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引言

      工业通信网络是智能制造的重要支撑基础技术，也是物 联网技术领域发展#活跃的一个方向。现场总线是连接控制 现场的仪表与控制室内控制装置的数字化、串行、多站通信的网络，是实现工厂数字通信网络的基础，广泛用于制造自动 化、过程自动化及楼宇自动化等领域。 

 

      基于HART通信协议的现场总线是一种常用的现场总 线，目前HART协议常用于仪表的调试、校准和日常维护等，把HART协议智能仪表组成网络，与计算机进行通信，从而连 接成控制系统，实现系统控制，这样的应用尚不多见。某大型 粗真空系统压力测量点多、气路距离远，传统的分布式测控系 统难以满足系统的高性能及智能化要求。

 

      本文以某粗真空压力测量现场总线控制系统研制为背 景，采用了HART智能压力变送器实现压力测量，基于HART协议和西门子S7-300系列PLC及其HART模块，进行粗真空压力自动检测系统设计。 

 

1 基于HART协议的粗真空压力测量系统构成

1.1 基于HART协议的现场总线控制系统的特点

      现场总线主要实现工业现场智能化仪器仪表、控制器、执 行机构等现场控制设备间的数字通信及其与高级控制系统之 间的信息传递。现场总线控制系统（FCS）是以现场总线技术为核心的工业控制系统。随着数字通信和网络技术的发展，在现场智能设备的基础上又发展了现场总线设备，并使工业自 动化系统从分布式控制系统（DCS）向FCS发展。随着FCS的发展，作为现场总线控制系统基础的现场总线智能变送器被广 泛应用。全球有四十余种工业现场总线，工业现场总线网络可归 为三类，即RS485网络、HART网络和FIELDBUS总线网络（如FF、PROFIBUS、CANBUS、CC-Link等）。

 

      HART（Highway Addressable Remote Transducer）协议 是 美国ROSEMOUNT公司于1985年推出的一种用于现场智能仪 表和控制室主设备之间的通信协议，现已成为全球智能仪表的工业标准。

 

      HART协议是目前shijie上使用#多的智能仪表通信协 议，具有完整的技术支持，覆盖了现场智能压力、差压、流量、 液位、调节阀、成分分析和记录仪等智能设备。HART智能仪 表是指基于HART协议的仪表，全球工业提供商制造的智能 仪表中有超过75%的仪表安装了HART协议，HART协议的应 用，使变送器达到更高的智能水平。

 

      HART协议在保持传统4～20 mA信号的同时，扩展了两线制数字通信与现场智能仪 表系统的能力。HART协议能提供相对较低带宽、适度响应时 间的通信，其数字功能可实现仪表联用，智能功能可实现仪表远程参数设定，并为用户提供现场仪表丰富的自动化管理信息，是目前非常受用户欢迎的智能现场仪表。 基于FF总线及PROFIBUS-PA等总线的智能仪表系统复杂，价格偏高，特别是总线安全栅价格昂贵，支持RS485的现场 智能仪表不太多，而HART仪表及其安全栅技术比较成熟，简 单、可靠、易用，价格低廉，实用性强。因此，粗真空压力自动测 量系统设计时将采用基于HART协议的现场总线控制系统。

 

1.2 压力变送器选型 

      压力变送器一般直接输出与压力呈线性关系的标准电压 信号或电流信号，供仪表、控制计算机、数据采集卡等设备采 集，在工业控制领域应用非常广泛。随着微电子技术的迅猛发 展，越来越多的智能压力变送器开始支持数字信号传输的现 场总线协议。

 

      DP harp EJA系列智能差压压力变送器是由日本横河电 机株式会社于1994年开发的高性能智能仪表。EJA智能变送器采用了单晶硅谐振式传感器，由单晶硅谐振式传感器上的两个H形振动梁分别将差压、压力信号转换成频率信号，送到脉冲计数器，再将两频率之差直接传输到CPU进行数据处理， 经D/A转换器转换为与输入信号相对应的标准DC4～20 mA输出信号，并在模拟信号上叠加一个HART/BRAIN数字信号进行通信。EJA智能变送器具有双向通信功能和完善的自诊 断功能，提供了HART 5/HART 7、HART（DC1～5 V）低功耗 型、FF总线、PROFIBUS-PA总线以及BRAIN等通信协议。 

 

      经过分析论证，本文选用横河EJA510E型螺纹安装式绝 对压力变送器来测量气路的空气压力，输出信号类型选择二 线制DC4～20 mA带HART 5/HART 7协议数字通信。智能变 送器都有一定的测量量程范围，实际设定的量程应在固有量 程的1/4～3/4段，这样才能够保证测量的精度。某粗真空系统在运行过程中与工作环境大气压的压力差为60 kPa，根据系统的工作压力范围，选择EJA智能压力变送器的压力测量量程范围为10～200 kPa。

 

1.3 粗真空压力测量系统构成 

      某粗真空系统采用高压风机产生负压，共有8条气路支 路，需采用8块带HART协议的EJA510E智能压力变送器测量8 条支路的压力，采用S7-300 PLC和HART接口模块组建粗真 空压力自动测量系统，系统组成框图如图1所示。

2 粗真空压力测量系统HART通信设计

2.1 HART通信设备设计选型

2.1.1 HART通信设备类型

HART通信协议设备一般主要包括基本主设备、副主设 备和#基本的现场设备。基本主设备（主机）是与现场设备通 信的基本设备，如PC、DCS、PLC等，副主设备是链路临时的使 用者，如手持通信器等，#基本的现场设备包括从设备、成组模式设备及现场仪表。HART仪表设备是智能现场设备的shou 选。每个HART仪表的数字信号能提供35～40项信息，要充分利用这些信息，就要与HART仪表建立连续长久的通信联系。

