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HART 协议简介及智能化技术

HART 协议简介及智能化技术. 杭州哈泰克科技有限公司 HANGZHOU HARTech CO.,LTD. 现场总线的发展与展望. 现场总线产生的必然性 当前控制系统（如 DCS ）存在的问题 决策层只能在最高层，对于下层设备很少授权。在高层设备出故障时，下层设备只能维持现状。 下层设备间的信息交流困难 模拟仪表的缺点 一对一结构 可靠性差 操作员对仪表无法控制 互换性差. 现场总线的发展与展望. 现场总线的优点 一对多结构 可靠性高 操作员对仪表状态可控 互换性好 具有互操作性 综合功能强，实现仪表多用 彻底的分散控制 统一组态，简单方便

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HART 协议简介及智能化技术

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Presentation Transcript

  1. HART协议简介及智能化技术 杭州哈泰克科技有限公司 HANGZHOU HARTech CO.,LTD.

  2. 现场总线的发展与展望 • 现场总线产生的必然性 • 当前控制系统（如DCS）存在的问题 • 决策层只能在最高层，对于下层设备很少授权。在高层设备出故障时，下层设备只能维持现状。 • 下层设备间的信息交流困难 • 模拟仪表的缺点 • 一对一结构 • 可靠性差 • 操作员对仪表无法控制 • 互换性差

  3. 现场总线的发展与展望 • 现场总线的优点 • 一对多结构 • 可靠性高 • 操作员对仪表状态可控 • 互换性好 • 具有互操作性 • 综合功能强，实现仪表多用 • 彻底的分散控制 • 统一组态，简单方便 • 开放式系统

  4. 传统DCS控制层

  5. 分散控制系统总线 控制器 网桥 H2 H2 H1 H1 H1 H1——低速现场总线 • 31.25kbps • 2～32个设备/段 • 供电与通信 • 本质安全 • 能利用已有的4～20mA信号线 • …… H1 现代FCS控制层 • 数字信号取代4～20mA • 现场的管理与控制的统一 • 一些基本过程控制在现场完成 • 设备非控制信息增加

  6. 现场总线的分散控制模块

  7. 4 ～20 mA 调节 器 配 电 4 ～20 mA 安全栅 指示 积算 4 ～20 mA 配 电 双向数字传输 控制室仪表 安全栅 手持编程器 现场总线与控制室仪表 连线效率对比 控制室 a) 4 ～20mA传输标准 现场 b) 现场总线

  8. 微 微 4～20mA 人 放 I/V A/D 4～20mA 传 处 处 机 大 A/D 感 D/A V/I 理 理 接 调 4～20mA 器 器 器 口 理 D/A V/I 变送器 调节器 微 微 人 通 放 通 数字双向传输 传 处 处 机 讯 大 讯 感 A/D 理 理 接 接 调 接 器 器 器 口 口 理 口 变送器 控制室仪表 仪表内部结构对比 a) 4～20mA标准 b) 现场总线标准

  9. 现场总线的发展现况 • 2000年1月公布的国际标准 IEC61158囊括了以下八种总线：FF的H1、FF-HSE、Profibus、INTERBUS、P-NET、WorldFIP、ControlNet、SwiftNet，形成多种总线共同竞争的局面。 • HART技术作为一种从模拟信号到全数字信号过渡一种通讯协议，特别适合于目前企业的技术和设备的改造。未来的技术发展趋势是全数字化的通讯协议，但由于国际上各大集团对利益分割，无法形成一个统一的数字现场总线的标准。而HART协议作为目前控制行业事实上的工业标准，在近一段时间将会继续大量使用。 • 据HART基金会统计，2000年有75%的智能仪表仍采用HART协议。其估计HART技术在过程工业仍将继续广泛使用至少15～20年。在国内模拟仪表仍大量被使用，HART产品还将具有相当长的生命周期，我们将面临一个巨大的市场。

