摘 要：HART通訊協(xié)議是現(xiàn)有技術(shù)下應(yīng)用范圍#為廣泛、技術(shù)成熟度#高的通訊協(xié)議，HART手操器也在變送器檢定過(guò)程中被廣泛應(yīng)用。本文shou先對(duì)于HART手操器進(jìn)行簡(jiǎn)要概述，然后較為詳盡的介紹了變送器工作原理，#后詳細(xì)介紹了HART手操器在變送器檢定過(guò)程中的具體運(yùn)用細(xì)節(jié)。
0 【HART手操器在變送器檢定中的運(yùn)用】引言
目前工業(yè)生產(chǎn)中所采用的智能儀表多數(shù)都具備 HART協(xié)議通訊使用功能，HART 通訊協(xié)議是現(xiàn)有技術(shù)下應(yīng)用范圍#為廣泛、技術(shù)成熟度#高的通訊協(xié)議，HART手操器在使用過(guò)程中也擁有諸多優(yōu)勢(shì)，例如：操作直觀、高效、便于攜帶，能夠深入查詢智能儀表發(fā)生故障處的故障信息。在很大程度上縮減了技術(shù)人員在故障后處理故障所需要的時(shí)間，也免去了不必要的探測(cè)程序，#主要的是，HART通訊協(xié)議是國(guó)際通用協(xié)議，HART 手操器具有極強(qiáng)的兼容性，因此得以廣泛應(yīng)用。
1 水均益和王君概述HART手操器
HART® 手操器可在 4mA ～ 20mA 之間的電流環(huán)中通過(guò)，在連接上如果設(shè)備能夠與HART®之間是兼容的關(guān)系，那么任何 HART® 設(shè)備都可以連接，在滿足這個(gè)條件之后還應(yīng)符合存在負(fù)載電阻的必要條件要求，負(fù)載電阻的#小值為250Ω。FSK技術(shù)是HART手操器主要采用的一種技術(shù)，其電流信號(hào)以疊加的方式進(jìn)行傳輸，4mA ～ 20mA 的模擬信號(hào)不會(huì)受到手操器與其兼容設(shè)備的通訊影響。在進(jìn)行通信主要依靠的是HART®手操器與協(xié)議儀表，HART® 儀表在配置上主要處理的對(duì)象是參數(shù)的設(shè)定（包括量程上下限等參數(shù)），對(duì)儀表數(shù)值的設(shè)定與檢測(cè)值的讀取，還有故障診斷維護(hù)等內(nèi)容。這種手操器支持地衣主設(shè)備（包括 HART® 網(wǎng)橋等在內(nèi)的設(shè)備），地衣主設(shè)備主要存在于 HART® 協(xié)議當(dāng)中，不僅對(duì)其協(xié)議的通信點(diǎn)對(duì)點(diǎn)方式，而且還對(duì)其通信的多點(diǎn)方式也同樣支持。如圖 1 所示，HART 手操器的主要操作部分可以分為液晶顯示、動(dòng)作鍵、字母鍵以及 Shift 鍵 4 個(gè)主要部分。不僅對(duì)于相對(duì)距離較遠(yuǎn)的遠(yuǎn)端控制室，還是儀表來(lái)說(shuō)都可以將 HART 手操器接入，并單好操作 HART® 儀表，以此促使通信操作的正常進(jìn)行。如圖 3 中的連接操作，HART® 協(xié)議設(shè)備與手持器保持并聯(lián)的連接方式，也能夠與電阻值為 250Ω 的負(fù)載電阻以并聯(lián)的方式連接，引線極性不在考慮范疇之內(nèi)，如圖 2、3 所示的連接圖。
PC 接口部分由電平轉(zhuǎn)換器與 PC 機(jī)串口連接，這個(gè)端口主要是對(duì)儀表庫(kù)進(jìn)行升級(jí)。
由于 HART® 協(xié)議規(guī)定，HART 手操器與其所進(jìn)行連接的變送器之間的回路中必須串聯(lián)一般為 250Ω ～ 1100Ω的負(fù)載電阻。因此，對(duì)于儀表電壓提出了一定的要求，如圖 4 所示在區(qū)間內(nèi)，手操器可以和儀表正常連接，當(dāng)電源電壓在規(guī)定電壓范圍以外時(shí)，手操器無(wú)法與設(shè)備正常連接。需要注意的是，如果手操器在開(kāi)機(jī)之后在線設(shè)備的自動(dòng)輪詢地址數(shù)值為 0，設(shè)備未連接時(shí)手操器會(huì)顯示“地址 0 未發(fā)現(xiàn)設(shè)備，是否查找其它設(shè)備”。
