引言

      工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò )是智能制造的重要支撐基礎技術(shù)，也是物 聯(lián)網(wǎng)技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展#活躍的一個(gè)方向�，F場(chǎng)總線(xiàn)是連接控制 現場(chǎng)的儀表與控制室內控制裝置的數字化、串行、多站通信的網(wǎng)絡(luò )，是實(shí)現工廠(chǎng)數字通信網(wǎng)絡(luò )的基礎，廣泛用于制造自動(dòng) 化、過(guò)程自動(dòng)化及樓宇自動(dòng)化等領(lǐng)域。 

 

      基于HART通信協(xié)議的現場(chǎng)總線(xiàn)是一種常用的現場(chǎng)總 線(xiàn)，目前HART協(xié)議常用于儀表的調試、校準和日常維護等，把HART協(xié)議智能儀表組成網(wǎng)絡(luò )，與計算機進(jìn)行通信，從而連 接成控制系統，實(shí)現系統控制，這樣的應用尚不多見(jiàn)。某大型 粗真空系統壓力測量點(diǎn)多、氣路距離遠，傳統的分布式測控系 統難以滿(mǎn)足系統的高性能及智能化要求。

 

      本文以某粗真空壓力測量現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統研制為背 景，采用了HART智能壓力變送器實(shí)現壓力測量，基于HART協(xié)議和西門(mén)子S7-300系列PLC及其HART模塊，進(jìn)行粗真空壓力自動(dòng)檢測系統設計。 

 

1 基于HART協(xié)議的粗真空壓力測量系統構成

1.1 基于HART協(xié)議的現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統的特點(diǎn)

      現場(chǎng)總線(xiàn)主要實(shí)現工業(yè)現場(chǎng)智能化儀器儀表、控制器、執 行機構等現場(chǎng)控制設備間的數字通信及其與高級控制系統之 間的信息傳遞�，F場(chǎng)總線(xiàn)控制系統（FCS）是以現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)為核心的工業(yè)控制系統。隨著(zhù)數字通信和網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的發(fā)展，在現場(chǎng)智能設備的基礎上又發(fā)展了現場(chǎng)總線(xiàn)設備，并使工業(yè)自 動(dòng)化系統從分布式控制系統（DCS）向FCS發(fā)展。隨著(zhù)FCS的發(fā)展，作為現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統基礎的現場(chǎng)總線(xiàn)智能變送器被廣 泛應用。全球有四十余種工業(yè)現場(chǎng)總線(xiàn)，工業(yè)現場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )可歸 為三類(lèi)，即RS485網(wǎng)絡(luò )、HART網(wǎng)絡(luò )和FIELDBUS總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )（如FF、PROFIBUS、CANBUS、CC-Link等）。

 

      HART（Highway Addressable Remote Transducer）協(xié)議 是 美國ROSEMOUNT公司于1985年推出的一種用于現場(chǎng)智能儀 表和控制室主設備之間的通信協(xié)議，現已成為全球智能儀表的工業(yè)標準。

 

      HART協(xié)議是目前shijie上使用#多的智能儀表通信協(xié) 議，具有完整的技術(shù)支持，覆蓋了現場(chǎng)智能壓力、差壓、流量、 液位、調節閥、成分分析和記錄儀等智能設備。HART智能儀 表是指基于HART協(xié)議的儀表，全球工業(yè)提供商制造的智能 儀表中有超過(guò)75%的儀表安裝了HART協(xié)議，HART協(xié)議的應 用，使變送器達到更高的智能水平。

 

