HART協(xié)議分析

1、HART協(xié)議簡(jiǎn)介現(xiàn)場(chǎng)總線的發(fā)展與展望w 現(xiàn)場(chǎng)總線產(chǎn)生的必然性n當(dāng)前控制系統(tǒng)（如DCS）存在的問題l決策層只能在最高層，對(duì)于下層設(shè)備很少授權(quán)。在高層設(shè)備出故障時(shí)，下層設(shè)備只能維持現(xiàn)狀。l下層設(shè)備間的信息交流困難n模擬儀表的缺點(diǎn)l一對(duì)一結(jié)構(gòu)l可靠性差l操作員對(duì)儀表無法控制l互換性差現(xiàn)場(chǎng)總線的發(fā)展與展望n現(xiàn)場(chǎng)總線的優(yōu)點(diǎn)l一對(duì)多結(jié)構(gòu)l可靠性高l操作員對(duì)儀表狀態(tài)可控l互換性好l具有互操作性l綜合功能強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)儀表多用l徹底的分散控制l統(tǒng)一組態(tài)，簡(jiǎn)單方便l開放式系統(tǒng)傳統(tǒng)DCS控制層MSSSL A N操 作 站控 制 站PLC420mA plusdigitalproprietaryTraditionalAna

2、log & DiscreteInstrumentsHybrid Instruments or IntelligentInstrumentsWith Custom Interfaces現(xiàn)代FCS控制層網(wǎng)橋控制器H2分散控制系統(tǒng)總線H2H1H1H1 H1 H1低速現(xiàn)場(chǎng)總線31.25kbps232個(gè)設(shè)備/段供電與通信本質(zhì)安全能利用已有的420mA信號(hào)線w 數(shù)字信號(hào)取代420mAw 現(xiàn)場(chǎng)的管理與控制的統(tǒng)一w 一些基本過程控制在現(xiàn)場(chǎng)完成w 設(shè)備非控制信息增加LAN操 作 站服 務(wù) 器現(xiàn) 場(chǎng) 總 線AI 110PID 110 AO 110模 擬 量 輸 出 功 能 塊PID 控 制 功 能 塊FC

3、 調(diào) 節(jié) 閥FT差 壓 變 送 器 模 擬 量 輸 入 功 能 塊現(xiàn)場(chǎng)總線的分散控制模塊 a) 4 20mA傳輸標(biāo)準(zhǔn)控制室現(xiàn)場(chǎng)b) 現(xiàn)場(chǎng)總線現(xiàn)場(chǎng)總線與控制室儀表連線效率對(duì)比控制室儀表手持編程器雙向數(shù)字傳輸安全柵調(diào)節(jié)器指示積算配 電安全柵4 20 mA配 電4 20 mA4 20 mAa) 420mA標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)b) 現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)人人機(jī)機(jī)接接口口控制室儀表控制室儀表變送器變送器數(shù)字雙向傳輸數(shù)字雙向傳輸微微處處理理器器通通訊訊接接口口通通訊訊接接口口微微處處理理器器A/D放放大大調(diào)調(diào)理理傳傳感感器器人人機(jī)機(jī)接接口口微微處處理理器器A/DD/AI/VV/I調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器4 420mA20mA4

4、 420mA20mA4 420mA20mA變送器變送器V/ID/A微微處處理理器器A/D放放大大調(diào)調(diào)理理傳傳感感器器現(xiàn)場(chǎng)總線的發(fā)展現(xiàn)況w 2000年1月公布的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn) IEC61158囊括了以下八種總線：FF的H1、FF-HSE、Profibus、INTERBUS、P-NET、WorldFIP、ControlNet、SwiftNet，形成多種總線共同競(jìng)爭(zhēng)的局面。w HART技術(shù)作為一種從模擬信號(hào)到全數(shù)字信號(hào)過渡一種通訊協(xié)議，特別適合于目前企業(yè)的技術(shù)和設(shè)備的改造。未來的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)是全數(shù)字化的通訊協(xié)議，但由于國(guó)際上各大集團(tuán)對(duì)利益分割，無法形成一個(gè)統(tǒng)一的數(shù)字現(xiàn)場(chǎng)總線的標(biāo)準(zhǔn)。而HART協(xié)議作為目前控