2 水均益和王君談變送器的工作原理
變送器的主體結(jié)構(gòu)可以劃分為兩大部分：其中一部分是傳感器部分；另一個(gè)部分是電子線路板。傳感器部分由直接數(shù)字電容電路、傳感器特征化元件、敏感元件以及溫度傳感器四個(gè)部分構(gòu)成。傳感器部分的主要元件有特征化元件、直接數(shù)字形式的電容電路、電子線路部分由數(shù)字 /模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換器、存儲(chǔ)器、數(shù)字通信以及微處理器組成。對(duì)于一些智能化的變送器來(lái)說(shuō)，在傳感部分主要采用智能傳感器，這種傳感器外觀體積小，精度卻很高，在轉(zhuǎn)換原理的基礎(chǔ)上對(duì)傳感器做了部分改良，選用直觀性更強(qiáng)的數(shù)字電容電路，傳統(tǒng)電路電路中的 A/D 轉(zhuǎn)換或者放大電路被取代，溫度與靜壓補(bǔ)償?shù)耐瓿捎蓴?shù)字化技術(shù)負(fù)責(zé)，對(duì)測(cè)量精度來(lái)說(shuō)是有效的提高。也在很大程度上抑制了溫度漂移。
在 HART 協(xié)議基礎(chǔ)之上所衍生的智能壓力變送器以及溫度變送器能夠適應(yīng)于各種壓力環(huán)境，能同時(shí)工作于氣體、液體以及蒸汽介質(zhì)的環(huán)境下，完成相關(guān)溫度與的壓力數(shù)據(jù)的測(cè)量。與采用的其他類型 HART 設(shè)備相比相似的一點(diǎn)是，變送器的 HART 通信功能也是支持雙向與遠(yuǎn)程的。主變量通過(guò)模擬信號(hào)經(jīng) 4mA ～ 20mA 電流信號(hào)傳遞。此外，HART 通信功能還能夠完成在系統(tǒng)工作過(guò)程中主變量參數(shù)的采集以及校準(zhǔn)、組態(tài)、診斷等功能，并且不對(duì)于模擬信號(hào)的傳遞造成影響。如圖 5 所示。
1）傳感器主要構(gòu)造元件
敏感元件：介質(zhì)壓力#終會(huì)傳遞到測(cè)量膜片中，測(cè)量膜片位于 δ 室中心，這期間需要經(jīng)由隔離膜片、灌充油來(lái)傳遞，測(cè)量膜片這種元件緊密而具有彈性，適用于對(duì)差壓的檢測(cè)。膜片位移、差壓二者之間是正比例的關(guān)系，允許#大位移值為 0.004in（0.10mm）。位置的確定借助直接數(shù)字形式的電容電器在膜片兩側(cè)固定電容的極板上進(jìn)行檢測(cè)。如圖 6 所示傳感器主要構(gòu)造元件圖。
隔離數(shù)字電容電路：該電路主要是對(duì)頻率信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，這種信號(hào)來(lái)源于敏感元件的承受壓力，壓力信號(hào)隨著頻率信號(hào)的增強(qiáng)而增強(qiáng)，便于 CPU 采樣之用。溫度傳感器：從名稱上來(lái)看溫度傳感器是對(duì)壓力傳感器在工作運(yùn)行中產(chǎn)生的溫度而進(jìn)行的測(cè)量，將測(cè)量的數(shù)值轉(zhuǎn)為數(shù)字信號(hào)，促使微處理器對(duì)數(shù)字溫度進(jìn)行補(bǔ)償。特征化 EEPROM：主要用于對(duì)傳感器特征化曲線的描述、對(duì)特征數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)信息的數(shù)字微調(diào)以及變送器溫度補(bǔ)償?shù)拇鎯?chǔ)。在關(guān)閉電源的情況下，保存在存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)仍然保持完整性，EEPROM總存貯容量節(jié)數(shù)可達(dá)512字節(jié)。
