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    基于HART協議智能壓力變送器的粗真空壓力自動測量系統設計
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    基于HART協議智能壓力變送器的粗真空壓力自動測量系統設計

    時間:2020-12-04 10:33:11

          摘 要:某大型粗真空系統氣路距離遠、壓力測量點多,傳統的分布式測控系統難以滿足系統的高性能及智能化要求,為此提出了一種基于HART協議,由橫河EJA智能壓力變送器和西門子S7-300系列PLC及其SM 331 HART模擬量輸入模塊等構成的粗真空壓力 自動測量系統設計方案。試用結果表明,該系統性能穩定,性價比高,適用性強,為其他HART智能儀表與PLC組建現場總線控制系統(FCS)提供了一種經濟可行的方案。2p1壓力變送器_差壓變送器_液位變送器_溫度變送器

     
    引言
          工業通信網絡是智能制造的重要支撐基礎技術,也是物 聯網技術領域發展非;钴S的一個方向,F場總線是連接控制 現場的儀表與控制室內控制裝置的數字化、串行、多站通信的網絡,是實現工廠數字通信網絡的基礎,廣泛用于制造自動 化、過程自動化及樓宇自動化等領域。 
     
          基于HART通信協議的現場總線是一種常用的現場總 線,目前HART協議常用于儀表的調試、校準和日常維護等,把HART協議智能儀表組成網絡,與計算機進行通信,從而連 接成控制系統,實現系統控制,這樣的應用尚不多見。某大型 粗真空系統壓力測量點多、氣路距離遠,傳統的分布式測控系 統難以滿足系統的高性能及智能化要求。
     
          本文以某粗真空壓力測量現場總線控制系統研制為背 景,采用了HART智能壓力變送器實現壓力測量,基于HART協議和西門子S7-300系列PLC及其HART模塊,進行粗真空壓力自動檢測系統設計。 
     
    1 基于HART協議的粗真空壓力測量系統構成
    1.1 基于HART協議的現場總線控制系統的特點
          現場總線主要實現工業現場智能化儀器儀表、控制器、執 行機構等現場控制設備間的數字通信及其與高級控制系統之 間的信息傳遞,F場總線控制系統(FCS)是以現場總線技術為核心的工業控制系統。隨著數字通信和網絡技術的發展,在現場智能設備的基礎上又發展了現場總線設備,并使工業自 動化系統從分布式控制系統(DCS)向FCS發展。隨著FCS的發展,作為現場總線控制系統基礎的現場總線智能變送器被廣 泛應用。全球有四十余種工業現場總線,工業現場總線網絡可歸 為三類,即RS485網絡、HART網絡和FIELDBUS總線網絡(如FF、PROFIBUS、CANBUS、CC-Link等)。
     
          HART(Highway Addressable Remote Transducer)協議 是 美國ROSEMOUNT公司于1985年推出的一種用于現場智能儀 表和控制室主設備之間的通信協議,現已成為全球智能儀表的工業標準。
     
          HART協議是目前世界上使用非常多的智能儀表通信協 議,具有完整的技術支持,覆蓋了現場智能壓力、差壓、流量、 液位、調節閥、成分分析和記錄儀等智能設備。HART智能儀 表是指基于HART協議的儀表,全球工業提供商制造的智能 儀表中有超過75%的儀表安裝了HART協議,HART協議的應 用,使變送器達到更高的智能水平。
     
          HART協議在保持傳統4~20 mA信號的同時,擴展了兩線制數字通信與現場智能儀 表系統的能力。HART協議能提供相對較低帶寬、適度響應時 間的通信,其數字功能可實現儀表聯用,智能功能可實現儀表遠程參數設定,并為用戶提供現場儀表豐富的自動化管理信息,是目前非常受用戶歡迎的智能現場儀表。 基于FF總線及PROFIBUS-PA等總線的智能儀表系統復雜,價格偏高,特別是總線安全柵價格昂貴,支持RS485的現場 智能儀表不太多,而HART儀表及其安全柵技術比較成熟,簡 單、可靠、易用,價格低廉,實用性強。因此,粗真空壓力自動測 量系統設計時將采用基于HART協議的現場總線控制系統。
     