  10. 什么是HART协议 • HART协议（Highway Addressible Remote Transducer）：是Rosemount公司于1986年提出的一项标准。 • 实现4~20mA模拟信号与数字通讯兼容的标准，是现场总线的过渡性标准。 • HART协议是一个开放性协议，已成为智能仪表事实上的工业标准： • 1996年，HART协议产品产量为60万台，Fisher-Rosemount公司的25万台变送器中HART协议产品约占76%。 • 专家们预计，HART在国际上的使用寿命为15~20年，在国内由于客观条件所限，这个时间会更长一些。 • HART不是真正的现场总线，而是从模拟控制系统向现场总线过渡的一块踏脚石。

  11. HART协议简介 • HART协议：Highway Addressable Remote Transducer（可寻址远程传感器数据公路），是由Rosemount公司提出的用于现场智能仪表和控制室设备间通讯的一个过渡性协议。 • HART通讯协议参照“ISO/OSI”的模型标准，简化并引用其中的1，2，7三层制定而成，即：物理层、数据链路层和应用层。

  12. HART协议 HART协议层次

  13. HART协议物理层 • 采用了Bell202标准的FSK频移键控技术。 • 实现了4~20mA模拟信号与数字通信的兼容。 • 设备通信距离1500 m。

  14. HART数据链路层 • 通信方式 • 主从式通信 • 由主设备来控制数据帧的传送 • 最多允许15个从设备连接到一条多点通讯线上 • 突发模式 • 从设备定时重复发送数据帧 • 半双工通讯方式 • 寻址范围：0 ~ 15 • 当地址为0时，处于4~20mADC与数字通信兼容状态。 • 当地址为1~15时，则处于全数字通信状态。

  15. HART数据链路层 • 通讯帧格式 PREM BCNT DELM STATUS ADDR DATA CMD CHK • PREM: Preamble序文 BCNT: Bycount 字节数 • DELM: Delimiter起始字符 STATUS: 变送器通讯状态 • ADDR: Address地址（源地址和目的地址） • DATA: 通讯数据 • CMD: Command 命令号 CHK: Checksum 校验和 数据帧长度不固定，最长25个字节。

  16. HART协议应用层 • 通用命令(Universal Commend)： 对所有符合HART协议的现场设备都适用的命令。包括以下内容： • 读变送器的量程、单位以及阻尼时间常数； • 读出传感器串联数目及其限制； • 写入轮询地址； • 读出制造厂及产品型号； • 读出主变量及单位； • 读出电流的输出及百分比输出； • 读写8个字符的标牌号，16个字符的描述内容以及日期等；

  17. HART协议应用层 • 普通应用命令(Common-Practice Command)： 适用于大部分符合HART协议的产品，但不同公司的HART产品可能会有少量区别，如写主变量单位，微调DA的零点和增益等。 主要包括： • 写入阻尼时间常数； • 写入变送器量程； • 标定（设置零点和量程）； • 微调主变量零点； • 微调DAC的零点和增益； • 完成自检及主机复位；

  18. HART协议应用层 • 特殊命令(Transmitter-Specific Command)： 仅适用于某种具体的现场设备。这是各家公司的产品自己所特有的命令，不互相兼容，如特征化，微调传感头校正等。 主要命令包括： • 读出或写入开方小流量截断值； • 启动、停止或清除累积器； • 选择主变量（质量流量或密度）； • 读出或写入组态信息资料； • 微调传感器的标定；

  19. 设备描述语言（DDL） • DDL（Device Description Language)是使符合HART协议的设备真正做到完全兼容的重要保证。 • 它包括现场设备的DDL描述和主设备的DDL解释器两部分。 • 任何实现了DDL解释功能的主设备就可和任何已经提供了DDL描述的现场设备通讯。 • 新的现场设备可以无需顾及不同的主设备而独立发布。 • 新的主设备只要在其上开发好DDL解释器就可发行。

  20. 智能变送模块 VCC VCC 电 源 模 块 A1 EEPROM 参考电压源 参考电压源 LOOP 传 感 器 模 块 A2 4～20mA AIN+ AD421 CPU AD7715 RTN VCC AIN- SPAN HART MODEM ZERO GND GND 基于HART协议的圆卡硬件设计

  21. 基于HART协议系列变送器的硬件设计 • HART通讯模块的电路设计 • FSK频移键控信号 • Bell202 MODEM • 带通滤波器 • 输出波形整形电路