      HART協(xié)議在保持傳統4～20 mA信號的同時(shí)，擴展了兩線(xiàn)制數字通信與現場(chǎng)智能儀 表系統的能力。HART協(xié)議能提供相對較低帶寬、適度響應時(shí) 間的通信，其數字功能可實(shí)現儀表聯(lián)用，智能功能可實(shí)現儀表遠程參數設定，并為用戶(hù)提供現場(chǎng)儀表豐富的自動(dòng)化管理信息，是目前非常受用戶(hù)歡迎的智能現場(chǎng)儀表。 基于FF總線(xiàn)及PROFIBUS-PA等總線(xiàn)的智能儀表系統復雜，價(jià)格偏高，特別是總線(xiàn)安全柵價(jià)格昂貴，支持RS485的現場(chǎng) 智能儀表不太多，而HART儀表及其安全柵技術(shù)比較成熟，簡(jiǎn) 單、可靠、易用，價(jià)格低廉，實(shí)用性強。因此，粗真空壓力自動(dòng)測 量系統設計時(shí)將采用基于HART協(xié)議的現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統。

 

1.2 壓力變送器選型 

      壓力變送器一般直接輸出與壓力呈線(xiàn)性關(guān)系的標準電壓 信號或電流信號，供儀表、控制計算機、數據采集卡等設備采 集，在工業(yè)控制領(lǐng)域應用非常廣泛。隨著(zhù)微電子技術(shù)的迅猛發(fā) 展，越來(lái)越多的智能壓力變送器開(kāi)始支持數字信號傳輸的現 場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議。

 

      DP harp EJA系列智能差壓壓力變送器是由日本橫河電 機株式會(huì )社于1994年開(kāi)發(fā)的高性能智能儀表。EJA智能變送器采用了單晶硅諧振式傳感器，由單晶硅諧振式傳感器上的兩個(gè)H形振動(dòng)梁分別將差壓、壓力信號轉換成頻率信號，送到脈沖計數器，再將兩頻率之差直接傳輸到CPU進(jìn)行數據處理， 經(jīng)D/A轉換器轉換為與輸入信號相對應的標準DC4～20 mA輸出信號，并在模擬信號上疊加一個(gè)HART/BRAIN數字信號進(jìn)行通信。EJA智能變送器具有雙向通信功能和完善的自診 斷功能，提供了HART 5/HART 7、HART（DC1～5 V）低功耗 型、FF總線(xiàn)、PROFIBUS-PA總線(xiàn)以及BRAIN等通信協(xié)議。 

 

      經(jīng)過(guò)分析論證，本文選用橫河EJA510E型螺紋安裝式絕 對壓力變送器來(lái)測量氣路的空氣壓力，輸出信號類(lèi)型選擇二 線(xiàn)制DC4～20 mA帶HART 5/HART 7協(xié)議數字通信。智能變 送器都有一定的測量量程范圍，實(shí)際設定的量程應在固有量 程的1/4～3/4段，這樣才能夠保證測量的精度。某粗真空系統在運行過(guò)程中與工作環(huán)境大氣壓的壓力差為60 kPa，根據系統的工作壓力范圍，選擇EJA智能壓力變送器的壓力測量量程范圍為10～200 kPa。

 

1.3 粗真空壓力測量系統構成 

      某粗真空系統采用高壓風(fēng)機產(chǎn)生負壓，共有8條氣路支 路，需采用8塊帶HART協(xié)議的EJA510E智能壓力變送器測量8 條支路的壓力，采用S7-300 PLC和HART接口模塊組建粗真 空壓力自動(dòng)測量系統，系統組成框圖如圖1所示。

2 粗真空壓力測量系統HART通信設計

2.1 HART通信設備設計選型

2.1.1 HART通信設備類(lèi)型

HART通信協(xié)議設備一般主要包括基本主設備、副主設 備和#基本的現場(chǎng)設備�；�本主設備（主機）是與現場(chǎng)設備通 信的基本設備，如PC、DCS、PLC等，副主設備是鏈路臨時(shí)的使 用者，如手持通信器等，#基本的現場(chǎng)設備包括從設備、成組模式設備及現場(chǎng)儀表。HART儀表設備是智能現場(chǎng)設備的shou 選。每個(gè)HART儀表的數字信號能提供35～40項信息，要充分利用這些信息，就要與HART儀表建立連續長(cháng)久的通信聯(lián)系。

