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建设水工业传统流量计HART改造方案

摘要
简略介绍了HART通讯协议的物理层、数据链路层、应用层的规范。并在对其间关键技术和器材的挑选进行剖析的基础上,要点剖析了怎么完结传统模仿变送器向HART协议智能变送器的改造。
关键词HART FSKHART协议变送器
0导言
上世纪70年代中期,统一的两线制4~20mA规范信号促进了工业进程操控体系的开展,在现在运转的进程操控体系中仍然占有着相当大的份额。可是选用模仿量对传输及操控信号进行变换、传递,其精度差,受搅扰信号影响大,因而整个操控体系的操控作用及稳定性都比较差,受搅扰信号影响大,因而整个操控体系的操控作用及稳定性都比较差。近年来,跟着微电子技术的迅速开展,集成电路产品性能迅速进步,价格和功耗逐渐下降,智能型变送器以其较高的性价比逐渐占有了商场的干流地位。为了使不同制造商出产的变送器能够更方便地集成在同一个体系中,国际上一些大的厂商和规范化安排拟定了一些敞开地协议规范。在进程操控范畴,HART协议智能变送器和FF协议智能变送器实践上分别代表 了现在和未来的进程操控变送器工业规范。
1HART协议简介
HART(highwayaddressableremotetransducer,可寻址远程传感器通路)是用于操控体系与现场智能变送器的一种工业规范通讯协议,由美国Rosemount公司在1986年拟定,并在这以后几年进行了修订、补充后作为敞开规范由HART通讯基金会向国际发布。
与其它只支撑数字信号传输的现场总线协议比较,HART协议智能变送器的最大特色就是在传输数字通讯信号的一起,保留了4~20mA规范操控信号,能够直接替换原有的模仿仪器,然后成为改造原有模仿设备的抱负挑选。与模仿仪器比较,HART智能仪器在本钱不添加太大的前提下,具有易于调试、保护和精度更高的长处,因而在当时的过渡时期具有很强的商场竞争力。在全国际规模内,新装置的现象变送器中已有超越70%契合HART协议规范。国内因为起步较晚,HART智能变送器所占的份额还比较低,但通过几年来的推行,近年现已取得迅猛的开展。
HART通讯协议选用了OSI通讯协议参阅模型中的榜首层物理层、第二层数据链路层和第七层应用层,省掉了中心各层。
HART通讯协议的物理层是在4~20mA的模仿信号上叠加Bell202规范的频移键控信号,用两个不同的频率1200Hz和2200Hz来表明二进制的1和0,通讯传输速率固定为1200band。因为叠加在直流上的双频率正弦波平均值为0,因而不影响4~20mA的模仿信号。HART协议规则:HART协议主设备(主操控体系或手持器)传送是一个电压信号,电压峰峰值为400~600mV;HART协议从设备(现场设备)传送的是一个电流信号,电压峰峰值为400~600mV;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的数据链路层规则了通讯数据的结构、通讯形式、用户接口原语等。HART通讯协议为主从式协议,即现场设备只要在被主设备恳求时才作出呼应。HART协议答应在同一通讯链路中存在两个主设备,榜首主设备一般是计算机或操控室设备,第二主设备一般是手持通讯器。
HART通讯协议的应用层指令被界说为三类:通用指令、常用指令、设备专用指令。通用指令的代码规模是0~30,它们供给的一切契合HART通讯协议的现场设备所完结的功用,意图是确保在很多并不断增加的来自不同供应商的契合HART协议的设备间可互操作,并在日常工厂操作中拜访数据。常用指令的代码规模是32~126,它们供给大部分契合HART通讯协议(但不是悉数)的现场设备完结的功用。设备专用指令的代码规模是128~253,它们供给由基本上仅有的特别现场设备说完结的功用。
在一个大的体系中,往往集成了多个厂商的变送器。从用户视点动身,期望用一个手持器就能够对一切的变送器进行一些常用的操作,这就涉及到了互操作性。为了确保HART协议产品契合互操作性要求,HART基金会要求其协议产品必须通过HART基金会的互操作性和一致性测验。HART协议现场设备的种类繁多,所以认证测验作业变得尤为杰出,应进行HART协议产品物理层测验、数据链路层及应用层测验、互操作性测验、设备描述挂号等几项作业。
2 传统压力变送器与HART智能压力变送器比较
传统的4~20mA模仿变送器的出产进程一般是依据用户的订购需求,通过调整零点、线性、增益电位器等方法使变送器的输出契合用户的需求。为了取得比较高的精度,往往需求重复调整,出产功率十分低。投入运用后,如果用户需求改动变送器的量程,或许在通过长期运转后仪器呈现了漂移而超出了答应精度,往往就需求回来出产厂家对变送器从头进行调校。
与传统4~20mA模仿变送器比较,HART智能变送器能够依据用户的不同需求,方便地设置变送器的量程,并且在出产进程中能够针对传感器的线性度差错和温度漂移等特性进行相应的数字特征线性化和数字温度补偿等操作,然后具有出产功率高、精度高、温度漂移小等长处。以上的组态、线性化等操作都能够通过组态软件方便地完结,在现场投运后,也能够通过按键或许手持设备在线调整智能变送器参数,所以使现场保护的作业量大大下降。
HART智能变送器在体系调试时留意以下方面:
①最小端电压 这是仪器能够正常作业的最小电压。在回路电流到达最大值时(例如上限饱满,输出固定21mA),供电电压减去负载及电缆压将后必须高于最小端电压。
②负载电阻HART协议规则,通讯负载电阻规模为230~1100。在此规模内,恰当加大负载电阻能够增强通讯时的抗搅扰才能,进步通讯牢靠性,但一起会减小仪器的供电电压。所以在实践运用中,需求依据供电电压及变送器最小端电压的要求合理挑选负载电阻。
③电缆分布电容 在实践运转中曾有过模仿输出信号正常,但不能通讯的现场。经剖析是因为电缆太长、分布电容太大,致使网络时间常数过大、通讯波形严重失真而无法通讯,此时能够通过替换合适的电缆来处理。
3 传统变送器的HART改造
典型HART智能仪器的电路组成一般包含电源模块、传感器接口电路、A/D变换电路、 MCU、D/A输出电路和HART通讯电路等。
电源模块的功用是将环路24V电压变换为仪器各部分作业所需求的供电电压;传感器接口用于向传感器供给鼓励,并将传感器的输出信号引进到A/D变换器的模仿输入接口;A/D变换部分将此模仿信号变换为数字量供MCU运用;存储器中能够存放各种组态信息、特征化数据等;D/A输出部分完结电压到环路电流的变换;HART通讯模块用于HART协议物理层的完结;单片机(MCU)则是整个智能仪器的中心,具有和谐其余部分的运转,完结运算、HART数据链路层、HART应用层等功用。