5、制行業(yè)事實(shí)上的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，在近一段時(shí)間將會(huì)繼續(xù)大量使用。w 據(jù)HART基金會(huì)統(tǒng)計(jì)，2000年有75%的智能儀表仍采用HART協(xié)議。其估計(jì)HART技術(shù)在過程工業(yè)仍將繼續(xù)廣泛使用至少1520年。在國(guó)內(nèi)模擬儀表仍大量被使用，HART產(chǎn)品還將具有相當(dāng)長(zhǎng)的生命周期，我們將面臨一個(gè)巨大的市場(chǎng)。 什么是HART協(xié)議w HART協(xié)議（Highway Addressible Remote Transducer）：是Rosemount公司于1986年提出的一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)。w 實(shí)現(xiàn)420mA模擬信號(hào)與數(shù)字通訊兼容的標(biāo)準(zhǔn)，是現(xiàn)場(chǎng)總線的過渡性標(biāo)準(zhǔn)。w HART協(xié)議是一個(gè)開放性協(xié)議，已成為智能儀表事實(shí)上的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)：w 1996年

6、，HART協(xié)議產(chǎn)品產(chǎn)量為60萬臺(tái)，F(xiàn)isher-Rosemount公司的25萬臺(tái)變送器中HART協(xié)議產(chǎn)品約占76%。n專家們預(yù)計(jì)，HART在國(guó)際上的使用壽命為1520年，在國(guó)內(nèi)由于客觀條件所限，這個(gè)時(shí)間會(huì)更長(zhǎng)一些。w HART不是真正的現(xiàn)場(chǎng)總線，而是從模擬控制系統(tǒng)向現(xiàn)場(chǎng)總線過渡的一塊踏腳石。HART協(xié)議簡(jiǎn)介nHART協(xié)議：Highway Addressable Remote Transducer（可尋址遠(yuǎn)程傳感器數(shù)據(jù)公路），是由Rosemount公司提出的用于現(xiàn)場(chǎng)智能儀表和控制室設(shè)備間通訊的一個(gè)過渡性協(xié)議。nHART通訊協(xié)議參照“ISO/OSI”的模型標(biāo)準(zhǔn)，簡(jiǎn)化并引用其中的1，2，7三層制定而

7、成，即：物理層物理層、數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層應(yīng)用層。HART協(xié)議 OSI 層次 HART 層次 第七層 應(yīng)用層 HART 命令層 第六層 表示層 第五層 會(huì)話層 未使用 第四層 傳輸層 第三層 網(wǎng)絡(luò)層 第二層 數(shù)據(jù)鏈路層 HART 協(xié)議規(guī)則 第一層 物理層 Bell 202 FSKHART協(xié)議層次HART協(xié)議物理層n采用了Bell202標(biāo)準(zhǔn)的FSK頻移鍵控技術(shù)。n實(shí)現(xiàn)了420mA模擬信號(hào)與數(shù)字通信的兼容。n設(shè)備通信距離1500 m。HART數(shù)據(jù)鏈路層n通信方式l主從式通信w由主設(shè)備來控制數(shù)據(jù)幀的傳送w最多允許15個(gè)從設(shè)備連接到一條多點(diǎn)通訊線上l突發(fā)模式w從設(shè)備定時(shí)重復(fù)發(fā)送數(shù)據(jù)幀l半雙工通