 

HART協(xié)議用于主機和智能設備之間的數字通信，并為 用戶(hù)提供強大的系統控制和監控功能。每個(gè)HART設備有一

個(gè)非常好的38位地址，該地址由制造商ID代碼、設備類(lèi)型代碼和 設備非常好標識符組成。HART主機只有知道了現場(chǎng)設備的地 址之后才能與其成功通信，HART主機還可以通過(guò)發(fā)布一個(gè) 命令使從設備回應地址。

 

2.1.2 HART通信設備的選擇

      PLC和DCS用于監測和控制工業(yè)自動(dòng)化應用中的HART智能儀表及現場(chǎng)模擬儀器儀表，智能儀表的4～20 mA模擬輸出一般都配置HART通信協(xié)議，目前大多數主流品牌PLC的模擬輸入模塊都不支持HART通信協(xié)議，而西門(mén)子S7-300/400系 列PLC提供了HART信號/功能模塊，故本系統的主設備采用西門(mén)子S7-300系列PLC及其I/O模塊。

 

      DCS在當今工控領(lǐng)域使用非常廣泛，通過(guò)把現場(chǎng)的傳感 器/執行器與分布式I/O模塊相連，然后通過(guò)總線(xiàn)與控制器 （CPU）進(jìn)行通信，可以實(shí)現快速的數據交換，方便對現場(chǎng)各分 散元器件的集中管理。西門(mén)子的分布式系統有ET 200S、ET200SP、ET 200M、ET 200MP、ET 200PRO等。西門(mén)子SIMATICET 200M是分布式I/O設備，可使用S7-300/400 PLC的信號/ 功能模塊，也支持PROFIBUS-DP和PROFINET總線(xiàn)，適用于中大型的分布式控制場(chǎng)合。粗真空壓力自動(dòng)測量系統設計時(shí)采用ET 200M分布式I/O系統。

 

      ET 200M是具有S7-300/400 PLC自動(dòng)化系統的組態(tài)技 術(shù)，由一個(gè)IM 153-x和多個(gè)S7-300/400 PLC的I/O模塊組成。ET 200M是 在 PROFIBUS-DP總 線(xiàn)上 的 被 動(dòng)站（從 站），是HART設備（智能現場(chǎng)設備）的HART主站，#大數據傳輸速率 為12 MB/s。IM153-2是ET 200M的接口模塊，它通過(guò)HART模 擬輸入模塊從PD/PC將參數分配數據傳遞至智能現場(chǎng)設備， 并將數據返回。本系統使用IM 153-2BA00接口模塊作為連接PROFIBUS-DP的接口。

 

      HART模擬模塊是ET 200M分布式I/O系統的一種接口模 塊，它是指除模擬量外還可以執行HART通信的模擬模塊。HART模擬模塊可以用作HART現場(chǎng)設備的HART接口，可以 參數化HART現場(chǎng)設備，也可以通過(guò)模塊讀出診斷狀態(tài)。ET200M HART模擬模塊只能在ET 200M分布式I/O系統中操作。 

 

      本系統設計時(shí)采用ET 200M HART模擬輸入模塊SM 331， 型號規格為SM 331 6ES7 331-7TF01-0AB0，有8個(gè)AI通道，將 8個(gè)二線(xiàn)制EJA智能壓力變送器連接到SM 331的8個(gè)通道。

 

2.2 HART通信模式選擇

      HART通信采用半雙工通信和主/從控制方式，其特點(diǎn)是 在現有模擬信號傳輸線(xiàn)上實(shí)現數字信號通信。HART協(xié)議通 信模型采用物理層、數據鏈路層和應用層三層結構。數據鏈路 層規定HART協(xié)議幀的格式，可尋址范圍為0～15（對HART 5） 或者0～63（對HART 7），每臺HART變送器有非常好的地址編 號，主機能對每一臺變送器進(jìn)行操作。針對本系統的HART儀 表設備數量，采用HART 5協(xié)議。