  22. 基于HART协议系列变送器的硬件设计 • 低功耗技术 • HART数字通讯的要求 • 智能变送模块的功耗1.5mA • 低功耗芯片：A/D、D/A、EEPROM和MODEM总的工作电流限制在1.0mA • 高效、低功耗的CPU • 低频下间断性工作 • 传感器模块的功耗

  23. 基于HART协议系列变送器的硬件设计 • 抗干扰技术 • 电磁滤波 • WDT • 电源监控 • 软件自诊断

  24. 基于HART协议系列变送器的硬件设计 • 本质安全技术 • 减少储能元件 • 双重冗余齐纳管 • 符合本质安全iaⅡCT1~6标准

  25. 基于HART协议系列变送器的软件设计 • 软件模块划分 • AD采样控制模块 • AD-DA转换模块 • HART链路层模块 • HART命令层模块 • 键处理模块

  26. 基于HART协议系列变送器的软件设计 • AD-DA转换模块 • 查询后台AD定时采样 • 信号数字调理 • 粗大滤波 • 多点平均 • 温度补偿 • 线性补偿

  27. 基于HART协议系列变送器的软件设计 • 标准转换算法 • 一阶滤波 • 量程转换 • DA输出值转换、限幅 • DA输出值微调 • DA输出

  28. 基于HART协议系列变送器的软件设计 • HART命令层的实现 • 读出制造厂、产品型号、产品序列号；读出主变量及单位；读出电流的输出及百分比输出；读出或写入8个字符的仪表位号，16个字符的仪表描述以及日期；读出或写入32个字符仪表信息；读出和写入变送器的量程、单位以及阻尼时间；读出或写入写入轮询地址；读出和写入变送类型（开方/线性）； • 标定（设置零点和量程）；完成自检；完成主设备复位；微调主变量零点；微调DAC的零点和增益； • 线性标定；温度标定；读出或写入开方小信号切除值；启动、停止或清除累积器；选择主变量（质量流量或密度）；读出或写入组态信息资料；微调传感器的标定；

  29. 基于HART协议的压力差压变送器的设计 • 工作原理 • 差动电容式敏感元件将差压信号转换成相应的电压 • 传感器耗电0.8mA

  30. 基于HART协议的压力差压变送器的设计 • 传感器部分低功耗设计 • 模拟仪表12V供电，4mA • 智能仪表5V供电，0.8mA • 低功耗的运算放大器 • 温度补偿电路

  31. 基于HART协议的压力差压变送器的设计 • 非线性补偿 • 压力变送器传感器有很大的非线性 • 传感器特性曲线相似，一致性较好，可以通过数学模型的方式进行补偿； • 按照国外同类产品的要求，必须通过0%、60%、100%、-60%、-100%五点进行非线性补偿

  32. 基于HART协议的压力差压变送器的设计 • 特征曲线的获取 • 测试20个传感器，获得一批实验数据； • 对上述20组数据，分别求各组的最佳一致逼近多项式： y(x)=a3x3+a2x2+a1x+a0 式中：y为实际压力，x为传感器输出 • 在上述20组多项式中，找出变化范围最小的一个系数，然后给定该系数； 试验中a3的变化范围：[-0.0373145，-0.0239532]，取平均数

  33. 基于HART协议的压力差压变送器的设计 • 由特征化给出三个点（量程的0%，60%和100%），即（x1,y1)、(x2,y2)、(x3,y3)，根据这三个点决定的近似最佳一致逼近算式，计算误差(-1) (i-1)R=y(xi)yi，(i=1,2,3) ： • 在|R|取最小值时得出a0,a1,a2值； • 试验得出 |R|=0.0001

  34. 基于HART协议的压力差压变送器的设计 • 由以上方程组可知，给定a3和R后便可求得a0,a1,a2。 • 近似的最佳一致逼近算法的特点 • 数学模型简单 • 精度较高，可以达到万分之二 • 运算速度快

  35. 基于HART协议的压力差压变送器的设计 • 数字滤波 • 4个数据的滑动平均滤波法 • 当量程比小于4：1时，滑动平均滤波程序 • 当量程比大于4：1时，将4个数据的和直接参与运算，相当于把采样值和量程扩大4倍，增加了量程转换的最后结果的有效位数，从而提高了量程转换的精度。 • 提高了量程转换的精度，跳码幅度减少了一半以上

