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董景辰

1  引言
HART協議自1983年成為開放協議以來已經整整走過20年。鑒于當時的技術狀況，具備HART協議通訊能力的現場儀表（以下稱HART儀表）比較昂貴，使用量不大。另外，當時能夠與HART儀表進行通訊的也只有手持器，能夠與HART協議通訊配套的硬件和軟件產品很少。因此，用戶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行零點、量程遠方整定和故障診斷，其它沒有什么用處。
經過近二十年的發展，HART協議已經成為過程自動化領域的一個事實上的標準。現在支持HART協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，是目前開放通訊協議中支持廠家最多的協議。通過HART基金會認證的HART儀表品種已經達到近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，在國內已經與模擬儀表的價格十分接近。HART儀表已經不再是“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協議數字信號的作用。為此，HART協議基金會最近發動了一個活動，叫做“釋放潛力”（Unleash the Power）。借此引起用戶們對HART協議的再次重視。
在當今現場總線技術已經十分火爆的時候，對HART協議的這種評估是否有實際意義呢？事實上，一項先進技術被用戶接受是要相當長的時間的。DCS系統從1975年問世到在中國普遍采用幾乎花了15年的時間。現場總線技術肯定比HART協議更加完整、更加先進、功能更加豐富，但是它的推廣也同樣需要時間。而現在在HART儀表已經相當普及的情況下，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。我們為什么不去做呢？
2  HART協議能夠給用戶帶來什么好處
每一個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、長期的通訊聯系。如果只是偶爾用手持器與HART儀表進行短時間的通訊，那么，HART協議的潛力是無法發揮出來的。一旦與HART儀表建立了長期的通訊聯系，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，而不必到現場去一一確認。
HART儀表還能提供儀表組態的量程范圍、量程上、下限值。這些組態參數是否與DCS系統中相應的組態參數匹配，這在調試中是很關鍵的。如果兩者不匹配，就會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，并進行參數的重新整定。
調試人員還可以在控制回路調試時，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，確認這些系統的動作是否正確。
(2)  在系統運行時，協助運行人員做出正確的判斷，減少系統意外停車。
在系統運行中出現的報警或異常，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程的原因。
HART儀表還可以對其輸出的模擬信號進行驗證。當運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字信號進行比較，來判斷信號是否出現了問題。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結露而引起部分短路，但運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中，還可以直接引入HART儀表的狀態信息。一旦儀表出現故障信息，就可以直接觸發安全系統動作，不必等到過程發生大的偏差后再報警動作，提高了控制系統的安全性。
(3)  通過網絡進行現場儀表的維護管理，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信息，因此，儀表維修人員對在線儀表的工作狀態十分清楚。不像采用模擬儀表時，只能依靠經驗和推理來懷疑某臺儀表有問題，然后到現場去拆卸，送到儀表車間校驗，而結果往往儀表是正常的。現在，維修人員到現場去是有的放矢，不但減少了去現場的次數，而且不會空跑。
如果發現儀表故障信息后，再對儀表進行深一步的詢查，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型。因此，可以攜帶正確的工具和備件到現場去，避免無謂的來回跑動。
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。這主要用于閥門等有磨損產生的儀表。HART儀表可以對閥桿的動作次數進行統計，可以計算閥桿的累計運動里程數。當這個數字與制造廠提供的部件壽命指標接近時，就表示這臺閥門將需要維修。有了這樣的預測，工廠可以更合理地配備維修資源，在最合適的時機購買備件，把維修計劃制定得更科學。對一些隨著時間會發生性能老化的傳感器，也可以采用這種預測方法。
(4)  利用HART儀表中的多個過程變量測量值，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變量的測量值。把這些信號利用起來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。在多掛接狀態下，一個網段上如果掛接15臺儀表，則它的信息更新時間大約要10~15秒。
3  如何實現與HART儀表長期、連續的通訊
(1)  通過DCS聯接
絕大部分DCS系統在它們比較新的版本中都已經能夠直接接收HART數字信號。如Foxboro在2002年5月發表了新的HART協議輸入模塊，每個模塊可以接受8路4~20mA模擬信號和HART協議數字信號。新裝置在德國一個石油乙烯工廠得到應用，該廠有2 000臺HART儀表和800臺HART調節閥。改造只是在原來的I/A系統上更換了新的I/O模塊，并更換了軟件版本。現在已經可以進行設備的網絡管理以及實施前瞻性維護。
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ControlNet在控制系統中傳輸。
ABB則是通過它的Industrial IT來接受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Profibus，進入控制系統。HART通訊也可以用在ABB的老系統上，例如，Advant、Symphony、Freelance 2000。
西門子開發了大量的HART遠方I/O、HART modem、HART接口、HART多路切換器等產品。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)  如果工廠已經有DCS系統，而且短期內也沒有升級或更換的打算。那么可以選擇網關作為把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、Modbus、Profibus的網關。Mactec公司生產的Viator HART PC是一個串行modem，插入PC機后，能夠使PC機與HART儀表通訊。通過這種modem可以運行西門子公司的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，還可以采用Moore公司生產的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，然后再轉換成4~20mA模擬信號或者開關信號，例如將三個輔助過程變量轉化成4~20mA，把儀表狀態信號和自診斷報警信號轉化為開關信號等，再把轉換后的模擬信號和開關量信號送入已有控制系統。
4  關于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，那就是通過與OPC兼容的工具軟件HART Server。這個方法執行起來很簡單，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可以是任何機型，只要能夠運行Windows 95/98/NT/2000就行。運行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儀表進行通訊，然后把HART數據轉換成OPC數據。這時，就可以和任何內裝OPC客戶通訊軟件包的應用軟件實現通訊。實際上，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。通過HART Server，多個用戶（系統）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備（如PDA）傳送數據的功能。
我國對HART技術的開發是從1996年國家“九?五”科技重大項目攻關開始的。由國內主要的儀表制造企業―上海自儀股份有限公司、四聯儀器儀表集團公司、西儀集團公司和北京華控技術有限公司以及國內主要的自動化儀表研究所―上海工業自動化儀表研究所和重慶工業自動化儀表研究所6個企業組織聯合開發。攻關的成果有通過HART基金會認證的HART協議通訊軟件包、HART溫度變送器、HART壓力/差壓變送器、HART電動執行器、HART閥門定位器、HART電磁流量計、HART/RS-485多路切換開關、HART安全柵等產品以及HART手持器和HART組態軟件包。可以說，我國已經掌握了HART協議的核心技術。目前，上海工業自動化儀表研究所、北京華控技術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、西儀集團公司、上海威爾泰股份公司、北京華控技術有限公司都相繼推出HART壓力/差壓變送器產品，四聯儀器儀表集團公司和上海自儀股份有限公司推出HART電動執行器和閥門定位器，都有較好的性能價格比。為了確保開發的HART儀表能夠實現可互操作，中國儀器儀表行業協會現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，現在中國已具備了進一步推廣HART技術的條件。