HART智能儀表系統在采油平臺上的應用

過程工業的現場設備向數字化、網絡化的變遷是過程控制領域的必然趨勢。現場總線技術具有節約布線費用、操作靈活、可實現網絡管理、可實現互操作等優點，因此它已成為*的過程控制的發展方向。但是現場總線控制系統在功能上還不能*取代已經發展得比較*的DCS。在這種情況下，HART協議作為一種兼容原有4mA-20 mA模擬信號的數字通訊方式產生了。

HART是可尋址遠程傳感器高速通道開放通訊協議，它是Highway Addressable Remote Transducer的縮寫。zui早由Rosemount公司 于1986年開發并得到多家儀表公司的支持，在1993年成立了HART通信基金會HCF（HARTCommunication Foundation）。這種被稱為可尋址遠程傳感器高速通道的開放通信協議，其特點是在現有模擬信號傳輸線上實現數字信號通信，屬于模擬系統向數字系統轉變過程中過渡性產品 。HART協議目前已被認為是事實上的工業標準，但是，它僅僅是一個過渡性協議，還不是現場總線。

1 HART協議基本原理

1．1 HART協議網絡結構
　　HART協議參考ISO／OSI（開放系統互連模型），采用了它的簡化三層模型結構，即*層物理層、第二層數據鏈路層和第七層應用層（如圖1所示）。


物理層規定信號的傳輸方法、傳輸介質。

　　HART協議在4mA～20mA的模擬信號上迭加了一個基于Bell202標準的FSK（Frequency ShiftKey．ing）頻移鍵控音頻數字信號。是標準的半雙工電流信號和數字通信方式。1200Hz代表邏輯“0”、2200Hz代表邏輯“1”；信號的傳輸速率為1200位／s；信號的幅值為0．5mA （如圖2所示）。由于FSK信號的平均值為0，所以不影響傳送給控制系統的模擬信號的直流分量大小。只要用低通濾波器濾去數字信號，模擬信號可以正常工作。保證了模擬信號與數字信號的兼容性。（如圖3所示）。HART通訊介質采用普通的雙絞線就可以，線路總阻抗應在230Ω－1100Ω之間。



1．1．2數據鏈路層

　　數據鏈路層規定了數據幀格式和數據通信規程。數據幀的格式如圖4所示，zui長為25個字節。HART協議是主，從控通信協議，系統允許有2個主設備，zui多15個從設備。其中，主設備向從設備發送的數據為請求幀；而從設備向主設備發送的數據為響應幀。響應幀只比請求幀多了響應碼，而響應碼表示出錯狀態。若為0，表示回答數據正確。否則回答出錯。

　　每個字節由11位組成，其中包括一個起始位、8個數據位、1個奇偶校驗位和1個停止位。

1．1．3 應用層

　　應用層提供了256個HART通信協議命令。命令分為3類。第1類為通用命令，適用于所有符合HAR1協議的產品，如讀主變量的值和單位等。第2類為普通應用命令，適用于大部分HART產品，但不同的產品會有區別，如寫主變量。第3類為特殊命，是各個廠家所*的命令，不互相通用。

1．2 HART協議儀表系統的功能

　　每一個HART儀表的數字信號中平均能提供35—40項信息。

1．2．1便于儀表和控制回路的調試

　　HART儀表都能提供儀表本身的信息。包括儀表的型號、測量范圍、制造廠名稱、材料、工位號等。因此，調試人員從屏幕上就能知道各個工位上安裝的儀表是否是正確的儀表，而不必到現場去一一確認。HART儀表還能提供儀表組態的量程范圍，量程上下限值。這些組態參數是否與DCS系統中相應的組態參數匹配，這在調試中是很關鍵的。如果兩者不匹配，就會引起控制策略不能正常執行，或者引起虛假報警。利用HART儀表的信息就可以很方便地在屏幕上加以確認，并進行參數的重新整定。調試人員還可以在控制回路調試時通過HART通訊使HART儀表輸出一個的模擬信號，然后觀察控制回路的動作，以確定控制回路是否能正常工作。也可以利用這種方法來啟動報警或安全連鎖系統，確認這些系統的動作是否正確。