2）電子線路板主要構(gòu)成
HART 主電路模塊：變送器受到微處理器的控制，而壓力敏感元件的工作壓力由隔離數(shù)字電容電路測(cè)量，工作中的介質(zhì)溫度由溫度傳感器測(cè)量。微處理器以傳感器特征化 EEPROM 數(shù)據(jù)作為依據(jù)，分別做線性處理，與進(jìn)行補(bǔ)償運(yùn)算，將工作介質(zhì)有關(guān)的壓力值計(jì)算出來(lái)，其中一部分送往數(shù) / 模轉(zhuǎn)換器，一部分送往 HART® 通信部分，另外微處理器還具有傳遞函數(shù)運(yùn)算等功能。數(shù) / 模轉(zhuǎn)換器：按照輸出形式將數(shù)字化形式的壓力信號(hào)在修正之后，轉(zhuǎn)為電流值為 4mA ～ 20mA 的模擬信號(hào)，并將模擬信號(hào)傳輸給輸出回路。HART® 通信：FSK 信號(hào)以疊加的方式在 4mA ～ 20mA的回路上存在，發(fā)送部分同樣以信號(hào)疊加的形式存在于回路上。
多功能 LCD 顯示器：不僅可以顯示壓力、電流值、百分比、環(huán)境溫度等信息。配合按鍵，還可以完成功能強(qiáng)大的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整。
3 HART 手操器對(duì)變送器的現(xiàn)場(chǎng)檢定分析
3.1 改變儀表量程
隨著工業(yè)控制愈發(fā)精準(zhǔn)，初始設(shè)計(jì)和#終工藝之間的誤差變的不可接受，有別于傳統(tǒng)儀表，HART 儀表配合HART 手操器可以輕松消除這個(gè)誤差，如：根據(jù)儀表所要執(zhí)行任務(wù)的不同與儀表工藝的不相同，其量程必須進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，以便于測(cè)量結(jié)果更加直觀、準(zhǔn)確，利用 HART手操器可輕松實(shí)現(xiàn)這一操作過(guò)程。其使用步驟如下：
1）連接變送器與手操器。
2）進(jìn)入聯(lián)機(jī)菜單模式，選擇在線設(shè)備菜單。
3）進(jìn)入主菜單，選擇詳細(xì)設(shè)置菜單。
4）分別調(diào)節(jié)量程的上限 URV 和量程下限 LRV，修改儀表的量程。
3.2 改變儀表電流值
新建工廠在設(shè)備投產(chǎn)前，需要進(jìn)行設(shè)備聯(lián)調(diào)，此時(shí)HART 儀表配合 HART 手操器可以在系統(tǒng)沒(méi)有正常開(kāi)機(jī)的情況下輸出固定電流，可輸出 4mA ～ 20mA 之間的任意值和儀表采集信號(hào)無(wú)關(guān)，模擬系統(tǒng)正常工作情況，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)
行測(cè)試，方便發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤。其使用步驟如下：
1）連接變送器與手操器。
2）進(jìn)入聯(lián)機(jī)菜單模式，選擇在線設(shè)備菜單。
3）進(jìn)入主菜單，選擇診斷服務(wù)菜單。
4）在環(huán)路電流檢測(cè)菜單模擬輸出電流即可
3.3 多點(diǎn)輪詢模式
