（1.河北冀研能源科学技术研究院有限公司 河北石家庄 0500511；2.西安交大能源电子技术开发公司 陕西西安 710043）
摘要：为了更进一步提高数据采集系统的精度和稳定性，充分发挥HART协议在传感器前端中直读的优点，结合数据采集系统后端常用的S-NET，整个系统只有一次A/D，达到了提高采集精度的同时，避免了数据采集卡定期校验的费用和工作量，同时减少了后端采集的故障率，此方法的使用，是性能试验中对采用传统AD-DA-AD采集方式的一大变革。
关键词：高精度数据采集；性能测试；HART；S-NET
Hart Filed BUS Applied to Performance Testing in Themo-Power Plant
Mr.Liu Bo1 Mr. Li Jing1 Mr.Li Yongliang1 Dr. Li Yong2 Mr. Li Minli2
(1..HEBEI Ji-Yan Energy Science and Technology Research Institute Co., Ltd. 0500511,ShiJiaZhuang P.R.China
2.Xi'an Jiaoda Energy & Electric Tech。Development Co. 710043，Xi’an P.R.China）
Abstracts：In order to improve the accuracy and stability of Data Acquisition System and play advantages to directly read Data in the HART Filed bus in front sensor. Combined with the system of back-end which the S-NET is used，it is increasing the acquisition and saving the cost of data acquisition and jobs for card calibration. At the same time,reducing the fault rate in back-end .It is a reform way of traditional AD-DA-AD mode in Data Acquisition.
Key words：High accuracy Data Acquisition、Unit Performance Testing、HART、S-NET
HART¬现场通讯协议是工业界广泛认可的标准，在4-20mA智能设备的基础上增加了数字通讯能力。该技术的普及使用非常迅速，目前，事实上所有主要设备供应商都HART 提供协议产品。
HART 协议是唯一向后兼容的智能仪表解决方案，在一条电缆上可以同时传递4-20mA 模拟信号和数字信号。HART 在提供现场总线的好处时，保留对现有4-20mA系统的兼容性。
经过10多年的发展，HART技术在国外已经十分成熟，并已成为全球智能仪表的工业标准。
1 HART总线概述
HART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设备之间的通信协议。 HART装置提供具有相对低的带宽，适度响应时间的通信。
图1. FSK调制
HART协议采用基于Bell202标准的FSK频移键控信号，是半双工的通信方式，在低频的4-20mA模拟信号上叠加幅度为0.5mA的音频数字信号进行双向数字通讯，数据传输率为1.2kbps（图2）。
由于FSK信号的平均值为0，不影响传送给控制系统模拟信号的大小，保证了与现有模拟系统的兼容性。
HART协议属于模拟系统向数字系统转变过程中过渡性产品，因而在当前的过渡时期具有较强的市场竞争能力，得到了较快发展。
在HART协议通信中主要的变量和控制信息由4-20mA传送，在需要的情况下，另外的测量、过程参数、设备组态、校准、诊断信息通过HART协议访问。特别的，一个HART智能设备，最多可以同时输出4个过程变量。
HART 规定了一系列命令，按命令方式工作。它有三类命令，第一类称为通用命令，这是所有设备都理解、都执行的命令；第二类称为一般行为命令，所提供的功能可以在许多现场设备（尽管不是全部）中实现，这类命令包括最常用的的现场设备的功能库；第三类称为特殊设备命令，以便于工作在某些设备中实现特殊功能，这类命令既可以在基金会中开放使用，又可以为开发此命令的公司所独有。在一个现场设备中通常可发现同时存在这三类命令。
图2.HART数字信号加在4~20mA模拟信号上
2 HART总线应用现状
经过近二十年的发展，HART协议已经成为过程自动化领域的一个事实上的标准。根据2009年统计数据，支持HART协议的仪表制造商超过130家，其中45%在欧洲，43%在北美，12%在亚洲，是目前开放通讯协议中支持厂家最多的协议；通过HART基金会认证的HART仪表品种已经达到近500种。其中，压力仪表61种，温度仪表48种，流量仪表91种，物位仪表84种，分析仪表99种，执行器12种，阀门定位器33种。超过5,000,000个安装且仍然在快速增长。