          壓力變送器一般直接輸出與壓力呈線性關系的標準電壓 信號或電流信號,供儀表、控制計算機、數據采集卡等設備采 集,在工業控制領域應用非常廣泛。隨著微電子技術的迅猛發 展,越來越多的智能壓力變送器開始支持數字信號傳輸的現 場總線協議。
     
          DP harp EJA系列智能差壓壓力變送器是由日本橫河電 機株式會社于1994年開發的高性能智能儀表。EJA智能變送器采用了單晶硅諧振式傳感器,由單晶硅諧振式傳感器上的兩個H形振動梁分別將差壓、壓力信號轉換成頻率信號,送到脈沖計數器,再將兩頻率之差直接傳輸到CPU進行數據處理, 經D/A轉換器轉換為與輸入信號相對應的標準DC4~20 mA輸出信號,并在模擬信號上疊加一個HART/BRAIN數字信號進行通信。EJA智能變送器具有雙向通信功能和完善的自診 斷功能,提供了HART 5/HART 7、HART(DC1~5 V)低功耗 型、FF總線、PROFIBUS-PA總線以及BRAIN等通信協議。 
     
          經過分析論證,本文選用橫河EJA510E型螺紋安裝式絕 對壓力變送器來測量氣路的空氣壓力,輸出信號類型選擇二 線制DC4~20 mA帶HART 5/HART 7協議數字通信。智能變 送器都有一定的測量量程范圍,實際設定的量程應在固有量 程的1/4~3/4段,這樣才能夠保證測量的精度。某粗真空系統在運行過程中與工作環境大氣壓的壓力差為60 kPa,根據系統的工作壓力范圍,選擇EJA智能壓力變送器的壓力測量量程范圍為10~200 kPa。
     
    1.3 粗真空壓力測量系統構成 
          某粗真空系統采用高壓風機產生負壓,共有8條氣路支 路,需采用8塊帶HART協議的EJA510E智能壓力變送器測量8 條支路的壓力,采用S7-300 PLC和HART接口模塊組建粗真 空壓力自動測量系統,系統組成框圖如圖1所示。
    粗真空壓力測量系統組成框圖
    2 粗真空壓力測量系統HART通信設計
    2.1 HART通信設備設計選型
    2.1.1 HART通信設備類型
    HART通信協議設備一般主要包括基本主設備、副主設 備和非;镜默F場設備;局髟O備(主機)是與現場設備通 信的基本設備,如PC、DCS、PLC等,副主設備是鏈路臨時的使 用者,如手持通信器等,非;镜默F場設備包括從設備、成組模式設備及現場儀表。HART儀表設備是智能現場設備的首 選。每個HART儀表的數字信號能提供35~40項信息,要充分利用這些信息,就要與HART儀表建立連續長久的通信聯系。
     
    HART協議用于主機和智能設備之間的數字通信,并為 用戶提供強大的系統控制和監控功能。每個HART設備有一
    個非常好的38位地址,該地址由制造商ID代碼、設備類型代碼和 設備非常好標識符組成。HART主機只有知道了現場設備的地 址之后才能與其成功通信,HART主機還可以通過發布一個 命令使從設備回應地址。
     
    2.1.2 HART通信設備的選擇
          PLC和DCS用于監測和控制工業自動化應用中的HART智能儀表及現場模擬儀器儀表,智能儀表的4~20 mA模擬輸出一般都配置HART通信協議,目前大多數主流品牌PLC的模擬輸入模塊都不支持HART通信協議,而西門子S7-300/400系 列PLC提供了HART信號/功能模塊,故本系統的主設備采用西門子S7-300系列PLC及其I/O模塊。
     
          DCS在當今工控領域使用非常廣泛,通過把現場的傳感 器/執行器與分布式I/O模塊相連,然后通過總線與控制器 (CPU)進行通信,可以實現快速的數據交換,方便對現場各分 散元器件的集中管理。西門子的分布式系統有ET 200S、ET200SP、ET 200M、ET 200MP、ET 200PRO等。西門子SIMATICET 200M是分布式I/O設備,可使用S7-300/400 PLC的信號/ 功能模塊,也支持PROFIBUS-DP和PROFINET總線,適用于中大型的分布式控制場合。粗真空壓力自動測量系統設計時采用ET 200M分布式I/O系統。
     
