带HART功能智能变送器的要求

zorro · 发表于 2007-3-6 14:14:08

一、前言      在工业自动化控制系统中,过程参数压力、差压、绝对压力、流量等工艺参数均要严格控制,而这类参数的测量与监控大多使用变送器。所以,变送器是工业过程自动控制中应用最广、使用最多的一种现场仪表。今日,随着工业自动化控制技术的发展,自控水平越来越高,对过程参数控制精度要求越来越严,要求变送器表不仅精度高、而且要功能多、稳定可靠、能准确传送过程参数(压力、差压、绝压、流量)也有抗干扰能力强、使用维护简单、并能与控制器、执行器等设备组成功能强大的控制系统,实现通讯和过程的自动控制。所以,过去的力平衡式和位移平衡式变送器(QBB、DBB)由于受测量原理和通讯所限,很难实现这种高精度控制要求,所以,自然而然的产生了原理先进具有通讯功能的智能变送器。这类先进的智能变送器具现代科技与一身,是微电子技术、精密机械加工技术、计算机技术和现代通讯技术完美结合的产物,能实现过程控制的多种要求,推动了整个自控技术的向前发展。所以,先进的智能变送器是工业过程控制技术发展的需要,也是工艺过程实现高精度控制的必须,具有很好的市场前景。现在,国际及国内使用的智能变送器基本是带有HART通讯功能的智能变送器,简称为HF智能变送器(现场总线型全数字智能变送器在西方发达国家已有应用,但大范围普及和应用还需要相当长一个过程)。是一种将标准模拟信号(4～20mA)与数字信号技术结合在一起用于传送过程参数的变送器。  二、常见的HF智能变送器原理、技术指标、通讯工作方式的对比  2.1 HF智能变送器原理与技术标准的对比      HF智能变送器按照传感器的测量原理一般分为下列几种：电容式、硅压阻式、谐振式和电感式等几种,其测量原理比较见下表1(各种智能变送器测量原理及性能比较):                             <IMG src="http://172.17.85.2/Article/UploadFiles/200602/2006216231412460.jpg" onload="if(this.width>800)this.width=800">      虽然他们传感器的工作原理有所不同,但是他们的通讯方式均遵守HART现场总线通讯协议。那么什么是HART总线？首先我们解释什么是现场总线：所谓现场总线(FIELDBUS)是一种数字化的串行双向通讯系统,能够将所有的现场设备,传感器、执行器等与控制器用一根电缆(光缆或无线)连接在一起,形成现场设备级、车间级的数字化通讯网络,可完成现场状态控制远程传送等功能。其次我们解释什么是HART现场总线：HART(Highway Addressable Remote Transducer:可寻址远程传感器通路)HART现场总线是1986年美国罗斯蒙特公司(ROSEMENT)首先研制开发出来的一种现场通讯协议,它在过程控制仪表普遍采用的4～20mmA标准信号的基础上叠加了数字信号。这个数字信号是利用频移键控技术FSK(Frequency Shift Keying)将数字信号变换为音频信号,协议规定信号的频率为1200bit/s,并且符合美国Bell 202标准。这个音频信号正旋波的平均值为零,所以在现场模拟信号中不增加直流成分,因此两根线上可同时传送互不影响的模拟和数字信号。虽然此现场总线是一种简单原始的现场总线;也可以说是总线的雏形或一种过渡型总线;是4～20mA标准模拟信号使用期限的延长,但HART总线毕竟是向总线技术迈进了一步,并且在其功能范围内,作为有益于现场设备操作员的信息处理技术是有效而且适用的。由于HART协议的这些优点,使它为当今工业控制广泛应用,成为事实上的现场总线标准。  2.2 HART总线的工作方式      HART现场总线(简称HF)系统采用主从工作方式,主机一般为一台PC机,从机可为一台或多台具有HART通讯功能(既遵守HART协议)的智能变送器(简称为HF智能变送器)。利用HART主/从(master/slave)协议原理,只要主站发出呼叫,从站(现场设备)才传送信息,两个主站(主和副)可以与一个从设备进行通讯,副主站(手持终端)可以连接在网络的任何地方,在不影响主站通讯的情况下,能与任何一个现场设备通讯。如果从机为一台HF智能变送器,即变送器的工作在点对点试时,可以继续使用传统的模拟方式(4～20mmA)进行模拟传输,而调整、参数设定(量程改变、阻尼调整、工号设定、单位换算等)可用数字方式进行。连接如图1。如果从机为多台HF智能变送器时(一般一台主机最多连接15台HF智能变送器),其工作方式为多站方式时,4～20mmA的模拟信号作废,每台变送器工作电流为4mA左右,所有测量、调整、测试数据均用数字方式完成,由于每台HF变送器具有唯一的编号,故主机能够对每台变送器使用设备描述语言DDL(Data Description Language)进行操作,确保互操作性。