基于HRT-710壓力計(jì)量系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)

丁伏林

（蘇州市吳江區(qū)檢驗(yàn)檢測(cè)中心，江蘇 蘇州 215200）

HRT-710 是臺(tái)灣泓格（ICP DAS）生產(chǎn)的MODBUS 與HART 工業(yè)協(xié)議轉(zhuǎn)換器，其在眾多自動(dòng)化控制領(lǐng)域中被廣泛運(yùn)用。壓力儀表的數(shù)據(jù)通信接口包括：串口RS232/485、網(wǎng)口RJ45 和HART 電流環(huán)。壓力計(jì)量系統(tǒng)通過(guò)上述通信接口實(shí)現(xiàn)壓力儀表的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控和出廠及周期標(biāo)定。在工業(yè)儀表現(xiàn)場(chǎng)很多壓力儀表受接線限制，只能通過(guò)HART 協(xié)議采集4mA ～20mA 電流環(huán)上的數(shù)據(jù)，應(yīng)用HRT-710 就能很好地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和儀表計(jì)量標(biāo)定，大大簡(jiǎn)化了壓力儀表計(jì)量的操作流程[1]。

圖1 HRT-710的模塊區(qū)塊圖Fig.1 Block diagram of HRT-710

1 工業(yè)網(wǎng)關(guān)

HRT-710 是Modbus 從站轉(zhuǎn)HART 主站的網(wǎng)關(guān)，允許Modbus 主站所下達(dá)的命令通過(guò)此模塊來(lái)快速存取HART 從站設(shè)備。通過(guò)配套的上位機(jī)工具軟件HG Tool 在無(wú)需修改程序的情況下，快捷方便地設(shè)置HRT-710 的模塊參數(shù)并快速存取HART 設(shè)備的信息。HRT-710 支持下列 Modbus 功能 碼（Function Code）：01-Read Coil Status，讀 取Modbus裝置之?dāng)?shù)字輸出狀態(tài)；02-Read Input Status，讀取Modbus裝置之?dāng)?shù)字輸入狀態(tài)；03-Read Holding Registers，讀取Modbus 裝置之模擬輸出狀態(tài)；04-Read Input Registers，讀取Modbus 裝置之模擬輸入狀態(tài)；05-Write Single Coil，寫入Modbus 裝置之單點(diǎn)數(shù)字輸出值；06-Write Single Register，寫入Modbus 裝置之單點(diǎn)模擬輸出值；15-Force Multi. Coils， 寫入Modbus 裝置之多點(diǎn)數(shù)字輸出值；16-Write Multi. Registers，寫入Modbus 裝置之多點(diǎn)模擬輸出值。COM 端口規(guī)格：支持RS-232/ RS-422/ RS-485 通訊接口，9-pin 端子，傳輸速率1200 bps ～115200 bps，數(shù)據(jù)格式/數(shù)據(jù)位：7/8，校驗(yàn)：None/Odd/Even，停止位：1/2。

HART 規(guī)格：支持1 個(gè)通道的連接，2-pin 接線端子，支持HART 主站操作模式，且支持所有HART 命令，支持HART 短幀及長(zhǎng)幀通訊格式，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)（Point to Point）及多點(diǎn)通訊網(wǎng)（Multi-drop），最大支持同時(shí)15 個(gè)HART 設(shè)備通訊，同時(shí)100 個(gè)用戶命令及32 個(gè)系統(tǒng)默認(rèn)命令。為了數(shù)據(jù)傳送/接收之穩(wěn)定及數(shù)據(jù)易于辨識(shí)，HRT-710 在同一時(shí)間，僅能使用其中一種串行通訊連接（RS-232 或RS-485 或RS-422）。例如：HRT-710 的RS-232 通訊端口是采用三線式通信連接，將HRT-710 的TX 腳位與RS-232 設(shè)備的RX腳位連接，而HRT-710 的RX 腳位與RS-232 設(shè)備的TX腳位連接，接地端對(duì)接即可[2]。

