水均益和王君談HART手操器在變送器檢定中的運用

摘 要：HART通訊協議是現有技術下應用范圍最為廣泛、技術成熟度最高的通訊協議，HART手操器也在變送器檢定過程中被廣泛應用。本文首先對于HART手操器進行簡要概述，然后較為詳盡的介紹了變送器工作原理，最后詳細介紹了HART手操器在變送器檢定過程中的具體運用細節。

0 【HART手操器在變送器檢定中的運用】引言
目前工業生產中所采用的智能儀表多數都具備 HART協議通訊使用功能，HART 通訊協議是現有技術下應用范圍最為廣泛、技術成熟度最高的通訊協議，HART手操器在使用過程中也擁有諸多優勢，例如：操作直觀、高效、便于攜帶，能夠深入查詢智能儀表發生故障處的故障信息。在很大程度上縮減了技術人員在故障后處理故障所需要的時間，也免去了不必要的探測程序，最主要的是，HART通訊協議是國際通用協議，HART 手操器具有極強的兼容性，因此得以廣泛應用。

1 水均益和王君概述HART手操器
        HART® 手操器可在 4mA ～ 20mA 之間的電流環中通過，在連接上如果設備能夠與HART®之間是兼容的關系，那么任何 HART® 設備都可以連接，在滿足這個條件之后還應符合存在負載電阻的必要條件要求，負載電阻的最小值為250Ω。FSK技術是HART手操器主要采用的一種技術，其電流信號以疊加的方式進行傳輸，4mA ～ 20mA 的模擬信號不會受到手操器與其兼容設備的通訊影響。在進行通信主要依靠的是HART®手操器與協議儀表，HART® 儀表在配置上主要處理的對象是參數的設定（包括量程上下限等參數），對儀表數值的設定與檢測值的讀取，還有故障診斷維護等內容。這種手操器支持第一主設備（包括 HART® 網橋等在內的設備），第一主設備主要存在于 HART® 協議當中，不僅對其協議的通信點對點方式，而且還對其通信的多點方式也同樣支持。如圖 1 所示，HART 手操器的主要操作部分可以分為液晶顯示、動作鍵、字母鍵以及 Shift 鍵 4 個主要部分。不僅對于相對距離較遠的遠端控制室，還是儀表來說都可以將 HART 手操器接入，并單獨操作 HART® 儀表，以此促使通信操作的正常進行。如圖 3 中的連接操作，HART® 協議設備與手持器保持并聯的連接方式，也能夠與電阻值為 250Ω 的負載電阻以并聯的方式連接，引線極性不在考慮范疇之內，如圖 2、3 所示的連接圖。

PC 接口部分由電平轉換器與 PC 機串口連接，這個端口主要是對儀表庫進行升級。

由于 HART® 協議規定，HART 手操器與其所進行連接的變送器之間的回路中必須串聯一般為 250Ω ～ 1100Ω的負載電阻。因此，對于儀表電壓提出了一定的要求，如圖 4 所示在區間內，手操器可以和儀表正常連接，當電源電壓在規定電壓范圍以外時，手操器無法與設備正常連接。需要注意的是，如果手操器在開機之后在線設備的自動輪詢地址數值為 0，設備未連接時手操器會顯示“地址 0 未發現設備，是否查找其它設備”。

2 水均益和王君談變送器的工作原理
變送器的主體結構可以劃分為兩大部分：其中一部分是傳感器部分；另一個部分是電子線路板。傳感器部分由直接數字電容電路、傳感器特征化元件、敏感元件以及溫度傳感器四個部分構成。傳感器部分的主要元件有特征化元件、直接數字形式的電容電路、電子線路部分由數字 /模擬信號轉換器、存儲器、數字通信以及微處理器組成。對于一些智能化的變送器來說，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，在轉換原理的基礎上對傳感器做了部分改良，選用直觀性更強的數字電容電路，傳統電路電路中的 A/D 轉換或者放大電路被取代，溫度與靜壓補償的完成由數字化技術負責，對測量精度來說是有效的提高。也在很大程度上抑制了溫度漂移。

在 HART 協議基礎之上所衍生的智能壓力變送器以及溫度變送器能夠適應于各種壓力環境，能同時工作于氣體、液體以及蒸汽介質的環境下，完成相關溫度與的壓力數據的測量。與采用的其他類型 HART 設備相比相似的一點是，變送器的 HART 通信功能也是支持雙向與遠程的。主變量通過模擬信號經 4mA ～ 20mA 電流信號傳遞。此外，HART 通信功能還能夠完成在系統工作過程中主變量參數的采集以及校準、組態、診斷等功能，并且不對于模擬信號的傳遞造成影響。如圖 5 所示。

1）傳感器主要構造元件
敏感元件：介質壓力最終會傳遞到測量膜片中，測量膜片位于 δ 室中心，這期間需要經由隔離膜片、灌充油來傳遞，測量膜片這種元件緊密而具有彈性，適用于對差壓的檢測。膜片位移、差壓二者之間是正比例的關系，允許最大位移值為 0.004in（0.10mm）。位置的確定借助直接數字形式的電容電器在膜片兩側固定電容的極板上進行檢測。如圖 6 所示傳感器主要構造元件圖。

