration/ compensation technique for microcontroller-based sensor arrays. IEEE Transactions on Instrumentation and Measure整个测量系统进行定期标定的繁琐工作。参考文献中国煤化工朱乐坤温晓清,标准通风干湿表的测湿原理及附加误差.现代CNMHG计量测试20(4)第一作者黄晓因男,1953年生,1986年毕业于云南大学获硕土学2 Brown George C; McClellan James H; Holder E Jeff, Performance bound位副教授主要从事现代測控技术与计算机软件的研究、开发、应用和analysis of a jybrid array. IEEE Transactions on Signal Processing, 1996教学工作24PROCESS AUTOMATION INSTRUMENTATION, Vol 26, No. 1 January, 2005