董景辰

1  引言
HART協(xié)議自1983年成為開(kāi)放協(xié)議以來(lái)已經(jīng)整整走過(guò)20年。鑒于當時(shí)的技術(shù)狀況，具備HART協(xié)議通訊能力的現場(chǎng)儀表（以下稱(chēng)HART儀表）比較昂貴，使用量不大。另外，當時(shí)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(hù)中逐步形成了一種看法，似乎HART儀表中數字信號的作用僅僅只是進(jìn)行零點(diǎn)、量程遠方整定和故障診斷，其它沒(méi)有什么用處。
經(jīng)過(guò)近二十年的發(fā)展，HART協(xié)議已經(jīng)成為過(guò)程自動(dòng)化領(lǐng)域的一個(gè)事實(shí)上的標準?，F在支持HART協(xié)議的儀表制造商超過(guò)130家，其中45%在歐洲，43%在北美，12%在亞洲，是目前開(kāi)放通訊協(xié)議中支持廠(chǎng)家最多的協(xié)議。通過(guò)HART基金會(huì )認證的HART儀表品種已經(jīng)達到近500種。其中，壓力儀表61種，溫度儀表48種，流量?jì)x表91種，物位儀表84種，分析儀表99種，執行器12種，閥門(mén)定位器33種。同時(shí)，HART儀表的價(jià)格也大幅度地下降，在國內已經(jīng)與模擬儀表的價(jià)格十分接近。HART儀表已經(jīng)不再是“奢侈品”。支持HART儀表與上位計算機通訊的配套硬件和軟件也十分豐富。因此，現在可以在新的形勢下重新評估一下HART協(xié)議數字信號的作用。為此，HART協(xié)議基金會(huì )最近發(fā)動(dòng)了一個(gè)活動(dòng)，叫做“釋放潛力”（Unleash the Power）。借此引起用戶(hù)們對HART協(xié)議的再次重視。
在當今現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)已經(jīng)十分火爆的時(shí)候，對HART協(xié)議的這種評估是否有實(shí)際意義呢？事實(shí)上，一項先進(jìn)技術(shù)被用戶(hù)接受是要相當長(cháng)的時(shí)間的。DCS系統從1975年問(wèn)世到在中國普遍采用幾乎花了15年的時(shí)間?，F場(chǎng)總線(xiàn)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(shí)間。而現在在HART儀表已經(jīng)相當普及的情況下，用戶(hù)只要花很少的投資，就可以享受到許多實(shí)實(shí)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(hù)帶來(lái)什么好處
每一個(gè)HART儀表的數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儀表建立連續的、長(cháng)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(shí)間的通訊，那么，HART協(xié)議的潛力是無(wú)法發(fā)揮出來(lái)的。一旦與HART儀表建立了長(cháng)期的通訊聯(lián)系，用戶(hù)將可以從四個(gè)方面獲益：
(1)  便于儀表和控制回路的調試。
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(chǎng)名稱(chēng)、材料、工位號等，因此，調試人員從屏幕上就能知道各個(gè)工位上安裝的儀表是否是正確的儀表，而不必到現場(chǎng)去一一確認。
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)參數是否與DCS系統中相應的組態(tài)參數匹配，這在調試中是很關(guān)鍵的。如果兩者不匹配，就會(huì )引起控制策略不能正常執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，并進(jìn)行參數的重新整定。
調試人員還可以在控制回路調試時(shí)，通過(guò)HART通訊使HART儀表輸出一個(gè)指定的模擬信號，然后觀(guān)察控制回路的動(dòng)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(lái)啟動(dòng)報警或安全連鎖系統，確認這些系統的動(dòng)作是否正確。
(2)  在系統運行時(shí)，協(xié)助運行人員做出正確的判斷，減少系統意外停車(chē)。
在系統運行中出現的報警或異常，無(wú)非是過(guò)程引起的或者是儀表引起的。HART通訊可以幫助運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，運行人員可以非常確切地知道現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視范圍。一旦出現報警，他們能夠準確地判斷是儀表的原因還是過(guò)程的原因。
