金偉清

（西安明德理工學(xué)院智能制造與控制技術(shù)學(xué)院，陜西西安710124）

0 引言

工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)是智能制造的重要支撐基礎(chǔ)技術(shù)，也是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展最活躍的一個方向。現(xiàn)場總線是連接控制現(xiàn)場的儀表與控制室內(nèi)控制裝置的數(shù)字化、串行、多站通信的網(wǎng)絡(luò)，是實現(xiàn)工廠數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)，廣泛用于制造自動化、過程自動化及樓宇自動化等領(lǐng)域。

基于HART通信協(xié)議的現(xiàn)場總線是一種常用的現(xiàn)場總線，目前HART協(xié)議常用于儀表的調(diào)試、校準和日常維護等，把HART協(xié)議智能儀表組成網(wǎng)絡(luò)，與計算機進行通信，從而連接成控制系統(tǒng)，實現(xiàn)系統(tǒng)控制，這樣的應(yīng)用尚不多見。某大型粗真空系統(tǒng)壓力測量點多、氣路距離遠，傳統(tǒng)的分布式測控系統(tǒng)難以滿足系統(tǒng)的高性能及智能化要求。

本文以某粗真空壓力測量現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)研制為背景，采用了HART智能壓力變送器實現(xiàn)壓力測量，基于HART協(xié)議和西門子S7-300系列PLC及其HART模塊，進行粗真空壓力自動檢測系統(tǒng)設(shè)計。

1 基于HART協(xié)議的粗真空壓力測量系統(tǒng)構(gòu)成

1.1 基于HART協(xié)議的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的特點

現(xiàn)場總線主要實現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場智能化儀器儀表、控制器、執(zhí)行機構(gòu)等現(xiàn)場控制設(shè)備間的數(shù)字通信及其與高級控制系統(tǒng)之間的信息傳遞?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）是以現(xiàn)場總線技術(shù)為核心的工業(yè)控制系統(tǒng)。隨著數(shù)字通信和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，在現(xiàn)場智能設(shè)備的基礎(chǔ)上又發(fā)展了現(xiàn)場總線設(shè)備，并使工業(yè)自動化系統(tǒng)從分布式控制系統(tǒng)（DCS）向FCS發(fā)展。隨著FCS的發(fā)展，作為現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)基礎(chǔ)的現(xiàn)場總線智能變送器被廣泛應(yīng)用。

全球有四十余種工業(yè)現(xiàn)場總線，工業(yè)現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)可歸為三類，即RS485網(wǎng)絡(luò)、HART網(wǎng)絡(luò)和FIELDBUS總線網(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(xiàn)場智能儀表和控制室主設(shè)備之間的通信協(xié)議，現(xiàn)已成為全球智能儀表的工業(yè)標準。

HART協(xié)議是目前世界上使用最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(xiàn)場智能壓力、差壓、流量、液位、調(diào)節(jié)閥、成分分析和記錄儀等智能設(shè)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75%的儀表安裝了HART協(xié)議，HART協(xié)議的應(yīng)用，使變送器達到更高的智能水平。HART協(xié)議在保持傳統(tǒng)4～20 mA信號的同時，擴展了兩線制數(shù)字通信與現(xiàn)場智能儀表系統(tǒng)的能力。HART協(xié)議能提供相對較低帶寬、適度響應(yīng)時間的通信，其數(shù)字功能可實現(xiàn)儀表聯(lián)用，智能功能可實現(xiàn)儀表遠程參數(shù)設(shè)定，并為用戶提供現(xiàn)場儀表豐富的自動化管理信息，是目前非常受用戶歡迎的智能現(xiàn)場儀表。

基于FF總線及PROFIBUS-PA等總線的智能儀表系統(tǒng)復(fù)雜，價格偏高，特別是總線安全柵價格昂貴，支持RS485的現(xiàn)場智能儀表不太多，而HART儀表及其安全柵技術(shù)比較成熟，簡單、可靠、易用，價格低廉，實用性強。因此，粗真空壓力自動測量系統(tǒng)設(shè)計時將采用基于HART協(xié)議的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)。