一个完好的作业进程一般为:首先将传感器输入的模仿信号变换为微处理器能够处理的数字信号;依据此数字信号和出产进程中取得的组态信息、特征化数据等,计算出相应的进程变量和以数字表明的模仿输出量;再通过D/A变换,将此模仿量输出到4~20mA回路上。从这个作业进程能够看出,影响HART变送器精度的两个关键部分分别是A/D变换和D/A变换。
下面以常用的1151压力变送器举例说明应该怎么挑选合适的A/D和D/A变换芯片。假定要求仪器的数字精度到达0.1%、量程压缩比优于6∶1,那么A/D变换芯片的精度至少要到达0.017%F.S(全量程)。实践上,考虑到分辨率至少要有所需精度4倍的裕量,所以,A/D的分辨率应该到达0.017%F.S,这就要求15位以上的分辨率。常用于智能变送器的低功耗A/D变换器包含AD7715、MAX1400、LTC2415等,这些A/D变换器的特色是分辨率高、功耗低,内部集成了可编程增益放大器。
HART变送器还有一个很重要的部分就是电流输出。对电流源的要求包含输出精度和温度稳定性。4~20mA输出的变送器其报警电流一般设计为小于3.9mA(低报警形式)或许大于21mA(高报警形式),以差异正常作业状况和反常作业状况(报警状况时,电流值取决于挑选的报警设置而不是当时的实践压力值)。考虑到裕量,其有用电流输出规模至少为20mA。如果我们挑选分辨率为12位的D/A,能够简单地计算出其分辨率为4.9(即D/A输出最低位的改变影响量为49),这样的分辨率在某些应用上是不答应的。为了确保满足的分辨率,一般应该挑选分辨率不小于14位的D/A变换器。
一般选用以下两种方法之一完结可控电流输出操控:一种是运用D/A变换芯片输出期望的电压,然后运用模仿电路以此电压信号操控回路电流的输出;另一种是选用集成的电流输出操控芯片,如AD21等。如果挑选榜首种方法,因为在进行电压/电流变换进程中需求运用一些分立的电阻、电容等器材,所以其牢靠性较低。这些分立电阻、电容等器材的温度漂移也将直接影响回路电流的输出。选用集成的电流输出操控芯片则能够到达十分高的电流精度,温度漂移也比较小。
现在商场上呈现了一些低本钱的HART协议智能板,在运用这些智能板构成的变送器测验时发现存在着许多问题,比较杰出的有以下几个方面:
①智能板卡没有运用HART协议通讯专用的调制解调芯片如HT2012等,而只是对HART通讯波形进行了简略的调制和解调,其通讯波形乃至是方波。因为方波在传输进程中简单遭到搅扰,也简单对与其衔接的其它设备形成搅扰,因而不能牢靠通讯。并且板卡的通讯阻抗、噪声灵敏度和通讯载波等目标一般达不到HART物理层协议规则的规范,所以不能通过HART通讯物理层的测验。如果将多个仪器接入同一个电流回路中,有可能导致从设备和主设备等设备之间相互搅扰而不能正常通讯。
②智能板卡只能对第二主设备呼应,不支撑榜首主设备。这意味着这些仪器只能对手持器进行呼应,而不能和一般作为榜首主设备的计算机或操控室设备正常通讯,数据链路层不能通过HART基金会测验。如果选用这些板卡出产的仪器组网,则因为其在数据链路层和物理层不契合HART协议的要求,所以存在通讯不牢靠等风险。
③为了下降智能板卡本钱,选用了12位的D/A和模仿电路


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