1．2．2 在系統運行時協助運行人員做出正確的判斷減少系統意外停車

　　在系統運行中出現的報警或異常無非是過程引起的或者是儀表引起的。HART通訊可以幫助運行人員判斷是否有儀表引起異常。由于HART儀表在每一次通訊中都給出儀表的狀態信息，因此運行人員可以非常確切地知道現在有哪些儀表的工作是正常的。從而他們可以把注意力放到那些提供故障信息或者不確定信息的儀表上。大大縮小了他們的監視范圍。一旦出現報警，他們能夠準確地判斷是儀表的原因，還是過程的原因。HART儀表還可以對其輸出的模擬信號進行驗證。當運行人員懷疑某臺儀表的模擬信號有問題時，他們可以將其與該儀表的同一個過程變量的數字信號進行比較，來判斷信號是否出現了問題。美國有一家煉油廠因為一臺液位變送器的輸出信號連接處出現結露，而引起部分短路，但運行人員又無法判斷信號的可信性，zui終造成溢罐工廠全部停工，直接損失3O萬美元。

如果采用HART儀表，就可以避免這類損失。在一些安全連鎖系統中還可以直接引入HART儀表的狀態信息，一旦儀表出現故障信息就可以直接觸發安全系統動作，不必等到過程發生大的偏差后再報警動作，提高了控制系統的安全性。

1．2.3 通過網絡進行現場儀表的維護管理大大提高了儀表維護工作的效率

　　首先，維護人員可以根據HART儀表的信息建立一個該儀表的私人檔案，包括儀表的型號、制造廠、使用日期、所在工位、校驗日期和結果、采用的特殊材料或者灌沖液體等。其次，由于HART儀表不斷向系統提供儀表自身的狀態信息。因此，儀表維修人員對在線儀表的工作狀態十分清楚。不像采用模擬儀表時只能依靠經驗和推理來懷疑某臺儀表有問題，然后到現場去拆卸送到儀表車間校驗，而結果往往儀表是正常的。現在，維修人員到現場去是有的放矢，不但減少了去現場的次數，而且不會空跑。如果發現儀表故障信息后，再對儀表進行深一步的詢查，還可以從HA RT儀表的信息中得到更為詳細的故障信息。能夠初步判斷儀表的故障類型。因此可以攜帶正確的工具和備件到現場去，避免無謂的來回跑動。另外，還可以根據HART儀表內部的統計信息預測儀表需要維修的日期。這主要用于閥門等有磨損產生的儀表。HART儀表可以對閥桿的動作次數進行統計，可以計算閥桿的累計運動里程數。當這個數字與制造廠提供的部件壽命指標接近時，就表示這臺閥門將需要維修了。這樣的預測，工廠可以更合理地配備維修資源，在zui合適的時機購買備件，把維修計劃制定得更科學，對一些隨著時間會發生性能老化的傳感器也可以采用這種預測方法。

1．2．4 利用HART儀表中的多個過程變量測量值或者采用多掛接方式可以節省儀表的數量

　　一般HART儀表可以提供zui多四個變量的測量值。把這些信號利用起來可以減少儀表的數量，也可以減少主設備上的儀表安裝孔。

　　如果過程對數據更新的速度要求很低，還可以采用多掛接的方式，能節省電纜端子板配電器等設備的數量。

2 HART儀表在BZ 25．1采油平臺上的應用

　　有兩種方式可以把HART表和控制系統聯接在一起。有些公司把HART作為系統的標準配置，所有I，O模塊都能接受HART數字信號，例如Emerson的Delta—V系統；有些公司則采用把HART信號轉為RS-485的多路切換器，通過RS-485傳送HART信號到控制系統。BZ 25一1采油平臺上的控制系統采用的是第二種方式。

2．1系統接線圖

　　采用HART協議的表，接到控制系統中時，需要在原有的端子排和I／O卡之間多加一個HART接口板。這塊HART接口板的作用是把復合有模擬信號和數字信號的現場信號一分為二。傳統的模擬信號送往I／O卡，數字信號送往HART復用器。HART復用器中的從復用器經過主復用器復合后，再經過一個5轉換器，zui終與操作站聯在一起（系統結構圖見圖5）。


2．2 HART接口板

　　HART接口板可以接l6路HART智能儀表輸入，濾出的HART信號通過26芯的排線送給HART復用器，濾掉HART信號后剩下的模擬信號由HART接口板送往I／O卡。它的型號為FI-PFH．NS0137。接口板對應圖5中下部或圖6右上部。


2.3 HART主/從復用器

　　主復用器有三個功能：接收HART接口板送來的l6路儀表的HART信號；接收從HART復用器送來的信號；通過串口與操作站通訊。它的型號為KFD2．HMM．16。

　　從復用器有兩個功能。接收HART接I：I板送來的16路儀表表的HART<