支持HART协议的变送器本质上是一种数字设备，但目前工业现场大量的HART变送器仍然以传统的4~20mA模拟量的方式在使用，HART总线只是被像串口一样用来对变送器进行设置。这就造成了很多数据监测系统都面临着“数据->模拟信号->数据”的尴尬（图3）。
3 基于HART总线的全数字采集系统
3.1 智能HART数字采集板3595H1
要进一步挖掘HART智能一次设备的潜力，就需要直接通过HART通讯获取HART智能变送器内部测量到的被测物理量的值，避免不必要的DA-AD转换，使得采集系统最终的精度就是HART变送器的测量精度。
3595H1是西安交大能源电子技术开发公司开发的新型的采集板，是用于HART变送器数据采集的数字化智能设备，与IMP智能数据采集仪配合使用，广泛应用于各种HART变送器（仪器仪表）的数据采集。
3595H1直接通过HART通讯获取HART智能变送器内部测量到的被测物理量的值，没有不必要的DA-AD转换，在数据采集过程中减少了一个DA-AD 环节，省略了采集设备需要定检的环节，这样，HART变送器前端的测量精度即为采集系统最终的精度。
基于HART总线的全数字采集系统因为发挥了HART总线的特点，采集过程中除了较少的精度损失，还具有以下优点：
直接提供工程量值，不需要人工设定工程量转换；
只要被测量在变送器的可测量范围内，都可直接读取，与电流环量程设置无关；
自动获取物理量单位，无需人工输入
无需每年标定，省力省钱 (≈2000元/块/次)
变送器可设置为在很低的功耗下工作，节能环保；
3595H1外壳坚固耐用，防水性能良好，非常适合工业现场应用；可对连接的HART变送器集中供电；一个3595H1可对多达20个HART变送器同时采集；数据读取频率高达1次/秒； 3595H1适用于所有HART设备，无需配置，能自动感知HART设备的连接并与之建立连接，即插即用； 3595H1采集数据的同时可同时获取被测量的单位，数据与单位同时上传采集软件显示并保存；3595H1的采集工作与手操器对变送器的设定工作可同时进行。
该系统具有部署速度快，精度高，组态简单，使用成本低的特点，特别适合于性能测试，短期的运行监测等应用。
4 应用案例
2016年3月首套基于HART协议的全数字汽轮机性能试验数据采集系统在河北建投任丘热电有限责任公司汽轮机性能试验中首次投入使用。经多个项目不同类型的现场使用验证，系统整体稳定、抗干扰性能优越、不用担心采集中DA-AD带来的数据误差，精度提升有点显著。
整个系统中使用罗斯蒙特3051（带HART协议）系列压力变送器70台，带HART协议输出的一体化温度变送器80套，系统配备HART协议采集板8套，每套容量为20通道，通道总数量为160CH，数据采集仪1台，现场智能传感器的AD数据通过HART采集板和数据采集仪建立直接通道，最大限度保持了前端智能传感器的数据原型，完全排除了系统多次转换带来的“系统误差”，避免了采集系统校验的麻烦，另外整体设计采用低功耗，数据采集板和采集仪之间采用高速S-NET通讯，此通讯为对称调制方式，通讯和电源共线，可在1500米范围内以163kb/s通讯，连接简单可靠。通过现场试验和使用，整体系统在机组性能测试中工作稳定可靠，整个采集系统软硬件运行平稳，数据传输安全、可靠，同时数据采集的精度提升了一个等级，就本次性能试验用变送器（ROSEMOUNT）而言，最少提高精度0.005%以上,减少热稳定性和元件漂移0.001%（一个DA-AD的整个硬件处理过程），同时省略了高精度采集卡定期校验（一般检测单位还不具备校验此类精度采集卡的级别）的费用和过程。
5 结论
由于从传感器/变送器到采集结果整个过程中，减少了一次DA-AD，使整体精度和可靠性得到了提高，同时系统前端采集HART采用了Bell202调制准正旋波交流调制，采集卡输出传输S-NET也采用了平衡传输，都具有很高的信噪比，传感器采集网络和采集器网络完全独立，网络电气相互隔离、分工协作、发挥各自的优势，进一步提高了网络系统的传输效率和安全性，同时这有效提高了系统可靠性和抗干扰能力。这些都是此系统在高精度、高稳定要求场合特别是大设备、机组性能测试方面能够得到广泛应用的原因。
参考文献
[1]王运路.王立.孙实文. IMP 应用系统的调试技术. 西安: 西安交通大学出版社, 1992: 127-132.
Wang Yunlu. Wang Li. Sun Shiwen. IMP System Technology in application and Commissioning . Xi’an: Xi’an Jiaotong University 1992: 127-132(in Chinese).
[2]GB/T10184—1988, 电站锅炉性能试验规程[S].
[3]GB 8117-1987 电站汽轮机热力性能验收试验规程.
论文作者:刘波1,李琼1,李永亮1,李湧2,李民利2
论文发表刊物:《电力设备》2017年第19期
论文发表时间:2017/11/16
标签：变送器论文; 设备论文; 协议论文; 精度论文; 系统论文; 数据论文; 命令论文; 《电力设备》2017年第19期论文;