8、訊方式n尋址范圍：0 15l當(dāng)?shù)刂窞?時(shí)，處于420mADC與數(shù)字通信兼容狀態(tài)。l當(dāng)?shù)刂窞?15時(shí)，則處于全數(shù)字通信狀態(tài)。HART數(shù)據(jù)鏈路層n通訊幀格式 PREM BCNT DELM STATUS ADDR DATA CMD CHKwPREM: Preamble序文 BCNT: Bycount 字節(jié)數(shù)wDELM: Delimiter起始字符STATUS: 變送器通訊狀態(tài)wADDR: Address地址（源地址和目的地址）wDATA: 通訊數(shù)據(jù)wCMD: Command 命令號(hào)CHK: Checksum 校驗(yàn)和 數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)度不固定，最長(zhǎng)25個(gè)字節(jié)。HART協(xié)議應(yīng)用層n通用命令(Universal

9、Commend)： 對(duì)所有符合HART協(xié)議的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備都適用的命令。包括以下內(nèi)容：w讀變送器的量程、單位以及阻尼時(shí)間常數(shù)；w讀出傳感器串聯(lián)數(shù)目及其限制；w寫入輪詢地址；w 讀出制造廠及產(chǎn)品型號(hào)；w讀出主變量及單位；w讀出電流的輸出及百分比輸出；w讀寫8個(gè)字符的標(biāo)牌號(hào)，16個(gè)字符的描述內(nèi)容以及日期等；HART協(xié)議應(yīng)用層n普通應(yīng)用命令(Common-Practice Command)： 適用于大部分符合HART協(xié)議的產(chǎn)品，但不同公司的HART產(chǎn)品可能會(huì)有少量區(qū)別，如寫主變量單位，微調(diào)DA的零點(diǎn)和增益等。主要包括：w寫入阻尼時(shí)間常數(shù)；w寫入變送器量程；w標(biāo)定（設(shè)置零點(diǎn)和量程）；w微調(diào)主變量零點(diǎn)；w微調(diào)

10、DAC的零點(diǎn)和增益；w完成自檢及主機(jī)復(fù)位；HART協(xié)議應(yīng)用層n特殊命令(Transmitter-Specific Command)： 僅適用于某種具體的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。這是各家公司的產(chǎn)品自己所特有的命令，不互相兼容，如特征化，微調(diào)傳感頭校正等。主要命令包括：w讀出或?qū)懭腴_方小流量截?cái)嘀?；w啟動(dòng)、停止或清除累積器；w選擇主變量（質(zhì)量流量或密度）；w讀出或?qū)懭虢M態(tài)信息資料；w微調(diào)傳感器的標(biāo)定；設(shè)備描述語言（DDL）nDDL（Device Description Language)是使符合HART協(xié)議的設(shè)備真正做到完全兼容的重要保證。n它包括現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的DDL描述描述和主設(shè)備的DDL解釋器解釋器兩部分。l任

11、何實(shí)現(xiàn)了DDL解釋功能的主設(shè)備就可和任何已經(jīng)提供了DDL描述的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備通訊。l新的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備可以無需顧及不同的主設(shè)備而獨(dú)立發(fā)布。l新的主設(shè)備只要在其上開發(fā)好DDL解釋器就可發(fā)行?；贖ART協(xié)議的圓卡硬件設(shè)計(jì)420mA LOOP RTNHARTMODEM電電源源模模塊塊AD421AD7715CPUGND參考電壓源參考電壓源傳傳感感器器模模塊塊VCCVCCZEROSPAN參考電壓源參考電壓源EEPROMAIN+AIN-智能變送模塊智能變送模塊VCCA1A2GND基于HART協(xié)議系列變送器的硬件設(shè)計(jì)w HARTHART通訊模塊的電路通訊模塊的電路設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)nFSK頻移鍵控信號(hào)nBell202 MODE

12、Mn帶通濾波器n輸出波形整形電路DACINPUT電 流 環(huán) 路vccvccMODEM BANDPASS WAVESHAPELOOP(+)CPUCPU基于HART協(xié)議系列變送器的硬件設(shè)計(jì)w 低功耗技術(shù)低功耗技術(shù)nHART數(shù)字通訊的要求n智能變送模塊的功耗1.5mAl低功耗芯片：A/D、D/A、EEPROM和MODEM總的工作電流限制在1.0mAl高效、低功耗的CPUl低頻下間斷性工作n傳感器模塊的功耗基于HART協(xié)議系列變送器的硬件設(shè)計(jì)w 抗干擾技術(shù)n電磁濾波nWDTn電源監(jiān)控n軟件自診斷PFIRESETWDIWDORESETI/O1I/O2VCCVCCGNDGNDCPUWDTVCC基于HART