圖2 兩線制內(nèi)置250Ω接線圖Fig.2 Wiring diagram of two wire system with 250Ω

2 硬件連接

HART 回路接線方式分為兩種：“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”模式和“多點(diǎn)”模式?，F(xiàn)場(chǎng)壓力儀表計(jì)量多采用一對(duì)一方式進(jìn)行連接采集和計(jì)量校準(zhǔn)，壓力計(jì)量?jī)x表分為兩線制和四線制，兩線制的有壓力變送器、差壓變送器、遠(yuǎn)傳壓力表，而四線制的有壓力控制器、一體化壓力記錄儀等。在HRT-710 模塊中，有一個(gè)跨接器（JP4），該跨接器可提供HART 通訊250Ω（1/4 w）的電阻，當(dāng)JP4 的1 和2 腳位短接時(shí)，該電阻將會(huì)連接到HART 的通訊網(wǎng)絡(luò)上；反之，當(dāng)JP4 的2 和3 腳位短接或JP4 空接時(shí)，該電阻將不會(huì)連接到HART 通訊網(wǎng)絡(luò)上。JP4 的1 和2 腳默認(rèn)是短接模式[3]。

“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”模式時(shí)，模擬信號(hào)用來(lái)進(jìn)行主要變量的信息傳遞，數(shù)字信號(hào)則可用于其他變量及數(shù)據(jù)的存取、維修和診斷的目的。在此模式下，HART 通信網(wǎng)絡(luò)中僅允許存在1個(gè)HART 從站設(shè)備且地址必須為0[4]。

圖4 四線制內(nèi)置250Ω接線圖Fig.4 Wiring diagram of four wire system with built-in 250Ω

圖5 HRT-710實(shí)現(xiàn)協(xié)議轉(zhuǎn)換示意圖Fig.5 Schematic diagram of protocol conversion in HRT-710

3 壓力計(jì)量

建立PC 與模塊之通訊聯(lián)機(jī)，連接PC 與HRT-710 模塊間的Com Port 通訊端口，打開工具程序HG_Tool.exe，若與模塊的通訊連接成功，則交通號(hào)志圖標(biāo)會(huì)顯示為綠燈。刪除HRT-710 之前預(yù)設(shè)的內(nèi)容，加入新的HART 設(shè)備設(shè)定內(nèi)容，選擇“Auto Configure”選項(xiàng)為“Enable”或者“Disable”，點(diǎn)選“Save to Device”鈕來(lái)觸發(fā)儲(chǔ)存HART設(shè)備設(shè)定內(nèi)容至HRT-710 模塊。點(diǎn)選“Device Information”功能選項(xiàng)，點(diǎn)選鼠標(biāo)右鍵，并點(diǎn)選“Basic operation”選項(xiàng)，如果連接正常，窗口表格中顯示不同的數(shù)字，否則表格中的數(shù)字都為0。當(dāng)新增HART 設(shè)備時(shí)，HRT-7(3)10 模塊會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生兩個(gè)預(yù)設(shè)命令“Default CMD(0)”及“Default CMD(3)”，分 別是HART 命令0 及命令3。設(shè)備多100 個(gè)User CMD，Index 值范圍0 ～99，其狀態(tài)值對(duì)應(yīng)MB 位址1050 ～1099，即每個(gè)MB 地址表示2 個(gè)User CMD 狀態(tài)值。例如：若MB 地址1050 為0x0200，即1050L 資料為0x00，1050H 資料為0x02，則表示User CMD Index 值=0 之狀態(tài)為0x00，而User CMD Index 值=1 之狀態(tài)為0x02[5]。