HART儀表還可以對其輸出的模擬信號進(jìn)行驗證。當運行人員懷疑某臺儀表的模擬信號有問(wèn)題時(shí)，他們可以將其與該儀表的同一個(gè)過(guò)程變量的數字信號進(jìn)行比較，來(lái)判斷信號是否出現了問(wèn)題。美國有一家煉油廠(chǎng)，因為一臺液位變送器的輸出信號連接處出現結露而引起部分短路，但運行人員又無(wú)法判斷信號的可信性，最終造成溢罐，工廠(chǎng)全部停工，直接損失30萬(wàn)美元。如果采用HART儀表，就可以避免這類(lèi)損失。
在一些安全連鎖系統中，還可以直接引入HART儀表的狀態(tài)信息。一旦儀表出現故障信息，就可以直接觸發(fā)安全系統動(dòng)作，不必等到過(guò)程發(fā)生大的偏差后再報警動(dòng)作，提高了控制系統的安全性。
(3)  通過(guò)網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行現場(chǎng)儀表的維護管理，大大提高了儀表維護工作的效率。
首先，維護人員可以根據HART儀表的信息建立一個(gè)該儀表的“私人”檔案。包括儀表的型號、制造廠(chǎng)、使用日期、所在工位、校驗日期和結果，采用的特殊材料或者灌沖液體等。
其次，由于HART儀表不斷向系統提供儀表自身的狀態(tài)信息，因此，儀表維修人員對在線(xiàn)儀表的工作狀態(tài)十分清楚。不像采用模擬儀表時(shí)，只能依靠經(jīng)驗和推理來(lái)懷疑某臺儀表有問(wèn)題，然后到現場(chǎng)去拆卸，送到儀表車(chē)間校驗，而結果往往儀表是正常的?，F在，維修人員到現場(chǎng)去是有的放矢，不但減少了去現場(chǎng)的次數，而且不會(huì )空跑。
如果發(fā)現儀表故障信息后，再對儀表進(jìn)行深一步的詢(xún)查，還可以從HART儀表的信息中得到更為詳細的故障信息，能夠初步判斷儀表的故障類(lèi)型。因此，可以攜帶正確的工具和備件到現場(chǎng)去，避免無(wú)謂的來(lái)回跑動(dòng)。
另外還可以根據HART儀表內部的統計信息預測儀表需要維修的日期。這主要用于閥門(mén)等有磨損產(chǎn)生的儀表。HART儀表可以對閥桿的動(dòng)作次數進(jìn)行統計，可以計算閥桿的累計運動(dòng)里程數。當這個(gè)數字與制造廠(chǎng)提供的部件壽命指標接近時(shí)，就表示這臺閥門(mén)將需要維修。有了這樣的預測，工廠(chǎng)可以更合理地配備維修資源，在最合適的時(shí)機購買(mǎi)備件，把維修計劃制定得更科學(xué)。對一些隨著(zhù)時(shí)間會(huì )發(fā)生性能老化的傳感器，也可以采用這種預測方法。
(4)  利用HART儀表中的多個(gè)過(guò)程變量測量值，或者采用多掛接方式，可以節省儀表的數量。
一般，HART儀表可以提供最多四個(gè)變量的測量值。把這些信號利用起來(lái)可以減少儀表的數量，也可以減少主設備上的儀表安裝孔。如果采用多掛接的方式，則可以節省電纜、端子板、配電器等設備的數量。但是一定要注意的是，只有過(guò)程對數據更新的速度要求很低的情況下，才能采用這種辦法。一般HART儀表在一秒鐘內只能通訊1~2次。在多掛接狀態(tài)下，一個(gè)網(wǎng)段上如果掛接15臺儀表，則它的信息更新時(shí)間大約要10~15秒。
3  如何實(shí)現與HART儀表長(cháng)期、連續的通訊
(1)  通過(guò)DCS聯(lián)接
絕大部分DCS系統在它們比較新的版本中都已經(jīng)能夠直接接收HART數字信號。如Foxboro在2002年5月發(fā)表了新的HART協(xié)議輸入模塊，每個(gè)模塊可以接受8路4~20mA模擬信號和HART協(xié)議數字信號。新裝置在德國一個(gè)石油乙烯工廠(chǎng)得到應用，該廠(chǎng)有2 000臺HART儀表和800臺HART調節閥。改造只是在原來(lái)的I/A系統上更換了新的I/O模塊，并更換了軟件版本?，F在已經(jīng)可以進(jìn)行設備的網(wǎng)絡(luò )管理以及實(shí)施前瞻性維護。
Honeywell公司的Experion PKS系統可以提供兩種模塊，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數字信號。HART的數字信號可以通過(guò)ControlNet在控制系統中傳輸。
ABB則是通過(guò)它的Industrial IT來(lái)接受HART數字信號的。HART儀表被接入Industril IT系統的I/O子系統，然后通過(guò)Profibus，進(jìn)入控制系統。HART通訊也可以用在A(yíng)BB的老系統上，例如，Advant、Symphony、Freelance 2000。
西門(mén)子開(kāi)發(fā)了大量的HART遠方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系統的一部分。