13、協(xié)議系列變送器的硬件設(shè)計(jì)w 本質(zhì)安全技術(shù)n減少儲(chǔ)能元件n雙重冗余齊納管n符合本質(zhì)安全iaCT16標(biāo)準(zhǔn)R1T1T2C1R3C2C3R2T3R4R4BANDGAPREFERENCESWITCHEDCURRENTSOURCESVccVccLOOP (-)LOOP (+)DAA1A2基于HART協(xié)議系列變送器的軟件設(shè)計(jì)w軟件模塊劃分nAD采樣控制模塊nAD-DA轉(zhuǎn)換模塊nHART鏈路層模塊nHART命令層模塊n鍵處理模塊AD D A轉(zhuǎn)換模塊DA輸出模塊AD輸入模塊HART命令層模塊HART鏈路層模塊鍵處理模塊寫EEPROM模塊軟件總體模塊關(guān)系圖AD采 樣控制模塊數(shù)學(xué)運(yùn)算模塊wAD-DA轉(zhuǎn)換模塊n查詢后

14、臺(tái)AD定時(shí)采樣n信號(hào)數(shù)字調(diào)理l粗大濾波l多點(diǎn)平均l溫度補(bǔ)償l線性補(bǔ)償基于HART協(xié)議系列變送器的軟件設(shè)計(jì)基于HART協(xié)議系列變送器的軟件設(shè)計(jì)n標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換算法l一階濾波l量程轉(zhuǎn)換lDA輸出值轉(zhuǎn)換、限幅lDA輸出值微調(diào)lDA輸出wHART命令層的實(shí)現(xiàn)n讀出制造廠、產(chǎn)品型號(hào)、產(chǎn)品序列號(hào)；讀出主變量及單位；讀出電流的輸出及百分比輸出；讀出或?qū)懭?個(gè)字符的儀表位號(hào)，16個(gè)字符的儀表描述以及日期；讀出或?qū)懭?2個(gè)字符儀表信息；讀出和寫入變送器的量程、單位以及阻尼時(shí)間；讀出或?qū)懭雽懭胼喸兊刂?；讀出和寫入變送類型（開方/線性）；n標(biāo)定（設(shè)置零點(diǎn)和量程）；完成自檢；完成主設(shè)備復(fù)位；微調(diào)主變量零點(diǎn)；微調(diào)DAC的零點(diǎn)

15、和增益；n線性標(biāo)定；溫度標(biāo)定；讀出或?qū)懭腴_方小信號(hào)切除值；啟動(dòng)、停止或清除累積器；選擇主變量（質(zhì)量流量或密度）；讀出或?qū)懭虢M態(tài)信息資料；微調(diào)傳感器的標(biāo)定；基于HART協(xié)議系列變送器的軟件設(shè)計(jì)基于HART協(xié)議的壓力差壓變送器的設(shè)計(jì)w 工作原理n差動(dòng)電容式敏感元件將差壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓n傳感器耗電0.8mAA/D轉(zhuǎn)換振蕩器和解調(diào)器壓力壓力正壓側(cè)電容極板負(fù)壓側(cè)電容極板中心感壓膜片膜室基于HART協(xié)議的壓力差壓變送器的設(shè)計(jì)w 傳感器部分低功耗設(shè)計(jì)n模擬儀表12V供電，4mAn智能儀表5V供電，0.8mAn低功耗的運(yùn)算放大器n溫度補(bǔ)償電路基于HART協(xié)議的壓力差壓變送器的設(shè)計(jì)w非線性補(bǔ)償n壓力變送器