 

      HART有點(diǎn)對點(diǎn)和多點(diǎn)兩種通信模式。對于點(diǎn)對點(diǎn)模式，經(jīng)典的4～20 mA模擬信號依然可以用于傳輸一個(gè)過(guò)程變量 配置參數，與其他設備數據通信則通過(guò)HART協(xié)議。多點(diǎn)模式下，從機為多臺HART智能變送器，4～20 mA模擬信號不再有 效，使每臺變送器工作電流固定在4 mA并且為設備供電，從 而降低總線(xiàn)電流以使功耗#小。 本系統采用多點(diǎn)通信模式，所有測量/過(guò)程變量、調整/測 試數據均用數字方式傳輸，系統依次讀取信號傳輸線(xiàn)上的多 臺現場(chǎng)儀表的數據。在多點(diǎn)通信系統中，按照HART 5協(xié)議進(jìn)行通信，需將各儀表地址配置在1～15，#多可將15個(gè)現場(chǎng)設 備連接至一個(gè)HART主站。

 

2.3 系統拓撲結構設計 

      本系統采用HART協(xié)議組網(wǎng)與S7-300 PLC通信，實(shí)現系 統控制。利用HART協(xié)議在現場(chǎng)儀表與PLC之間建立數字連接， 在控制室與現場(chǎng)儀器儀表之間創(chuàng )建智能連接。HART協(xié)議的 有效通信距離為3 000 m，可以通過(guò)一根雙絞線(xiàn)連接多臺HART設備構成多站網(wǎng)絡(luò )。在本系統中，HART通信模式采用多點(diǎn)模式，HART協(xié)議網(wǎng)絡(luò )系統的拓撲結構如圖2所示。

以1個(gè)S7-300 PLC作為主機，1個(gè)IM 153-2接口模塊和1個(gè)HART模擬輸入模塊SM 331作為HART主站，8塊遵循HART協(xié)議的EJA智能壓力變送器作為現場(chǎng)設備和HART從站。

 

      在網(wǎng)絡(luò )拓撲結構中，現場(chǎng)設備（HART智能儀表）均為并 聯(lián)。將8塊現場(chǎng)設備連接至HART模擬輸入模塊SM 331的8個(gè) 通道，現場(chǎng)設備作為HART設備進(jìn)行工作。根據通信原理，HART通信的信號是從4～20 mA傳輸線(xiàn)上取得。EJA智能壓力變送器為兩線(xiàn)制，須在SM 331保留的端子10和11之間加一 個(gè)短接跳線(xiàn)。 

 

使用HART通信的多點(diǎn)連接模式實(shí)現了PLC與HART現場(chǎng) 智能儀表的通信，在一根雙絞線(xiàn)上連接多臺現場(chǎng)設備，既可實(shí)現壓力監測，又可節約成本。 

 

      在本系統中，EJA壓力變送器的被測量、過(guò)程參數、設備 組態(tài)、校準、診斷信息均可通過(guò)HART協(xié)議訪(fǎng)問(wèn)，還可實(shí)現對真空壓力變化的實(shí)時(shí)控制和監視。 

 

3 結語(yǔ)

      基于HART協(xié)議的粗真空壓力自動(dòng)測量系統設計方案已 在生產(chǎn)現場(chǎng)得到應用，HART總線(xiàn)設備與PLC通信穩定，該方 案節省了模擬量輸入模塊，大大減少了現場(chǎng)布線(xiàn)量，降低了工程造價(jià)。本文所提出的PLC與HART儀表集成方案性?xún)r(jià)比高，具有一定工程實(shí)用意義，為其他HART智能儀表與PLC組建現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統（FCS）提供了一種經(jīng)濟可行的方案。