集成来自智能设备的HART数据

在您的工厂中有一种资源可以帮助促进资产管理，但如果您像大多数公司一样，您没有使用它，或者您没有在您可以使用的范围内使用它。这个资源就是HART通信，在您的流程中部署的许多(如果不是大多数的话)现场仪器可能都有这个资源。本文将讨论HART是如何工作的，以及在工厂中集成来自过程传感器和执行器的HART数据的各种方法。

大多数公司都有使用HART技术的手持通信设备，这成为在工厂设置新的现场设备或更改配置设置的主要方法。未充分利用的方面是新安装的仪器可以与自动化系统通信的各种方式，传递主要过程变量、附加变量和诊断信息。事实上，HART可以成为设备管理程序的主要技术推动者。

HART可以做什么

通过HART获得的信息可以告诉我们很多关于单个现场设备的信息，它们是如何工作的，以及为它们服务的网络。诊断信息可以提醒您是否存在单个设备问题、环路电流故障或设备是否需要维护。它可以帮助确保过程变量数据的准确性，确保各个仪器的正确测距，以及模拟和数字通信之间是否存在偏差。

除了诊断之外，HART通信还可以在已经安装在工厂中的大多数智能设备上提供可用的次要过程变量。如果您有办法将其集成到您的控制和资产管理系统中，那么过去10多年购买的任何工具都可能准备好发送这些信息。

配置通信

主机和设备之间的事务处理有两种方法。最常见的是主/从方式，即主机从从设备请求信息。只有当主机(如DCS、PLC、资产管理系统等)有请求时，设备才会发送信息。

支持hart的设备还可以配置为以突发模式发布流程数据。这只适用于特定的进程数据命令，但是主机仍然可以根据需要请求其他信息。

选择主从式还是爆发式将由工艺的需要和特定工艺变量的关键性来驱动。每个设备都可以根据情况使用任何一种方法。

多点:HART作为现场总线

在正常应用中，主要过程变量通过4-20 mA模拟信号传输，附加变量在叠加的数字信息中携带。这可能是传统的方法，但它需要为每个设备配备电缆。HART可以根据需要将主要变量与数字信息传输，使每个现场设备完全数字化。

当使用该方法时，多个设备可以通过平行连接的单根电缆连接，类似于现场总线，减少了电缆的数量。一个网段最多可以连接15个设备，使用手持通信器或基于pc的配置工具为每个设备分配轮询地址。4-20 mA信号固定在一个低值，通常是4 mA，因此环路可以为每个设备携带电力。通信遵循主/从模式，主机轮询每个设备，以便它可以发送过程变量和诊断信息。

这种方法不像正常的4-20 mA循环那样提供主要过程变量的不断更新，但是如果可以容忍少量的延迟，它可以提供具有成本效益和可靠的过程数据流。

不止一个变量

目前可用的大多数现场仪器实际上是多变量设备，即使这不是一个明显的特征。压力传感器、流量计和其他仪器收集额外的信息，以纠正主要变量或监测性能的另一个方面。例如，许多类型的压力传感器需要温度数据来计算压力值。该温度或其他次要信息可以通过HART通信发送到主机。

虽然这些次要变量(SV)可能不用于关键控制，但它们是可用的，可以帮助填补信息覆盖的空白，而无需额外侵入流程或购买更多硬件。一个典型的用例示例是确保设备不会冻结或过热。可以设置许多主机系统来访问这些数据，最好的方法是在主机系统上使用本机支持hart的I/O。

这种方法允许通过轻松集成到控制和维护平台，轻松且快速地交付信息。所有变量都可从每个设备使用最少的电缆和硬件。不幸的是，在支持hart的I/O卡普及之前，许多运行在流程工厂中的系统就已经安装好了，因此发现智能设备部署在传统的4-20 mA I/O卡环境中是很典型的。用户和系统供应商已经创建了许多变通方法来填补这一空白。

