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董景辰

1  引言
HART協(xié)議自1983年成為開放協(xié)議以來已經(jīng)整整走過20年。鑒于當(dāng)時的技術(shù)狀況，具備HART協(xié)議通訊能力的現(xiàn)場儀表（以下稱HART儀表）比較昂貴，使用量不大。另外，當(dāng)時能夠與HART儀表進(jìn)行通訊的也只有手持器，能夠與HART協(xié)議通訊配套的硬件和軟件產(chǎn)品很少。因此，用戶中逐步形成了一種看法，似乎HART儀表中數(shù)字信號的作用僅僅只是進(jìn)行零點、量程遠(yuǎn)方整定和故障診斷，其它沒有什么用處。
經(jīng)過近二十年的發(fā)展，HART協(xié)議已經(jīng)成為過程自動化領(lǐng)域的一個事實上的標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)在支持HART協(xié)議的儀表制造商超過130家，其中45%在歐洲，43%在北美，12%在亞洲，是目前開放通訊協(xié)議中支持廠家最多的協(xié)議。通過HART基金會認(rèn)證的HART儀表品種已經(jīng)達(dá)到近500種。其中，壓力儀表61種，溫度儀表48種，流量儀表91種，物位儀表84種，分析儀表99種，執(zhí)行器12種，閥門定位器33種。同時，HART儀表的價格也大幅度地下降，在國內(nèi)已經(jīng)與模擬儀表的價格十分接近。HART儀表已經(jīng)不再是“奢侈品”。支持HART儀表與上位計算機(jī)通訊的配套硬件和軟件也十分豐富。因此，現(xiàn)在可以在新的形勢下重新評估一下HART協(xié)議數(shù)字信號的作用。為此，HART協(xié)議基金會最近發(fā)動了一個活動，叫做“釋放潛力”（Unleash the Power）。借此引起用戶們對HART協(xié)議的再次重視。
在當(dāng)今現(xiàn)場總線技術(shù)已經(jīng)十分火爆的時候，對HART協(xié)議的這種評估是否有實際意義呢？事實上，一項先進(jìn)技術(shù)被用戶接受是要相當(dāng)長的時間的。DCS系統(tǒng)從1975年問世到在中國普遍采用幾乎花了15年的時間?，F(xiàn)場總線技術(shù)肯定比HART協(xié)議更加完整、更加先進(jìn)、功能更加豐富，但是它的推廣也同樣需要時間。而現(xiàn)在在HART儀表已經(jīng)相當(dāng)普及的情況下，用戶只要花很少的投資，就可以享受到許多實實在在的好處。我們?yōu)槭裁床蝗プ瞿兀?BR>2  HART協(xié)議能夠給用戶帶來什么好處
每一個HART儀表的數(shù)字信號中平均能提供35~40項信息。要充分利用這些信息，唯一的條件就是要與HART儀表建立連續(xù)的、長期的通訊聯(lián)系。如果只是偶爾用手持器與HART儀表進(jìn)行短時間的通訊，那么，HART協(xié)議的潛力是無法發(fā)揮出來的。一旦與HART儀表建立了長期的通訊聯(lián)系，用戶將可以從四個方面獲益：
(1)  便于儀表和控制回路的調(diào)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(diào)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(xiàn)場去一一確認(rèn)。
HART儀表還能提供儀表組態(tài)的量程范圍、量程上、下限值。這些組態(tài)參數(shù)是否與DCS系統(tǒng)中相應(yīng)的組態(tài)參數(shù)匹配，這在調(diào)試中是很關(guān)鍵的。如果兩者不匹配，就會引起控制策略不能正常執(zhí)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(rèn)，并進(jìn)行參數(shù)的重新整定。
調(diào)試人員還可以在控制回路調(diào)試時，通過HART通訊使HART儀表輸出一個指定的模擬信號，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(tǒng)，確認(rèn)這些系統(tǒng)的動作是否正確。
(2)  在系統(tǒng)運(yùn)行時，協(xié)助運(yùn)行人員做出正確的判斷，減少系統(tǒng)意外停車。
在系統(tǒng)運(yùn)行中出現(xiàn)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(yùn)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(tài)信息，因此，運(yùn)行人員可以非常確切地知道現(xiàn)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(jiān)視范圍。一旦出現(xiàn)報警，他們能夠準(zhǔn)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(jìn)行驗證。當(dāng)運(yùn)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(shù)字信號進(jìn)行比較，來判斷信號是否出現(xiàn)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(xiàn)結(jié)露而引起部分短路，但運(yùn)行人員又無法判斷信號的可信性，最終造成溢罐，工廠全部停工，直接損失30萬美元。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(tǒng)中，還可以直接引入HART儀表的狀態(tài)信息。一旦儀表出現(xiàn)故障信息，就可以直接觸發(fā)安全系統(tǒng)動作，不必等到過程發(fā)生大的偏差后再報警動作，提高了控制系統(tǒng)的安全性。