16、傳感器有很大的非線性n傳感器特性曲線相似，一致性較好，可以通過數(shù)學(xué)模型的方式進(jìn)行補(bǔ)償； n按照國(guó)外同類產(chǎn)品的要求，必須通過0%、60%、100%、-60%、-100%五點(diǎn)進(jìn)行非線性補(bǔ)償-150 -120 -90 -60 -30 0 30 60 90 120150 X ( inH2O)Y(V)2.52.01.50.50.01.00.250.751.251.752.25正區(qū)特性曲線負(fù)區(qū)特性曲線基于HART協(xié)議的壓力差壓變送器的設(shè)計(jì)n特征曲線的獲取l測(cè)試20個(gè)傳感器，獲得一批實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；l對(duì)上述20組數(shù)據(jù)，分別求各組的最佳一致逼近多項(xiàng)式：y(x)=a3x3+a2x2+a1x+a0式中：y為實(shí)際壓力，x

17、為傳感器輸出l在上述20組多項(xiàng)式中，找出變化范圍最小的一個(gè)系數(shù)，然后給定該系數(shù)；試驗(yàn)中a3的變化范圍：-0.0373145，-0.0239532，取平均數(shù)基于HART協(xié)議的壓力差壓變送器的設(shè)計(jì)w由特征化給出三個(gè)點(diǎn)（量程的0%，60%和100%），即（x1,y1)、(x2,y2)、(x3,y3)，根據(jù)這三個(gè)點(diǎn)決定的近似最佳一致逼近算式，計(jì)算誤差(-1) (i-1)R=y(xi)yi，(i=1,2,3) ：w在|R|取最小值時(shí)得出a0,a1,a2值；n試驗(yàn)得出 |R|=0.00013)3(2)2(1) 1(yxyRyxyRyxyR基于HART協(xié)議的壓力差壓變送器的設(shè)計(jì)w由以上方程組可知，給定a3和

18、R后便可求得a0,a1,a2。w近似的最佳一致逼近算法的特點(diǎn)l數(shù)學(xué)模型簡(jiǎn)單l精度較高，可以達(dá)到萬分之二l運(yùn)算速度快Ryaxxxxyxyxaxxaxxxxyxyxaxxa00) 21(212211223211) 21(2121123) 21(2基于HART協(xié)議的壓力差壓變送器的設(shè)計(jì)w 數(shù)字濾波n4個(gè)數(shù)據(jù)的滑動(dòng)平均濾波法l當(dāng)量程比小于4：1時(shí)，滑動(dòng)平均濾波程序l當(dāng)量程比大于4：1時(shí)，將4個(gè)數(shù)據(jù)的和直接參與運(yùn)算，相當(dāng)于把采樣值和量程擴(kuò)大4倍，增加了量程轉(zhuǎn)換的最后結(jié)果的有效位數(shù)，從而提高了量程轉(zhuǎn)換的精度。l提高了量程轉(zhuǎn)換的精度，跳碼幅度減少了一半以上基于HART協(xié)議的壓力差壓變送器的設(shè)計(jì)w 特殊命令的

19、實(shí)現(xiàn)n特征化命令n變送器類型和測(cè)量范圍的選擇l0-1.49KPa、7.46 KPa、37.29 KPa、186.45 KPa、689.5 KPa、2.068 MPa、6.895 MPa、20.68 MPa、41.37 MPa基于HART協(xié)議的壓力差壓變送器的設(shè)計(jì)w 性能n基本誤差0.1%n寫保護(hù)n零點(diǎn)遷移l最大負(fù)遷移：工作量程的1100%l最大正遷移：工作量程的1000%基于HART協(xié)議的壓力差壓變送器的設(shè)計(jì)w 應(yīng)用n完全與國(guó)外產(chǎn)品兼容n實(shí)現(xiàn)高低報(bào)警電流選擇n與模擬儀表相比使用更方便、性能更佳l不必使用電位器進(jìn)行零位、滿量程的設(shè)置l基本誤差達(dá)到0.1級(jí)l可遠(yuǎn)程進(jìn)行維護(hù)和調(diào)?；贖ART協(xié)議的應(yīng)