循环转换器

HART环路转换器是一个单独的调制解调器，可以读取从单独的4-20 mA环路发出的HART数据。环路转换器通常设计用于访问次要过程变量，并将表示该变量的数字信号转换为额外的4-20 mA信号。

这样的单元可以将信号发送到更大的自动化系统，和/或转换数据并在适当的工程单元中显示。根据设备的复杂程度，它可以被编程为报警或其他功能的继电器输出。

当需要处理一小组设备时，单个转换器是有用的，但当需要处理更大数量的设备时，有更好的方法来处理这种情况。

多路复用器

对于用户希望从大量现场设备中提取HART数据，但过程自动化系统中没有安装本机HART I/O卡的安装，典型的方法是使用HART多路复用器。这些系统有各种各样的配置，来自不同的制造商，但它们有一些共同的基本特征。

多路复用器包含多个组合在一起的HART调制解调器，这样它们就可以从设备中提取和转换数字数据，而不会干扰正常的4-20 mA环路信号。现有主机设备的I/O在4-20 mA信号中看不到区别，它可以继续像往常一样控制和监视进程。

这种方法通常可以改造到现有的控制系统和现场接线。多路复用器从它处理的设备中获取信息，通常通过RS485串行总线、Modbus TCP、以太网链路或新的HART-IP将数据发送到某种资产管理系统。通信是双向的，因此资产管理系统既可以从现场设备读取信息，也可以远程访问和读取其配置。

使用多路复用器的缺点是它们的安装可能很复杂，因为每个单独的现场设备都需要连接。这种影响可以通过在电缆已经放在一起的地方进行连接来最小化，比如编组柜。延迟也是一个因素，因为对于给定数量的输入，多个输入必须共享一个HART调制解调器。通过仔细的规划和网络管理，多路复用器仍然是处理大型部署的一种非常有效和经济的方式。

无线哈特

使用HART协议的另一个解决方案是无线哈特。使用简单、可靠、安全的网状网络，无线HART可以看作是一个远程I/O系统。使用网状网络技术，多个设备通信到一个网关，该网关收集所有进程和设备诊断信息，并通过HART-IP、Modbus TCP、RS485或其他方式将其通信到控制、资产管理或其他主机系统。无线HART可以是一种经济有效的解决方案，用于向现有工厂添加新的测量或从现有设备访问HART信息。典型应用包括油库监控、管道、旋转或移动资产等。

许多现场仪器现在可以作为原生无线设备使用，或者可以将无线适配器添加到有线设备上。适配器可以使用与本机相同的通信方法无线哈特设备。

HART-IP

HART协议的最新改进HART- ip定义了一个标准解决方案，通过工厂已安装的网络基础设施获得高速访问HART设备诊断和过程测量。HART- ip提供了最直接的方式来访问HART设备中可用的所有标准HART信息。它允许将来自这些设备的信息轻松地带到以太网级别，而不需要经过任何转换过程，也不会丢失信息。HART-IP可用于集成来自多路复用器、远程I/O和WirelessHART的设备信息。与连用时无线HART提供了一个非常经济的解决方案，可以从工厂或企业的任何地方访问测量信息。

手持设备和单调制解调器

在许多情况下，维护人员或仪表工程师可能需要配置或检查来自个别现场设备的诊断信息。有许多类型的单HART调制解调器和手持通信器可以轻松且廉价地提供接口。由于HART协议中内置的互操作性，此类设备不受制造商的限制，可以与任何仪器或执行器通信。

在工厂或维修车间，只要需要，就可以将小型单调制解调器插入环路。当安装配置或资产管理应用程序时，这些设备可以使用USB、RS232甚至蓝牙无线与笔记本电脑或其他主机系统通信。

今天的手持通信器和校准工具非常通用，可以包含数百个设备的设备描述符。维修技术人员可以将该设备连接到现场设备，并从其存储器中调出相关信息。如果需要，可以更改配置或保留诊断数据，以便在维护车间下载。