 

HART协议用于主机和智能设备之间的数字通信，并为 用户提供强大的系统控制和监控功能。每个HART设备有一

个非常好的38位地址，该地址由制造商ID代码、设备类型代码和 设备非常好标识符组成。HART主机只有知道了现场设备的地 址之后才能与其成功通信，HART主机还可以通过发布一个 命令使从设备回应地址。

 

2.1.2 HART通信设备的选择

      PLC和DCS用于监测和控制工业自动化应用中的HART智能仪表及现场模拟仪器仪表，智能仪表的4～20 mA模拟输出一般都配置HART通信协议，目前大多数主流品牌PLC的模拟输入模块都不支持HART通信协议，而西门子S7-300/400系 列PLC提供了HART信号/功能模块，故本系统的主设备采用西门子S7-300系列PLC及其I/O模块。

 

      DCS在当今工控领域使用非常广泛，通过把现场的传感 器/执行器与分布式I/O模块相连，然后通过总线与控制器 （CPU）进行通信，可以实现快速的数据交换，方便对现场各分 散元器件的集中管理。西门子的分布式系统有ET 200S、ET200SP、ET 200M、ET 200MP、ET 200PRO等。西门子SIMATICET 200M是分布式I/O设备，可使用S7-300/400 PLC的信号/ 功能模块，也支持PROFIBUS-DP和PROFINET总线，适用于中大型的分布式控制场合。粗真空压力自动测量系统设计时采用ET 200M分布式I/O系统。

 

      ET 200M是具有S7-300/400 PLC自动化系统的组态技 术，由一个IM 153-x和多个S7-300/400 PLC的I/O模块组成。ET 200M是 在 PROFIBUS-DP总 线上 的 被 动站（从 站），是HART设备（智能现场设备）的HART主站，#大数据传输速率 为12 MB/s。IM153-2是ET 200M的接口模块，它通过HART模 拟输入模块从PD/PC将参数分配数据传递至智能现场设备， 并将数据返回。本系统使用IM 153-2BA00接口模块作为连接PROFIBUS-DP的接口。

 

      HART模拟模块是ET 200M分布式I/O系统的一种接口模 块，它是指除模拟量外还可以执行HART通信的模拟模块。HART模拟模块可以用作HART现场设备的HART接口，可以 参数化HART现场设备，也可以通过模块读出诊断状态。ET200M HART模拟模块只能在ET 200M分布式I/O系统中操作。 

 

      本系统设计时采用ET 200M HART模拟输入模块SM 331， 型号规格为SM 331 6ES7 331-7TF01-0AB0，有8个AI通道，将 8个二线制EJA智能压力变送器连接到SM 331的8个通道。

 

2.2 HART通信模式选择

      HART通信采用半双工通信和主/从控制方式，其特点是 在现有模拟信号传输线上实现数字信号通信。HART协议通 信模型采用物理层、数据链路层和应用层三层结构。数据链路 层规定HART协议帧的格式，可寻址范围为0～15（对HART 5） 或者0～63（对HART 7），每台HART变送器有非常好的地址编 号，主机能对每一台变送器进行操作。针对本系统的HART仪 表设备数量，采用HART 5协议。

 

      HART有点对点和多点两种通信模式。对于点对点模式，经典的4～20 mA模拟信号依然可以用于传输一个过程变量 配置参数，与其他设备数据通信则通过HART协议。多点模式下，从机为多台HART智能变送器，4～20 mA模拟信号不再有 效，使每台变送器工作电流固定在4 mA并且为设备供电，从 而降低总线电流以使功耗#小。 本系统采用多点通信模式，所有测量/过程变量、调整/测 试数据均用数字方式传输，系统依次读取信号传输线上的多 台现场仪表的数据。在多点通信系统中，按照HART 5协议进行通信，需将各仪表地址配置在1～15，#多可将15个现场设 备连接至一个HART主站。

 

2.3 系统拓扑结构设计 

      本系统采用HART协议组网与S7-300 PLC通信，实现系 统控制。利用HART协议在现场仪表与PLC之间建立数字连接， 在控制室与现场仪器仪表之间创建智能连接。HART协议的 有效通信距离为3 000 m，可以通过一根双绞线连接多台HART设备构成多站网络。在本系统中，HART通信模式采用多点模式，HART协议网络系统的拓扑结构如图2所示。

以1个S7-300 PLC作为主机，1个IM 153-2接口模块和1个HART模拟输入模块SM 331作为HART主站，8块遵循HART协议的EJA智能压力变送器作为现场设备和HART从站。

 

      在网络拓扑结构中，现场设备（HART智能仪表）均为并 联。将8块现场设备连接至HART模拟输入模块SM 331的8个 通道，现场设备作为HART设备进行工作。根据通信原理，HART通信的信号是从4～20 mA传输线上取得。EJA智能压力变送器为两线制，须在SM 331保留的端子10和11之间加一 个短接跳线。 

 

使用HART通信的多点连接模式实现了PLC与HART现场 智能仪表的通信，在一根双绞线上连接多台现场设备，既可实现压力监测，又可节约成本。 

 

      在本系统中，EJA压力变送器的被测量、过程参数、设备 组态、校准、诊断信息均可通过HART协议访问，还可实现对真空压力变化的实时控制和监视。 

 

3 结语

      基于HART协议的粗真空压力自动测量系统设计方案已 在生产现场得到应用，HART总线设备与PLC通信稳定，该方 案节省了模拟量输入模块，大大减少了现场布线量，降低了工程造价。本文所提出的PLC与HART仪表集成方案性价比高，具有一定工程实用意义，为其他HART智能仪表与笔尝颁组建现场总线控制系统（贵颁厂）提供了一种经济可行的方案。