Smart HART协议应用简述


HART协议是总线协议的一类。那么在越来越复杂的智能应用中起着不小的作用。这里我们就来对这方面的一个应用改进型一下阐述。首先我们了解的是智能变送器的原理。那么在这里HART协议有什么应用呢？

1. HART协议的智能变送器的原理

1.1关于HART协议

HART协议参照“ISO/OSI"的模型标准,规定了HART通讯的物理信号方式和传输介质｡HART协议采用了Bell202标准的FSK频移键控信号,即在4-20mA的模拟信号上叠加幅度为0.5mA的正弦调制波,1200Hz代表逻辑“1",2200Hz代表逻辑“0",由于所叠加的正弦信号平均值为0,所以数字通讯信号不会干扰4-20mA的模拟信号｡因此HART协议的主要优点是能兼容数字信号通讯和模拟信号传输｡

1.2变送器的构成

变送器是由传感器和智能变送部分组成｡对不同的变送器,其传感器各不相同,输出的模拟信号也不相同但要求传感器部分的耗电不得超过1mA｡智能变送部分关键是解决低功耗问题｡由于HART数字通讯的要求,有0.5 mA的正弦波叠加在4mA电流上,因此整个智能变送器的硬件电路必须保证在3.5mA的工作电流下还能正常工作｡传感器部分将消耗1mA左右的电流｡因此智能变送部分耗电在2.5mA内｡在如此小的电流使CPU､A/D､D/A､以及MODEM还能正常工作｡因此智能变送器的核心是低功耗技术,同时在远距离数字通讯时对电源和电缆有一定的要求｡

1.3可能存在的故障

基于基于HART协议的智能变送器的原理,有时会出现载波干扰､电缆的电容过大､到表头的电压低于11V､回路电阻过大等原因造成智能变送器运行故障｡下面就应用中的几例罕见故障来加以说明｡

2.应用中的几例罕见故障及原因分析

2.1电缆太长,智能变送器现场不通讯｡

ST3000单法兰液位变送器,投用不通讯｡现场检查电压为22.3V,正常范围｡撤回车间校验,通讯及仪表工作正常(用268通讯器)｡分析其原因电缆电容大于HART通讯设备允许的最大电容｡HART通讯频率较高(1-2KHz)要求网络的T=RC不大于0.65μs｡因此HART通讯设备及网络的最大电容限制了通讯最大距离:

最大电缆长度M=(160000-Cmaster)/Ccable

160000-根据HART通讯网络允许的时间常数计算而得的常数,反映通讯网络允许的最大电容:PF

Cmaster-控制系统或HART滤波器的电容:PF

Ccable-电缆分布电容:PF

因此网络的时间常数 T=RC=(0.025*650)*(400*650)/1000000=4.2μs 〉0.65

可见由于电缆缘故,使网络时间常数太大,导致通讯严重失真,而无法通讯,但对模拟信号无影响,改用2.5sq的交联电缆(Cmster为90PF/M)即可解决｡

2.2变频器载波干扰

(1)智能变送器现场不通讯,甚至变送器误指示0流量的3051差压指示48%,检查现场电压均正常,并联0.1μF电容虽不能通讯,但指示正确,可以确认这是线路干扰问题｡分析原因2KHz左右高频电磁干扰影响HART协议通讯器的信号,使变送器产生错误信号｡变频器的载波频率取决于其型号及容量,一般为2.0-16KHz(根据负荷组态)｡HITACHIJ300-110HF95(VT)和150HF5(VT)型载波频率大都组态设置为2KHz与HART通讯频率十分接近,这个“0"信号频率附近的杂波影响Smart变送器,使它不能正确响应275信号,甚至按此信号错误地转为电流输出或其它错误操作方式｡采取增大仪表电缆与动力电缆的距离的改造措施｡

(2)压力变送器E+H,PMC-133型,配备变频器,投用后,指示偏低,变频器停下,恢复正常

(3)ST3000经常出现输出信号大幅步波动,经仔细观察,发现该现象类似于用SFC通讯器调整变送器参数后确认后,便送器重新初始化的状态｡分析其原因是变频器所产生的强电磁场及电机频繁启停的尖峰脉冲干扰,导致智能变送器自动复位,试在变送器的信号端上并接100V,4.7μ f电容问题得以解决｡

(4)美国康创(control)SYSTEM990超声波流量计,突然指示异常:指示值乱跳,输出电流也随之变化,或隔一段时间指示就回零｡分析其原因是变频器干扰｡解决措施将电缆变为屏蔽电缆,将屏蔽层与探头电缆屏蔽层一同接地,信号线与地之间跨接电容无效的情况下,试将探头负端与屏蔽层一同接地,仪表恢复正常｡

(5)加拿大妙省力Mini Ranger Plus分体式超声波液位计,用作液位指示,将其转换器的输出信号变为变频器的输入,投用时,仪表的指示值固定在某一值上,变频器停运仪表正常指示｡分析原因仪表输出隔离特性差｡

回路电阻影响,测量小信号时仪表指示正常,随着测量信号的增大仪表输出开始波动,撤回车间校验正常,经反复查找原因,发现回路电阻过大所致｡可采用以下方案解决｡采用内阻较小安全栅,信号线以减少回路内阻｡若存在不经济或存在困难,可把DCS供电改为外接电源供电,但为保证电路安全和与SFC的通讯须在回路串接一电阻,其值大小和导线电阻之和不小于250欧姆,这样可提高闭环电路的供电压,保证了表头电压大于11V.｡

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