虽然这些单独的通信设备可能非常有用，但它们有不可避免的限制，即它们需要技术人员参与，并且一次只能与一个设备通信。相比之下，完全启用hart的I/O系统可以在控制室或维护车间的任何启用hart的现场仪器或执行器上随时执行上述所有功能。

工作实践:调试和维护

当新的现场设备将要安装或被带到车间进行维护时，HART通信可以在恢复运行之前对其进行正确配置和测试。安装前检查和验证性能的能力可以节省大量的时间，相比之下，安装和移除尚未准备好使用的传感器。在项目的调试阶段，可以使用HART信息来减少调试时间。

一旦一个新设备在这个过程中为该应用程序分配了它的HART标签名称并进行了排列，它就可以为下一轮检查做好准备，在检查期间可以轻松地提供HART信息:

• 验证设备的位置，物理和I/O;
• 校准;
• 配置及回路检查;
• 报警和联锁验证;而且,
• 在线操作验证。

同样，现场仪表和智能阀门控制器/定位器也可以在恢复工作前在车间进行检查。一个完善的维护程序可以通过HART通信规定为单个设备或组量身定制的例行测试，以检查最关键的属性。按照这个程序工作可以避免问题，并有助于培训新的技术人员。

一旦回到原位，变送器和阀门可以在恢复过程之前进行最后的验证。或者，测试可以在现场进行，而不是在车间进行。HART可以帮助测试各种关键属性，包括:

• 验证正确的标签和位置;
• 检查线路和电源;
• 检查信号完整性和接地情况;
• 重新调零，检查量程和跨度校准;
• 验证DCS输出的模拟配平;
• 发送模拟过程变量验证DCS读数;
• 为基线捕获新的阀门特征;
• 设置报警和安全配置;而且,
• 配置和校准额外的过程变量。

许多设备管理平台可以记录和编目这些测试和调整的结果，以保存维护记录。

工作实践:部分行程阀门试验

在一个运行良好的工厂中，紧急关闭(ESD)阀门可能会运行数年而不必执行其功能。虽然避免意外和事故是一件好事，但安全协议要求对ESD阀门进行测试，以验证它们仍然正常工作。由于阀杆过度摩擦、填料问题、气压泄漏或其他维护问题，不定期运行的阀门可能会失效。

使用全行程测试(FST)进行防静电阀测试是有问题的，因为循环使用这些阀门会影响生产。因此，安全协议规定了在许多情况下ESD阀门的部分行程测试(PST)，以一种在最大限度地减少操作中断的同时验证其性能的方式。

使用这种技术的公司定期执行pst，从而降低了fst的频率。ESD阀门测试适用于更大的安全程序的方式超出了本文讨论的范围，但一旦为给定的工厂建立和批准了协议，启用hart的阀门定位器和控制器使PSTs更容易执行和记录。

资产管理程序可以自动化PST程序的机制，通过以下简单的方法通过HART执行测试和收集诊断信息:

• 阀门分为设备组;
• 程序设置时间表，以保持更大的安全系统要求;而且,
• 程序保留来自每个测试的历史数据，允许识别可能指示开发维护问题的趋势。

你的下一步

希望本文的讨论已经使您相信HART通信可以通过许多方式来支持改进工厂性能和资产管理。最困难的一步往往是努力把它付诸实施。有许多公司成功地做到了这一点，并享受到更高的产量和更低的维护成本带来的好处，但实施需要在生产、可靠性和维护团队之间进行程序和文化上的改变。

HART可能无法提供先进现场总线(如基金会现场总线或Profibus PA)的所有性能，但它的实现成本要低得多，因为它通常可以使用现有的仪器和阀门。

这些问题不是技术问题，因为硬件和软件解决方案是现成的。通常，一个成功的hart维护计划可以追溯到一个热情的个人，他作为冠军出现，带领公司进入一个提高性能和降低成本的新时期。

Amit Ajmeri是美国横河公司的无线和现场网络技术顾问。

-详见下文相关文章。

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