  36. 基于HART协议的压力差压变送器的设计 • 特殊命令的实现 • 特征化命令 • 变送器类型和测量范围的选择 • 0-1.49KPa、7.46 KPa、37.29 KPa、186.45 KPa、689.5 KPa、2.068 MPa、6.895 MPa、20.68 MPa、41.37 MPa

  37. 基于HART协议的压力差压变送器的设计 • 性能 • 基本误差 0.1% • 写保护 • 零点迁移 • 最大负迁移：工作量程的1100% • 最大正迁移：工作量程的1000%

  38. 基于HART协议的压力差压变送器的设计 • 应用 • 完全与国外产品兼容 • 实现高低报警电流选择 • 与模拟仪表相比使用更方便、性能更佳 • 不必使用电位器进行零位、满量程的设置 • 基本误差达到0.1级 • 可远程进行维护和调校

  39. 基于HART协议的应变式浮筒液位变送器的设计 • 工作原理 • 液位的变化使部分浸沉在液体中的浮筒所受浮力产生相应的变化 • 浮力的变化经过杠杆放大后由应变电桥转变为毫伏信号 • 电压信号由AD7715采样

  40. 基于HART协议的应变式浮筒液位变送器的设计 • 传感器 • 应变电阻的灵敏度：1.5mV/V与供电电压成正比 • 采用应变电阻组成的电桥 • 放大了传感器信号 • 实现了一定的非线性补偿 • 实现了一定的温度漂移补偿 • 传感器经软件补偿后非线性度达0.05%

  41. 基于HART协议的应变式浮筒液位变送器的设计 • 低电压和大负载电阻设计 • 最低工作电压9V • 在24V供电时，可以驱动750Ω的负载电阻输出20mA

  42. 基于HART协议的应变式浮筒液位变送器的设计 • 低电压和大负载电阻设计 • 分层供电 • 减小上层电压 • 采用3V的AD • 采用低起始电压的恒流源 • 降低应变电桥的耗电

  43. 基于HART协议的应变式浮筒液位变送器的设计 • 低电压和大负载电阻设计 • 解决了由于减低了应变电桥的供电电流，带来的输出差动电压信号减小引起的精度损耗 • 将AD7715的输入信号放大倍数设置为128倍 • 采用数字滤波技术 • 对一组八个采样数据去掉最大值和最小值再进行数字平均，处理后数字跳码率减少了一半以上

  44. 基于HART协议的应变式浮筒液位变送器的设计 • 本质安全技术 • 针对分层方案的本质安全技术 • 双重冗余齐纳管保护 • 对T1的发射极和T2的栅极与COM • LOOP（-）与COM • 上层与3V • 下层与COM

  45. 基于HART协议的应变式浮筒液位变送器的设计 • 与模拟的浮筒液位变送器比较

  46. 基于HART协议的应变式浮筒液位变送器的设计 • 与模拟的浮筒液位变送器比较

  47. 基于HART协议的温度变送器的设计 • 工作原理 • 热电偶 • 热电阻 恒流源 智能 变送 模块 LOOP 导线 CC4052 1I0O0 GND 2I2O2 AIN+ 1O/I 导线 1I1O1 AIN- 4~20mA 2O/I 导线 1I2O2 A1 1I3O3 A 2I3O3 A2 RTN B 2I0O0 2I1O GND

  48. 基于HART协议的温度变送器的设计 • 数据压缩技术 • 分段最佳一致逼近 K型热电偶在-40℃~290℃范围内，可用下式表示 T=0.1076+25.3239V-0.5089V2+0.0914V3-0.0059V4+0.0001V5 最大误差为：0.11℃

  49. 基于HART协议的温度变送器的设计 • 特殊命令的实现 • 任意选择变送器类型 • 万能输入 • 热电阻 • Pt100 • Cu50 • 热电偶 • S、B、T、K、E、J • 选择冷端补偿

  50. 基于HART协议的温度变送器的设计-温度变送器和其它温度变送器比较基于HART协议的温度变送器的设计-温度变送器和其它温度变送器比较

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