某些特定工況下，電流過(guò)低會(huì)影響正常使用，使工作不能正常執(zhí)行；電流過(guò)高則極易造成設(shè)備的燒損。因此，必須嚴(yán)格加以控制。一般說(shuō)來(lái)，為了簡(jiǎn)化線路。避免冗余線路造成回路復(fù)雜，辨識(shí)度不高，天然氣管理中心經(jīng)常將數(shù)個(gè)變送器的線路連接于同一回路中，盡管同一回路，但連接點(diǎn)不同，此時(shí)需要給變送器分配不同地址，HART協(xié)議規(guī)定地址可以是 0 ～ 15 以內(nèi)的任意數(shù)字（包括 0、
15），在中控室尋找不同地址，即可很容易采集到各個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。地址分配過(guò)程中，難免會(huì)設(shè)置錯(cuò)誤，導(dǎo)致地址不非常好，導(dǎo)致通訊沖突，HATR 手操器依賴于其出色的通訊功能，可以輕松解決此類問(wèn)題，重新分配地址，使系統(tǒng)正常運(yùn)行。其操作流程如下：
1）連接變送器與 HATR 手操器。
2）變更 HATR 手操器主菜單訪問(wèn)方式，進(jìn)入手操器設(shè)置菜單 ( 按鍵“1”)，顯示“輪詢菜單”Polling 后，將“從不輪詢”(NeverPoll) 更改為“始終輪詢”(AlwaysPoll)，同時(shí)將 0 作為變送器連接地址。
3）如果執(zhí)行上述操作后，該地址仍然不能發(fā)現(xiàn)設(shè)備。則會(huì)進(jìn)入自動(dòng)輪詢地址模式，在 1 ～ 15 之間循環(huán)切換地址序列號(hào)。此時(shí)應(yīng)返回通過(guò)主菜單 (online 模式 )，選 擇“ 設(shè) 備 設(shè) 置” DeviceSetup（ 按 鍵 1）， 然 后 進(jìn) 入“詳細(xì)設(shè)置”DetailedSetup( 按鍵 4)，選擇“輸出條件”OutputCondition，選擇“HART 輸出”HARTOutput，選擇“輪詢地址”PollAddress0，然后按照檢查規(guī)程重新逐一排查檢查項(xiàng)目。
4） 將地址設(shè)定為 0 ～ 15 以內(nèi)的任意數(shù)字（包括 0、15），就可以使系統(tǒng)重新正常運(yùn)行。
4 變送器模式的變更
在溫度變送器檢定的過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)變送部分配阻、配偶等交換使用的情況，這就需要對(duì)于變送器的模式進(jìn)行更改，然而在變送器部分實(shí)現(xiàn)這一調(diào)節(jié)比較麻煩，通過(guò)手操器更改變送模式，可以輕松實(shí)現(xiàn)這一功能，具體過(guò)程類似于“3.3 多點(diǎn)輪詢模式的過(guò)程 3）”，只是在“詳細(xì)設(shè)置”中，選擇“傳感器——溫度傳感器”，即可實(shí)現(xiàn)變送部分的變更設(shè)置。
5 【HART手操器在變送器檢定中的運(yùn)用】結(jié)束語(yǔ)
HART 手操器的投入，實(shí)現(xiàn)了變送器控制過(guò)程中儀表量程改變、變送器電流值鎖定與解鎖、變送器模式更迭，在很大程度上便利了變送器的使用，簡(jiǎn)化了變送器操作過(guò)程中一些很復(fù)雜的程序，避免了不必要的時(shí)間浪費(fèi)，給生產(chǎn)操作帶來(lái)極大便利。目前關(guān)于此項(xiàng)可供參考的研究文獻(xiàn)尚少，一些概念、專有名詞等的解釋不夠清楚明了，此項(xiàng)研究開(kāi)展以及論文攥寫較為困難。因此，本文難免有些疏漏，望各位同行以及專家學(xué)者批評(píng)指教。
本文【HART手操器在變送器檢定中的運(yùn)用】有水均益和王君提供，轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明淮安三暢儀表。
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