隔離數字電容電路：該電路主要是對頻率信號進行轉換，這種信號來源于敏感元件的承受壓力，壓力信號隨著頻率信號的增強而增強，便于 CPU 采樣之用。溫度傳感器：從名稱上來看溫度傳感器是對壓力傳感器在工作運行中產生的溫度而進行的測量，將測量的數值轉為數字信號，促使微處理器對數字溫度進行補償。特征化 EEPROM：主要用于對傳感器特征化曲線的描述、對特征數據等數據信息的數字微調以及變送器溫度補償的存儲。在關閉電源的情況下，保存在存儲器中的數據仍然保持完整性，EEPROM總存貯容量節數可達512字節。

2）電子線路板主要構成
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字電容電路測量，工作中的介質溫度由溫度傳感器測量。微處理器以傳感器特征化 EEPROM 數據作為依據，分別做線性處理，與進行補償運算，將工作介質有關的壓力值計算出來，其中一部分送往數 / 模轉換器，一部分送往 HART® 通信部分，另外微處理器還具有傳遞函數運算等功能。數 / 模轉換器：按照輸出形式將數字化形式的壓力信號在修正之后，轉為電流值為 4mA ～ 20mA 的模擬信號，并將模擬信號傳輸給輸出回路。HART® 通信：FSK 信號以疊加的方式在 4mA ～ 20mA的回路上存在，發送部分同樣以信號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、環境溫度等信息。配合按鍵，還可以完成功能強大的現場調整。

3 HART 手操器對變送器的現場檢定分析
3.1 改變儀表量程
          隨著工業控制愈發精準，初始設計和最終工藝之間的誤差變的不可接受，有別于傳統儀表，HART 儀表配合HART 手操器可以輕松消除這個誤差，如：根據儀表所要執行任務的不同與儀表工藝的不相同，其量程必須進行相應的調整，以便于測量結果更加直觀、準確，利用 HART手操器可輕松實現這一操作過程。其使用步驟如下：
1）連接變送器與手操器。
2）進入聯機菜單模式，選擇在線設備菜單。
3）進入主菜單，選擇詳細設置菜單。
4）分別調節量程的上限 URV 和量程下限 LRV，修改儀表的量程。

3.2 改變儀表電流值
新建工廠在設備投產前，需要進行設備聯調，此時HART 儀表配合 HART 手操器可以在系統沒有正常開機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無關，模擬系統正常工作情況，對系統進
行測試，方便發現錯誤。其使用步驟如下：
1）連接變送器與手操器。
2）進入聯機菜單模式，選擇在線設備菜單。
3）進入主菜單，選擇診斷服務菜單。
4）在環路電流檢測菜單模擬輸出電流即可

3.3 多點輪詢模式
某些特定工況下，電流過低會影響正常使用，使工作不能正常執行；電流過高則極易造成設備的燒損。因此，必須嚴格加以控制。一般說來，為了簡化線路。避免冗余線路造成回路復雜，辨識度不高，天然氣管理中心經常將數個變送器的線路連接于同一回路中，盡管同一回路，但連接點不同，此時需要給變送器分配不同地址，HART協議規定地址可以是 0 ～ 15 以內的任意數字（包括 0、
15），在中控室尋找不同地址，即可很容易采集到各個點的數據。地址分配過程中，難免會設置錯誤，導致地址不唯一，導致通訊沖突，HATR 手操器依賴于其出色的通訊功能，可以輕松解決此類問題，重新分配地址，使系統正常運行。其操作流程如下：

1）連接變送器與 HATR 手操器。
2）變更 HATR 手操器主菜單訪問方式，進入手操器設置菜單 ( 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)，同時將 0 作為變送器連接地址。

3）如果執行上述操作后，該地址仍然不能發現設備。則會進入自動輪詢地址模式，在 1 ～ 15 之間循環切換地址序列號。此時應返回通過主菜單 (online 模式 )，選 擇“ 設 備 設 置” DeviceSetup（ 按 鍵 1）， 然 后 進 入“詳細設置”DetailedSetup( 按鍵 4)，選擇“輸出條件”OutputCondition，選擇“HART 輸出”HARTOutput，選擇“輪詢地址”PollAddress0，然后按照檢查規程重新逐一排查檢查項目。
4） 將地址設定為 0 ～ 15 以內的任意數字（包括 0、15），就可以使系統重新正常運行。

4 變送器模式的變更
在溫度變送器檢定的過程中，經常會出現變送部分配阻、配偶等交換使用的情況，這就需要對于變送器的模式進行更改，然而在變送器部分實現這一調節比較麻煩，通過手操器更改變送模式，可以輕松實現這一功能，具體過程類似于“3.3 多點輪詢模式的過程 3）”，只是在“詳細設置”中，選擇“傳感器——溫度傳感器”，即可實現變送部分的變更設置。

5 【HART手操器在變送器檢定中的運用】結束語
HART 手操器的投入，實現了變送器控制過程中儀表量程改變、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，簡化了變送器操作過程中一些很復雜的程序，避免了不必要的時間浪費，給生產操作帶來極大便利。目前關于此項可供參考的研究文獻尚少，一些概念、專有名詞等的解釋不夠清楚明了，此項研究開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者批評指教。

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