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基于HART协议智能压力ope电竞官网的粗真空压力自动测量系统设计
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基于HART协议智能压力ope电竞官网的粗真空压力自动测量系统设计

时间:2020-12-04 10:33:11

      摘 要:某大型粗真空系统气路距离远、压力测量点多,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,为此提出了一种基于HART协议,由横河EJA智能压力ope电竞官网和西门子S7-300系列PLC及其SM 331 HART模拟量输入模块等构成的粗真空压力 自动测量系统设计方案。试用结果表明,该系统性能稳定,性价比高,适用性强,为其他HART智能仪表与PLC组建现场总线控制系统(FCS)提供了一种经济可行的方案。2p1压力ope电竞官网_差压ope电竞官网_液位ope电竞官网_温度ope电竞官网

 
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 联网技术领域发展非常活跃的一个方向。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ope电竞官网实现压力测量,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ope电竞官网被广 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协议是目前世界上使用非常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ope电竞官网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。
 
      压力ope电竞官网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ope电竞官网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ope电竞官网是由日本横河电 机株式会社于1994年开发的高性能智能仪表。EJA智能ope电竞官网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ope电竞官网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ope电竞官网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ope电竞官网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ope电竞官网测量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。
粗真空压力测量系统组成框图
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 备和非常基本的现场设备。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,非常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首 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,非常大数据传输速率 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ope电竞官网连接到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HARTope电竞官网有非常好的地址编 号,主机能对每一台ope电竞官网进行操作。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ope电竞官网,4~20 mA模拟信号不再有 效,使每台ope电竞官网工作电流固定在4 mA并且为设备供电,从 而降低总线电流以使功耗非常小。 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,非常多可将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。
基于HART协议的粗真空压力自动测量系统拓扑结构
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ope电竞官网作为现场设备和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ope电竞官网为两线制,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ope电竞官网的被测量、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PLC组建现场总线控制系统(FCS)提供了一种经济可行的方案。
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