程序HG_Tool.exe 工具組包含9 個(gè)部分功能塊，分別為：

1）通信設(shè)置（Communication Settings）

2）模塊信息（Device Information）

3）模塊組態(tài)（Device Configuration）

4）預(yù)設(shè)輸出（Default Output Data）

5）地址配置（Address Map）

6）模塊診斷（Device Diagnostic）

7）穿透模式（Through Mode）

8）數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換（Format Translation）

圖6 HRT-70組態(tài)參數(shù)信息Fig.6 Configuration parameter information of HRT-70

9）關(guān)于（About）

以壓力計(jì)量?jī)x表為例，壓力儀表支持HART 協(xié)議，首先選擇COM 端口并配置參115200-8-n-1 進(jìn)行連接，完成通信設(shè)置；此時(shí)將顯示HRT-710 的內(nèi)部組態(tài)，當(dāng)點(diǎn)選窗口左側(cè)的項(xiàng)目時(shí)，在窗口的右側(cè)會(huì)顯示出該項(xiàng)目的相關(guān)信息，如圖6 所示。具體的參數(shù)包括：System Output 部分（狀態(tài)重置、自動(dòng)輪詢、手動(dòng)觸發(fā)、用戶觸發(fā)命令索引、數(shù)據(jù)傳送）和System Input 部分（狀態(tài)機(jī)、詢問次數(shù)、回應(yīng)次數(shù)、接收錯(cuò)誤次數(shù)、錯(cuò)誤狀態(tài)、錯(cuò)誤索引和Update 升級(jí)）；壓力計(jì)量?jī)x表的HART 協(xié)議棧通常包括一般命令、通用命令和專有命令。HART 支持的命令有：0, 1, 2, 3, 6, 11, 12, 13,14, 15, 16, 17, 18 和19，不同HART 命令會(huì)有不同的窗口接口，如圖7 所示可以讀取壓力儀表的PV1、PV2、PV3、PV4 數(shù)值及對(duì)應(yīng)單位信息（不同單位在HART 協(xié)議中有固定對(duì)應(yīng)的數(shù)字編碼）[2]。

圖7 HART命令讀取儀表數(shù)據(jù)Fig.7 Hart command reading instrument data

壓力儀表的計(jì)量系統(tǒng)通常涉及到監(jiān)控和校準(zhǔn)兩部分。數(shù)據(jù)監(jiān)控是通過(guò)HRT-710 的modbus 轉(zhuǎn)HART 將兩線制壓力儀表4mA ～20mA 電流環(huán)上采集的數(shù)據(jù)循環(huán)讀取至后端數(shù)據(jù)平臺(tái)，由于HART 協(xié)議的信息包含壓力值PV 的單位信息，因而后端平臺(tái)可以較好地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和對(duì)應(yīng)單位的記錄。此外，壓力儀表的校準(zhǔn)主要用于出廠校準(zhǔn)和周期校準(zhǔn)，儀表的出廠校準(zhǔn)包括多點(diǎn)壓力標(biāo)定、溫度補(bǔ)償、4mA ～20mA 電流環(huán)標(biāo)定（含溫度補(bǔ)償），HART 協(xié)議除了支持單一采集之外，也可以用于多個(gè)儀表的組網(wǎng)標(biāo)定，一般支持1 ～15 個(gè)被校儀表，而周期標(biāo)定一般用于壓力儀表使用后期的二次標(biāo)定。由于零點(diǎn)漂移和線性漂移等原因，壓力的壓力計(jì)量特性和4mA ～20mA 輸出會(huì)出現(xiàn)誤差，此時(shí)往往應(yīng)用HART 協(xié)議對(duì)被校壓力儀表進(jìn)行一對(duì)一的壓力兩點(diǎn)校準(zhǔn)和4mA ～20mA 電流輸出校準(zhǔn)[6,7]。

4 結(jié)論

本文介紹了應(yīng)用臺(tái)灣泓格HRT-710 實(shí)現(xiàn)HART 與Modbus-RTU 的協(xié)議轉(zhuǎn)換和后續(xù)壓力計(jì)量系統(tǒng)的搭建過(guò)程。壓力儀表不同的HART 接線方式及上位機(jī)配置軟件HG_Tool.exe 的參數(shù)配置，詳細(xì)介紹了基于HART 協(xié)議的壓力計(jì)量系統(tǒng)的設(shè)置過(guò)程和工作模式。經(jīng)測(cè)試比較，基于HRT-710 的壓力計(jì)量系統(tǒng)可以較穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)工業(yè)壓力儀表的數(shù)據(jù)采集和周期標(biāo)定，比傳統(tǒng)串口RS485 采集更靈活，不受布線限制且功能穩(wěn)定高效，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)效果。