20、變式浮筒液位變送器的設(shè)計(jì)w 工作原理n液位的變化使部分浸沉在液體中的浮筒所受浮力產(chǎn)生相應(yīng)的變化n浮力的變化經(jīng)過杠桿放大后由應(yīng)變電橋轉(zhuǎn)變?yōu)楹练盘?hào)n電壓信號(hào)由AD7715采樣浮筒應(yīng)變電橋基于HART協(xié)議的應(yīng)變式浮筒液位變送器的設(shè)計(jì)w 傳感器n應(yīng)變電阻的靈敏度：1.5mV/V與供電電壓成正比n采用應(yīng)變電阻組成的電橋l放大了傳感器信號(hào)l實(shí)現(xiàn)了一定的非線性補(bǔ)償l實(shí)現(xiàn)了一定的溫度漂移補(bǔ)償l傳感器經(jīng)軟件補(bǔ)償后非線性度達(dá)0.05%基于HART協(xié)議的應(yīng)變式浮筒液位變送器的設(shè)計(jì)w 低電壓和大負(fù)載電阻設(shè)計(jì)n最低工作電壓9Vn在24V供電時(shí)，可以驅(qū)動(dòng)750的負(fù)載電阻輸出20mA基于HART協(xié)議的應(yīng)變式浮筒液位變送器

21、的設(shè)計(jì)w 低電壓和大負(fù)載電阻設(shè)計(jì)n分層供電n減小上層電壓n采用3V的ADn采用低起始電壓的恒流源n降低應(yīng)變電橋的耗電VCCDRIVECOMPBOOSTLOOP RTNCOMAD421恒流管CPUMODEMAD77153VV1V17.5V6VCOMLOOP(+)LOOP(-)基于HART協(xié)議的應(yīng)變式浮筒液位變送器的設(shè)計(jì)w 低電壓和大負(fù)載電阻設(shè)計(jì)n解決了由于減低了應(yīng)變電橋的供電電流，帶來的輸出差動(dòng)電壓信號(hào)減小引起的精度損耗l將AD7715的輸入信號(hào)放大倍數(shù)設(shè)置為128倍l采用數(shù)字濾波技術(shù)l對(duì)一組八個(gè)采樣數(shù)據(jù)去掉最大值和最小值再進(jìn)行數(shù)字平均，處理后數(shù)字跳碼率減少了一半以上基于HART協(xié)議的應(yīng)變式浮筒

22、液位變送器的設(shè)計(jì)w 本質(zhì)安全技術(shù)n針對(duì)分層方案的本質(zhì)安全技術(shù)n雙重冗余齊納管保護(hù)l對(duì)T1的發(fā)射極和T2的柵極與COMlLOOP（-）與COMl上層與3Vl下層與COMVCCDRIVECOMPBOOSTLOOP RTNCOMAD421AD421恒流管CPUCPUMODEMMODEMAD7715AD77153V3VV1V18V8V6V6VCOMCOMLOOP(+)LOOP(+)LOOP(-)LOOP(-)基于HART協(xié)議的應(yīng)變式浮筒液位變送器的設(shè)計(jì)w 與模擬的浮筒液位變送器比較輸輸出出信信號(hào)號(hào)本本安安等等級(jí)級(jí)工工作作電電壓壓基基本本誤誤差差報(bào)報(bào)警警電電流流選選擇擇單單位位HART浮浮 筒筒 液液位位 變變 送送器器HARTiaIICT169V35V液液面面0.2%界界面面0.5%22mAmm、cm、m、in、ft模模 擬擬 浮浮筒筒 液液 位位變變送送器器420mAibIICT1612V35V液液面面0.5%1%界界面面1%1.5%無無無無基于HART協(xié)議的應(yīng)變式浮筒液位變送器的設(shè)計(jì)w 與模擬的浮筒液位變送器比較校調(diào)方式校調(diào)方式信號(hào)信號(hào)濾波濾波阻尼阻尼非線性