(3)  通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行現(xiàn)場儀表的維護(hù)管理，大大提高了儀表維護(hù)工作的效率。
首先，維護(hù)人員可以根據(jù)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(jié)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(tǒng)提供儀表自身的狀態(tài)信息，因此，儀表維修人員對在線儀表的工作狀態(tài)十分清楚。不像采用模擬儀表時，只能依靠經(jīng)驗和推理來懷疑某臺儀表有問題，然后到現(xiàn)場去拆卸，送到儀表車間校驗，而結(jié)果往往儀表是正常的?，F(xiàn)在，維修人員到現(xiàn)場去是有的放矢，不但減少了去現(xiàn)場的次數(shù)，而且不會空跑。
如果發(fā)現(xiàn)儀表故障信息后，再對儀表進(jìn)行深一步的詢查，還可以從HART儀表的信息中得到更為詳細(xì)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(xiàn)場去，避免無謂的來回跑動。
另外還可以根據(jù)HART儀表內(nèi)部的統(tǒng)計信息預(yù)測儀表需要維修的日期。這主要用于閥門等有磨損產(chǎn)生的儀表。HART儀表可以對閥桿的動作次數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計，可以計算閥桿的累計運(yùn)動里程數(shù)。當(dāng)這個數(shù)字與制造廠提供的部件壽命指標(biāo)接近時，就表示這臺閥門將需要維修。有了這樣的預(yù)測，工廠可以更合理地配備維修資源，在最合適的時機(jī)購買備件，把維修計劃制定得更科學(xué)。對一些隨著時間會發(fā)生性能老化的傳感器，也可以采用這種預(yù)測方法。
(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(jié)省儀表的數(shù)量。
一般，HART儀表可以提供最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(shù)量，也可以減少主設(shè)備上的儀表安裝孔。如果采用多掛接的方式，則可以節(jié)省電纜、端子板、配電器等設(shè)備的數(shù)量。但是一定要注意的是，只有過程對數(shù)據(jù)更新的速度要求很低的情況下，才能采用這種辦法。一般HART儀表在一秒鐘內(nèi)只能通訊1~2次。在多掛接狀態(tài)下，一個網(wǎng)段上如果掛接15臺儀表，則它的信息更新時間大約要10~15秒。
3  如何實現(xiàn)與HART儀表長期、連續(xù)的通訊
(1)  通過DCS聯(lián)接
絕大部分DCS系統(tǒng)在它們比較新的版本中都已經(jīng)能夠直接接收HART數(shù)字信號。如Foxboro在2002年5月發(fā)表了新的HART協(xié)議輸入模塊，每個模塊可以接受8路4~20mA模擬信號和HART協(xié)議數(shù)字信號。新裝置在德國一個石油乙烯工廠得到應(yīng)用，該廠有2 000臺HART儀表和800臺HART調(diào)節(jié)閥。改造只是在原來的I/A系統(tǒng)上更換了新的I/O模塊，并更換了軟件版本。現(xiàn)在已經(jīng)可以進(jìn)行設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)管理以及實施前瞻性維護(hù)。
Honeywell公司的Experion PKS系統(tǒng)可以提供兩種模塊，一種是8路輸入，一種是8路輸出，都是既可以接受4~20mA信號又可以接受HART數(shù)字信號。HART的數(shù)字信號可以通過ControlNet在控制系統(tǒng)中傳輸。
ABB則是通過它的Industrial IT來接受HART數(shù)字信號的。HART儀表被接入Industril IT系統(tǒng)的I/O子系統(tǒng)，然后通過Profibus，進(jìn)入控制系統(tǒng)。HART通訊也可以用在ABB的老系統(tǒng)上，例如，Advant、Symphony、Freelance 2000。
西門子開發(fā)了大量的HART遠(yuǎn)方I/O、HART modem、HART接口、HART多路切換器等產(chǎn)品。它的HART I/O可以作為其APACS系統(tǒng)的一部分。