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(shù)據(jù)采集卡等設(shè)備采集，在工業(yè)控制領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛。隨著微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，越來越多的智能壓力變送器開始支持數(shù)字信號傳輸?shù)默F(xiàn)場總線協(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社于1994年開發(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H形振動梁分別將差壓、壓力信號轉(zhuǎn)換成頻率信號，送到脈沖計數(shù)器，再將兩頻率之差直接傳輸?shù)紺PU進行數(shù)據(jù)處理，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為與輸入信號相對應(yīng)的標準DC4～20 mA輸出信號，并在模擬信號上疊加一個HART/BRAIN數(shù)字信號進行通信。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、PROFIBUS-PA總線以及BRAIN等通信協(xié)議。

經(jīng)過分析論證，本文選用橫河EJA510E型螺紋安裝式絕對壓力變送器來測量氣路的空氣壓力，輸出信號類型選擇二線制DC4～20 mA帶HART 5/HART 7協(xié)議數(shù)字通信。智能變送器都有一定的測量量程范圍，實際設(shè)定的量程應(yīng)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(tǒng)在運行過程中與工作環(huán)境大氣壓的壓力差為60 kPa，根據(jù)系統(tǒng)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(tǒng)構(gòu)成

某粗真空系統(tǒng)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測量系統(tǒng)，系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。大型的分布式控制場合。粗真空壓力自動測量系統(tǒng)設(shè)計時采用ET 200M分布式I/O系統(tǒng)。

ET 200M是具有S7-300/400 PLC自動化系統(tǒng)的組態(tài)技術(shù)，由一個IM 153-x和多個S7-300/400 PLC的I/O模塊組成。ET 200M 是在PROFIBUS-DP總線上的被動站（從站），是

圖1 粗真空壓力測量系統(tǒng)組成框圖

2 粗真空壓力測量系統(tǒng)HART通信設(shè)計

2.1 HART通信設(shè)備設(shè)計選型

2.1.1 HART通信設(shè)備類型

HART通信協(xié)議設(shè)備一般主要包括基本主設(shè)備、副主設(shè)備和最基本的現(xiàn)場設(shè)備?；局髟O(shè)備（主機）是與現(xiàn)場設(shè)備通信的基本設(shè)備，如PC、DCS、PLC等，副主設(shè)備是鏈路臨時的使用者，如手持通信器等，最基本的現(xiàn)場設(shè)備包括從設(shè)備、成組模式設(shè)備及現(xiàn)場儀表。HART儀表設(shè)備是智能現(xiàn)場設(shè)備的首選。每個HART儀表的數(shù)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(xù)長久的通信聯(lián)系。

HART協(xié)議用于主機和智能設(shè)備之間的數(shù)字通信，并為用戶提供強大的系統(tǒng)控制和監(jiān)控功能。每個HART設(shè)備有一個唯一的38位地址，該地址由制造商ID代碼、設(shè)備類型代碼和設(shè)備唯一標識符組成。HART主機只有知道了現(xiàn)場設(shè)備的地址之后才能與其成功通信，HART主機還可以通過發(fā)布一個命令使從設(shè)備回應(yīng)地址。

2.1.2 HART通信設(shè)備的選擇

PLC和DCS用于監(jiān)測和控制工業(yè)自動化應(yīng)用中的HART智能儀表及現(xiàn)場模擬儀器儀表，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(shù)主流品牌PLC的模擬輸入模塊都不支持HART通信協(xié)議，而西門子S7-300/400系列PLC提供了HART信號/功能模塊，故本系統(tǒng)的主設(shè)備采用西門子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，通過把現(xiàn)場的傳感器/執(zhí)行器與分布式I/O模塊相連，然后通過總線與控制器（CPU）進行通信，可以實現(xiàn)快速的數(shù)據(jù)交換，方便對現(xiàn)場各分散元器件的集中管理。西門子的分布式系統(tǒng)有ET 200S、ET 200SP、ET 200M、ET 200MP、ET 200PRO等。西門子SIMATIC ET 200M是分布式I/O設(shè)備，可使用S7-300/400 PLC的信號/功能模塊，也支持PROFIBUS-DP和PROFINET總線，適用于中HART設(shè)備（智能現(xiàn)場設(shè)備）的HART主站，最大數(shù)據(jù)傳輸速率為12 MB/s。IM153-2是ET 200M的接口模塊，它通過HART模擬輸入模塊從PD/PC將參數(shù)分配數(shù)據(jù)傳遞至智能現(xiàn)場設(shè)備，并將數(shù)據(jù)返回。本系統(tǒng)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(tǒng)的一種接口模塊，它是指除模擬量外還可以執(zhí)行HART通信的模擬模塊。HART模擬模塊可以用作HART現(xiàn)場設(shè)備的HART接口，可以參數(shù)化HART現(xiàn)場設(shè)備，也可以通過模塊讀出診斷狀態(tài)。ET 200M HART模擬模塊只能在ET 200M分布式I/O系統(tǒng)中操作。