          ET 200M是具有S7-300/400 PLC自動化系統的組態技 術,由一個IM 153-x和多個S7-300/400 PLC的I/O模塊組成。ET 200M是 在 PROFIBUS-DP總 線上 的 被 動站(從 站),是HART設備(智能現場設備)的HART主站,非常大數據傳輸速率 為12 MB/s。IM153-2是ET 200M的接口模塊,它通過HART模 擬輸入模塊從PD/PC將參數分配數據傳遞至智能現場設備, 并將數據返回。本系統使用IM 153-2BA00接口模塊作為連接PROFIBUS-DP的接口。
     
          HART模擬模塊是ET 200M分布式I/O系統的一種接口模 塊,它是指除模擬量外還可以執行HART通信的模擬模塊。HART模擬模塊可以用作HART現場設備的HART接口,可以 參數化HART現場設備,也可以通過模塊讀出診斷狀態。ET200M HART模擬模塊只能在ET 200M分布式I/O系統中操作。 
     
          本系統設計時采用ET 200M HART模擬輸入模塊SM 331, 型號規格為SM 331 6ES7 331-7TF01-0AB0,有8個AI通道,將 8個二線制EJA智能壓力變送器連接到SM 331的8個通道。
     
    2.2 HART通信模式選擇
          HART通信采用半雙工通信和主/從控制方式,其特點是 在現有模擬信號傳輸線上實現數字信號通信。HART協議通 信模型采用物理層、數據鏈路層和應用層三層結構。數據鏈路 層規定HART協議幀的格式,可尋址范圍為0~15(對HART 5) 或者0~63(對HART 7),每臺HART變送器有非常好的地址編 號,主機能對每一臺變送器進行操作。針對本系統的HART儀 表設備數量,采用HART 5協議。
     
          HART有點對點和多點兩種通信模式。對于點對點模式,經典的4~20 mA模擬信號依然可以用于傳輸一個過程變量 配置參數,與其他設備數據通信則通過HART協議。多點模式下,從機為多臺HART智能變送器,4~20 mA模擬信號不再有 效,使每臺變送器工作電流固定在4 mA并且為設備供電,從 而降低總線電流以使功耗非常小。 本系統采用多點通信模式,所有測量/過程變量、調整/測 試數據均用數字方式傳輸,系統依次讀取信號傳輸線上的多 臺現場儀表的數據。在多點通信系統中,按照HART 5協議進行通信,需將各儀表地址配置在1~15,非常多可將15個現場設 備連接至一個HART主站。
     
    2.3 系統拓撲結構設計 
          本系統采用HART協議組網與S7-300 PLC通信,實現系 統控制。利用HART協議在現場儀表與PLC之間建立數字連接, 在控制室與現場儀器儀表之間創建智能連接。HART協議的 有效通信距離為3 000 m,可以通過一根雙絞線連接多臺HART設備構成多站網絡。在本系統中,HART通信模式采用多點模式,HART協議網絡系統的拓撲結構如圖2所示。
    基于HART協議的粗真空壓力自動測量系統拓撲結構
    以1個S7-300 PLC作為主機,1個IM 153-2接口模塊和1個HART模擬輸入模塊SM 331作為HART主站,8塊遵循HART協議的EJA智能壓力變送器作為現場設備和HART從站。
     
          在網絡拓撲結構中,現場設備(HART智能儀表)均為并 聯。將8塊現場設備連接至HART模擬輸入模塊SM 331的8個 通道,現場設備作為HART設備進行工作。根據通信原理,HART通信的信號是從4~20 mA傳輸線上取得。EJA智能壓力變送器為兩線制,須在SM 331保留的端子10和11之間加一 個短接跳線。 
     
    使用HART通信的多點連接模式實現了PLC與HART現場 智能儀表的通信,在一根雙絞線上連接多臺現場設備,既可實現壓力監測,又可節約成本。 
     
          在本系統中,EJA壓力變送器的被測量、過程參數、設備 組態、校準、診斷信息均可通過HART協議訪問,還可實現對真空壓力變化的實時控制和監視。 
     
    3 結語
          基于HART協議的粗真空壓力自動測量系統設計方案已 在生產現場得到應用,HART總線設備與PLC通信穩定,該方 案節省了模擬量輸入模塊,大大減少了現場布線量,降低了工程造價。本文所提出的PLC與HART儀表集成方案性價比高,具有一定工程實用意義,為其他HART智能儀表與PLC組建現場總線控制系統(FCS)提供了一種經濟可行的方案。
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