Emerson則把HART作為它Delta-V系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)配置，所有I/O模塊都能接受HART數(shù)字信號。而它的Ovation、Provox和RS3系統(tǒng)也都能接受HART信號。對Provox老系統(tǒng)，需要把I/O模塊和I/O端子條升級。對RS3系統(tǒng)則應(yīng)把I/O的電子部分升級。
(2)  如果工廠已經(jīng)有DCS系統(tǒng)，而且短期內(nèi)也沒有升級或更換的打算。那么可以選擇網(wǎng)關(guān)作為把HART信號接入DCS系統(tǒng)的低成本通訊工具。常用的有多路切換器、RS-232串口以及將HART信號轉(zhuǎn)到以太網(wǎng)、Modbus、Profibus的網(wǎng)關(guān)。Mactec公司生產(chǎn)的Viator HART PC是一個串行modem，插入PC機(jī)后，能夠使PC機(jī)與HART儀表通訊。通過這種modem可以運(yùn)行西門子公司的SIMATIC PDM和其他設(shè)備管理軟件（AMS）。P+F公司則采用把HART信號轉(zhuǎn)為RS-485的多路切換器。通過RS-485傳送的HART信號可以被Emerson公司的AMS，Applied Systems Technologies公司的Cornerstone以及P+F公司的PACTware等軟件所接收使用。如果將一個主多路切換器和若干個從多路切換器串接在一起，最多可以把7905臺HART儀表接入一臺PC。
(3)  對一些比較小的系統(tǒng)，還可以采用Moore公司生產(chǎn)的SPA信號分離器。SPA在接受HART儀表的信號后，將其中的HART數(shù)字信號分離出來，然后再轉(zhuǎn)換成4~20mA模擬信號或者開關(guān)信號，例如將三個輔助過程變量轉(zhuǎn)化成4~20mA，把儀表狀態(tài)信號和自診斷報警信號轉(zhuǎn)化為開關(guān)信號等，再把轉(zhuǎn)換后的模擬信號和開關(guān)量信號送入已有控制系統(tǒng)。
4  關(guān)于HART Server
還有一個更通用、更靈活的辦法可以把HART儀表連入已有的控制系統(tǒng)，那就是通過與OPC兼容的工具軟件HART Server。這個方法執(zhí)行起來很簡單，也很便宜。所需要的只不過是一臺PC，從HART基金會購買HART Server軟件和配備需要的多路切換器或者串口modem。
PC可以是任何機(jī)型，只要能夠運(yùn)行Windows 95/98/NT/2000就行。運(yùn)行HART Server程序時不需要鍵盤和顯示器，所以，它可以做的體積很小，采用工業(yè)防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)的外殼，并設(shè)計成低功耗。
HART Server軟件可以與HART儀表進(jìn)行通訊，然后把HART數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成OPC數(shù)據(jù)。這時，就可以和任何內(nèi)裝OPC客戶通訊軟件包的應(yīng)用軟件實現(xiàn)通訊。實際上，幾乎所有的HMI軟件，設(shè)備管理軟件（Asset Management）和軟邏輯軟件都內(nèi)裝有OPC客戶接口，所以HART Server工具可以把幾乎所有的應(yīng)用軟件與HART儀表連接起來。通過HART Server，多個用戶（系統(tǒng)）可同時訪問同一臺HART儀表，也可以一個用戶同時訪問多臺HART儀表。它還具有向無線手持設(shè)備（如PDA）傳送數(shù)據(jù)的功能。
我國對HART技術(shù)的開發(fā)是從1996年國家“九?五”科技重大項目攻關(guān)開始的。由國內(nèi)主要的儀表制造企業(yè)―上海自儀股份有限公司、四聯(lián)儀器儀表集團(tuán)公司、西儀集團(tuán)公司和北京華控技術(shù)有限公司以及國內(nèi)主要的自動化儀表研究所―上海工業(yè)自動化儀表研究所和重慶工業(yè)自動化儀表研究所6個企業(yè)組織聯(lián)合開發(fā)。攻關(guān)的成果有通過HART基金會認(rèn)證的HART協(xié)議通訊軟件包、HART溫度變送器、HART壓力/差壓變送器、HART電動執(zhí)行器、HART閥門定位器、HART電磁流量計、HART/RS-485多路切換開關(guān)、HART安全柵等產(chǎn)品以及HART手持器和HART組態(tài)軟件包。可以說，我國已經(jīng)掌握了HART協(xié)議的核心技術(shù)。目前，上海工業(yè)自動化儀表研究所、北京華控技術(shù)有限公司推出用于壓力/差壓變送器的HART電子園卡，年銷售量接近一萬塊。上海自儀股份有限公司、西儀集團(tuán)公司、上海威爾泰股份公司、北京華控技術(shù)有限公司都相繼推出HART壓力/差壓變送器產(chǎn)品，四聯(lián)儀器儀表集團(tuán)公司和上海自儀股份有限公司推出HART電動執(zhí)行器和閥門定位器，都有較好的性能價格比。為了確保開發(fā)的HART儀表能夠?qū)崿F(xiàn)可互操作，中國儀器儀表行業(yè)協(xié)會現(xiàn)場總線專委會還專門成立了中國HART儀表登錄管理辦公室。因此，現(xiàn)在中國已具備了進(jìn)一步推廣HART技術(shù)的條件。