多台HF智能变送器连接图如图2。              <IMG src="http://172.17.85.2/Article/UploadFiles/200602/2006216231415897.jpg" onload="if(this.width>800)this.width=800">               <IMG src="http://172.17.85.2/Article/UploadFiles/200602/2006216231421763.jpg" onload="if(this.width>800)this.width=800">  2.3 HART通讯的命令方式      HART通讯是基于命令方式进行的,主站发布命令,从站响应,对于HART兼容的现场仪表或设备,HART提供了三种类型的命令(通用命令、常用命令、专用命令)用于实现读、写、访问等功能。  2.3.1 通用命令(所有现场设备配备的命令)包括：      ①读制造商码和设备类型      ②读一次变量(PV)和单位      ③读当前输出和百分量程      ④读取多达四个预先定义的动态变量      ⑤读或写8个字符标签、16个字符描述符、日期      ⑥读或写32位字符信息      ⑦读变送器量程、单位、阻尼时间常数      ⑧读传感器编号和极限      ⑨读或写最终安装数      ⑩写登录地址      通用命令确保在大量并不断增长的来自不同供应商的设备间可互操作性,并在日常工厂操作中访问数据。即：读取过程测量值/变量、上下限范围和其他一些信息,如：生产厂家、型号、位号、描述等。因为HART协议的一个原则是：所有与HART兼容的从站设备必须响应所有通用命令,通用命令中容许在一个命令响应中多达4个动态参数被读取。  2.3.2 常用命令(普通操作命令)      常用命令提供的功能是大部分但不是全部装置配备的      ①4个动态变量之一      ②写阻尼时间常数      ③写变送器量程      ④校准(置零、置监间隔)      ⑤设置固定输出电流      ⑥执行自检      ⑦执行主站复位      ⑧调整(PV)零点、写(PV)单位      ⑨调整DAC零点于增益      ⑩写sensor编号,写变换函数(平方根/线性)      ⑾读或写动态变量用途      普通操作命令(常用命令)访问那些大多数并非全部设备具有的功能,这些命令可选,但如果实现,必须被特殊说明。  2.3.3 专用命令      专用命令提供对特殊现场装置适用的功能的      ①读或写低流量截止值      ②启动或取消累程器      ③读或写密度标准系数      ④选择一次变量      ⑤读或写结构材料信息      ⑥调整传感器的校准值      专用命令(设备特殊命令)容许访问设备独有特点,大多数用于设备参数组态。  2.3.4 设备描述语言(DDL)      HART设备描述语言(DDL)是在通用和普通(常用)操作命令基础上,扩展了可互操作性。现场设备(从站)生产商使用设备描述语言建立相关设备特性软件。因而有识别DDL能力的主站可以完全访问该设备,设备描述语言类似个人电脑的打印机驱动程序,该软件将打印机与应用程序连接起来,从而准确进行打印。  三、HF智能变送器技术参数、特点及手持终端的数字操作功能  3.1 一般HF变送器(差压变送器)技术指标      电源:11.5～36VDC'11.5～30VDC(本安防爆),误差：≤0.1%/10V      环境温度：-40～85 ℃      输出：2线制,4～20mA及HART功能      测量精度：±0.075%(部分为±0.1%)      线性：长期稳定性：±0.1%/年(部分为±0.2%)      重复性误差：≤±0.02%      温度影响(温漂)：零点0.005%/℃,量程0.005%/℃      响应时间：150ms(无阻尼)      防爆等级：IP65      绝缘电阻：100MΩ      机械冲击：50g/11sec      机械振动：5g/10～200Hz      击穿电压：≥500V  3.2 HART仪表的特点      (1)实现了传感器信号的数字化、提高了测量精度。      (2)实现了传感器信号的智能化,能方便的修整拟合曲线和进行各种补偿。      (3)智能仪表实现了网络化,在控制站内可直接观察数千台仪表。      (4)通讯传输采用4～20mA标准信号加数字信号方式,可直接替换模拟仪表。      (5)通过数字信息能读出仪表各种管理信息如：生产厂家、仪表型号、生产序号、维修时间等。      (6)可装入算法,直接构成控制回路。  3.3 带HART通讯功能能实现的操作      测量点的数据写入及贮存      测量操作      设点零点量程      零点调整(位置校正)      电子阻尼(可调整时间常数从0～100S)      故障电流设定      传感器调整      读写变送器结构材料      诊断功能(诊断警告与诊断报警)  四、HF智能变送器的功耗和供电方式要求  4.1 HF智能变送器的基本功能      线性化处理功能、温度补偿功能、零点自动调整功能、量程自动调整功能、数字化通讯功能等。  4.2 HF智能变送器的供电电流      HF智能变送器的供电电流应为3.4mA左右。  4.3 用于HART回路的电源要求      这是因为HF智能变送器工作在4～20mmA现行标准的两线制回路中,在应用时,其兼容模拟与数字信号,而频率信号经过V/I转换电路的转换管,转换为幅度为0.5mA的频率信号,叠加在两线制4～20MMA的电流环上,如图3所示,由于对称性,此信号的平均值为0,所以模拟数字两信号互不干扰。                            <IMG src="http://172.17.85.2/Article/UploadFiles/200602/2006216231426516.jpg" onload="if(this.width>800)this.width=800">  4.4 供电方式要求      要求变送器在DC12～24V电压下可靠稳定的工作。      给变送器供电一般有两种方式：一种是将输入电压稳压成为所需电压(5～3.5V)后向系统供电,此种方法总电流必须控制在4MMA以内;另一种供电方法是DC-DC供电方式,他要求DC-DC变换器的效率足够高。      HF智能变送器的电源要求见表2：                         <IMG src="http://172.17.85.2/Article/UploadFiles/200602/2006216231429782.jpg" onload="if(this.width>800)this.width=800">  五、智能变送器的发展前景      HF智能变送器在当今工业自动控制中应用很多,其取代模拟变送器是一种必然,但HART总线毕竟是一种原始和简单的现场总线,信号中模拟与数字信号共存,它仅是现场总线的雏形。随着仪表技术的发展及真正现场总线的广泛应用(FF总线、PROFIBUS、FIELDBUS),现场总线型全数字化智能变送器将会取代HF智能变送器,而且现场总线国际标准(IEC770)标准已经形成。但是,要做到真正现场总线与全智能现场总线型智能变送器普遍应用还必须经过一个相当长的过程,这是因为要用全数字化信息传送来代替传统模拟信号的传送方式,而且要求每一个现场设备具有智能和数字通讯功能,使操作人员或设备(传感器、执行器)能向现场发送指令,(如设定量程、报警等)同时操作人员也能完全得到现场的信息(测量值、环境参数、设备运行参数、校准、自诊断、报警、故障等),并且原来需主控制器完成的一些控制运算工作也将会分散到各个现场设备上,会大大提高控制系统的可靠性、稳定性和灵活性,但这种全数字化强调地是系统的完全开放,强调对现场总线的理解的共识与遵守,必须打破传统生产厂家各自独立建立标准的局面,确保来自不同厂家的产品可以集成到同一个现场总线中,这种现场总线才是真正的现场总线。所以这必须要有一个较长的发展过程,在这个发展过程之中,研究和应用好HF总线技术及HF智能变送器,对于今后更好的使用全智能现场变送器大有益处。

wwy_2003 · 发表于 2007-4-17 10:41:15

好东西

killer · 发表于 2007-5-22 10:00:25

<IMG src="http://www.dianjian.net/emotion/05.gif" onload="if(this.width>515)this.width=515"><IMG src="http://www.dianjian.net/emotion/05.gif" onload="if(this.width>515)this.width=515">

fang302 · 发表于 2021-5-25 08:06:52

看不着

zhangq_cai1 · 发表于 2021-7-22 10:29:43

谢谢楼主分享~~~~~~~~~~~~~~

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