本系統(tǒng)設(shè)計時采用ET 200M HART模擬輸入模塊SM 331，型號規(guī)格為SM 331 6ES7 331-7TF01-0AB0，有8個AI通道，將8個二線制EJA智能壓力變送器連接到SM 331的8個通道。

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，其特點是在現(xiàn)有模擬信號傳輸線上實現(xiàn)數(shù)字信號通信。HART協(xié)議通信模型采用物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層三層結(jié)構(gòu)。數(shù)據(jù)鏈路層規(guī)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變送器有唯一的地址編號，主機能對每一臺變送器進行操作。針對本系統(tǒng)的HART儀表設(shè)備數(shù)量，采用HART 5協(xié)議。

HART有點對點和多點兩種通信模式。對于點對點模式，經(jīng)典的4～20 mA模擬信號依然可以用于傳輸一個過程變量配置參數(shù)，與其他設(shè)備數(shù)據(jù)通信則通過HART協(xié)議。多點模式下，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(shè)備供電，從而降低總線電流以使功耗最小。

本系統(tǒng)采用多點通信模式，所有測量/過程變量、調(diào)整/測試數(shù)據(jù)均用數(shù)字方式傳輸，系統(tǒng)依次讀取信號傳輸線上的多臺現(xiàn)場儀表的數(shù)據(jù)。在多點通信系統(tǒng)中，按照HART 5協(xié)議進行通信，需將各儀表地址配置在1～15，最多可將15個現(xiàn)場設(shè)備連接至一個HART主站。

2.3 系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)設(shè)計

本系統(tǒng)采用HART協(xié)議組網(wǎng)與S7-300 PLC通信，實現(xiàn)系統(tǒng)控制。利用HART協(xié)議在現(xiàn)場儀表與PLC之間建立數(shù)字連接，在控制室與現(xiàn)場儀器儀表之間創(chuàng)建智能連接。HART協(xié)議的有效通信距離為3 000 m，可以通過一根雙絞線連接多臺HART設(shè)備構(gòu)成多站網(wǎng)絡(luò)。在本系統(tǒng)中，HART通信模式采用多點模式，HART協(xié)議網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 基于HART協(xié)議的粗真空壓力自動測量系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)

以1個S7-300 PLC作為主機，1個IM 153-2接口模塊和1個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(xiàn)場設(shè)備和HART從站。

在網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)中，現(xiàn)場設(shè)備（HART智能儀表）均為并聯(lián)。將8塊現(xiàn)場設(shè)備連接至HART模擬輸入模塊SM 331的8個通道，現(xiàn)場設(shè)備作為HART設(shè)備進行工作。根據(jù)通信原理，HART通信的信號是從4～20 mA傳輸線上取得。EJA智能壓力變送器為兩線制，須在SM 331保留的端子10和11之間加一個短接跳線。

使用HART通信的多點連接模式實現(xiàn)了PLC與HART現(xiàn)場智能儀表的通信，在一根雙絞線上連接多臺現(xiàn)場設(shè)備，既可實現(xiàn)壓力監(jiān)測，又可節(jié)約成本。

在本系統(tǒng)中，EJA壓力變送器的被測量、過程參數(shù)、設(shè)備組態(tài)、校準、診斷信息均可通過HART協(xié)議訪問，還可實現(xiàn)對真空壓力變化的實時控制和監(jiān)視。

3 結(jié)語

基于HART協(xié)議的粗真空壓力自動測量系統(tǒng)設(shè)計方案已在生產(chǎn)現(xiàn)場得到應(yīng)用，HART總線設(shè)備與PLC通信穩(wěn)定，該方案節(jié)省了模擬量輸入模塊，大大減少了現(xiàn)場布線量，降低了工程造價。本文所提出的PLC與HART儀表集成方案性價比高，具有一定工程實用意義，為其他HART智能儀表與PLC組建現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）提供了一種經(jīng)濟可行的方案。