Emerson則把HART作為它Delta-V系統的標準配置，所有I/O模塊都能接受HART數字信號。而它的Ovation、Provox和RS3系統也都能接受HART信號。對Provox老系統，需要把I/O模塊和I/O端子條升級。對RS3系統則應把I/O的電子部分升級。
(2)  如果工廠(chǎng)已經(jīng)有DCS系統，而且短期內也沒(méi)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(gè)串行modem，插入PC機后，能夠使PC機與HART儀表通訊。通過(guò)這種modem可以運行西門(mén)子公司的SIMATIC PDM和其他設備管理軟件（AMS）。P+F公司則采用把HART信號轉為RS-485的多路切換器。通過(guò)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(gè)主多路切換器和若干個(gè)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，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數字信號分離出來(lái)，然后再轉換成4~20mA模擬信號或者開(kāi)關(guān)信號，例如將三個(gè)輔助過(guò)程變量轉化成4~20mA，把儀表狀態(tài)信號和自診斷報警信號轉化為開(kāi)關(guān)信號等，再把轉換后的模擬信號和開(kāi)關(guān)量信號送入已有控制系統。
4  關(guān)于HART Server
還有一個(gè)更通用、更靈活的辦法可以把HART儀表連入已有的控制系統，那就是通過(guò)與OPC兼容的工具軟件HART Server。這個(gè)方法執行起來(lái)很簡(jiǎn)單，也很便宜。所需要的只不過(guò)是一臺PC，從HART基金會(huì )購買(mǎi)HART Server軟件和配備需要的多路切換器或者串口modem。
PC可以是任何機型，只要能夠運行Windows 95/98/NT/2000就行。運行HART Server程序時(shí)不需要鍵盤(pán)和顯示器，所以，它可以做的體積很小，采用工業(yè)防護標準的外殼，并設計成低功耗。
HART Server軟件可以與HART儀表進(jìn)行通訊，然后把HART數據轉換成OPC數據。這時(shí)，就可以和任何內裝OPC客戶(hù)通訊軟件包的應用軟件實(shí)現通訊。實(shí)際上，幾乎所有的HMI軟件，設備管理軟件（Asset Management）和軟邏輯軟件都內裝有OPC客戶(hù)接口，所以HART Server工具可以把幾乎所有的應用軟件與HART儀表連接起來(lái)。通過(guò)HART Server，多個(gè)用戶(hù)（系統）可同時(shí)訪(fǎng)問(wèn)同一臺HART儀表，也可以一個(gè)用戶(hù)同時(shí)訪(fǎng)問(wèn)多臺HART儀表。它還具有向無(wú)線(xiàn)手持設備（如PDA）傳送數據的功能。
我國對HART技術(shù)的開(kāi)發(fā)是從1996年國家“九?五”科技重大項目攻關(guān)開(kāi)始的。由國內主要的儀表制造企業(yè)―上海自?xún)x股份有限公司、四聯(lián)儀器儀表集團公司、西儀集團公司和北京華控技術(shù)有限公司以及國內主要的自動(dòng)化儀表研究所―上海工業(yè)自動(dòng)化儀表研究所和重慶工業(yè)自動(dòng)化儀表研究所6個(gè)企業(yè)組織聯(lián)合開(kāi)發(fā)。攻關(guān)的成果有通過(guò)HART基金會(huì )認證的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(dòng)執行器、HART閥門(mén)定位器、HART電磁流量計、HART/RS-485多路切換開(kāi)關(guān)、HART安全柵等產(chǎn)品以及HART手持器和HART組態(tài)軟件包?？梢哉f(shuō)，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(dòng)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(xiāo)售量接近一萬(wàn)塊。上海自?xún)x股份有限公司、西儀集團公司、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)儀器儀表集團公司和上海自?xún)x股份有限公司推出HART電動(dòng)執行器和閥門(mén)定位器，都有較好的性能價(jià)格比。為了確保開(kāi)發(fā)的HART儀表能夠實(shí)現可互操作，中國儀器儀表行業(yè)協(xié)會(huì )現場(chǎng)總線(xiàn)專(zhuān)委會(huì )還專(zhuān)門(mén)成立了中國HART儀表登錄管理辦公室。因此，現在中國已具備了進(jìn)一步推廣HART技術(shù)的條件。