不斷集成創(chuàng)新的HART通信協(xié)議

方原柏,王 駿

(1.昆明儀器儀表學(xué)會(huì),云南 昆明 650228;2.現(xiàn)場(chǎng)總線通信集團(tuán),上海 200082)

0 引言

20世紀(jì)80年代初期,現(xiàn)場(chǎng)儀表中數(shù)字微型處理器的應(yīng)用,促成了現(xiàn)場(chǎng)儀表的數(shù)字化、多變量化發(fā)展。傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)儀表與控制系統(tǒng)間常用4～20 mA模擬信號(hào),本身存在2次轉(zhuǎn)換的誤差且只能傳遞單個(gè)變量,難以滿足新需求。全數(shù)字化、雙向、多變量的通信協(xié)議既可以去除模擬信號(hào)多次轉(zhuǎn)換誤差,又可以提高傳輸過程中的信號(hào)可信度,并且可以在控制系統(tǒng)與現(xiàn)場(chǎng)儀表間同時(shí)提供多個(gè)變量值與狀態(tài)信息的傳輸。這種新型的數(shù)字協(xié)議成為當(dāng)時(shí)的迫切需求。

某些控制系統(tǒng)供應(yīng)商自行開發(fā)了數(shù)字協(xié)議與智能設(shè)備通信。按照其思維慣例,這些數(shù)字協(xié)議除了向少數(shù)幾個(gè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備供應(yīng)商發(fā)放許可證并允許他們使用以外,不向其他廠商開放。這些數(shù)字協(xié)議包括日本橫河公司的BRAIN協(xié)議、霍尼韋爾公司的數(shù)字增強(qiáng)(digital enhancement,DE)協(xié)議等。自控界的用戶和供應(yīng)商對(duì)這種封閉的數(shù)字協(xié)議很不滿意,期盼開發(fā)一種可以在多個(gè)供應(yīng)商之間通用的開放式數(shù)字協(xié)議。

1986年,羅斯蒙特公司制定了可尋址遠(yuǎn)程傳感器高速通道(highway addressable remote transducer,HART)開放式通信協(xié)議。作為從模擬系統(tǒng)向數(shù)字系統(tǒng)的過渡性現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議,HART既兼容4～20 mA模擬信號(hào)儀表的智能化解決方案,又具備現(xiàn)場(chǎng)總線的優(yōu)越性。HART設(shè)備使用的數(shù)字協(xié)議可提供目前來看相對(duì)較低的帶寬和適度響應(yīng)時(shí)間的通信。開放式協(xié)議在當(dāng)時(shí)有著革命性貢獻(xiàn),且性能優(yōu)良。

從技術(shù)角度來看,HART通信協(xié)議是將數(shù)字信號(hào)疊加在4～20 mA模擬信號(hào)上,并且不影響模擬信號(hào)。這在開創(chuàng)新技術(shù)的同時(shí)又兼容了現(xiàn)有技術(shù),在確保現(xiàn)有系統(tǒng)仍可運(yùn)行的情況下增添了更加豐富的、用于過程測(cè)量和控制的數(shù)字信息。

此外,HART通信協(xié)議以其開放性受到了儀表供應(yīng)商和終端用戶的歡迎。經(jīng)過30多年的發(fā)展,HART通信協(xié)議已十分成熟。目前,主要的控制系統(tǒng)和資產(chǎn)管理系統(tǒng)均支持HART協(xié)議。HART數(shù)據(jù)可以通過軟件連接器輕松地與其他歷史軟件和企業(yè)軟件集成。從十多年前開始,在HART通信基金會(huì)(現(xiàn)為現(xiàn)場(chǎng)總線通信集團(tuán))的引領(lǐng)下,通過對(duì)原有技術(shù)不斷創(chuàng)新,從HART5到HART7,發(fā)展了WirelessHART、HART-互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議(Internet protocol,IP)、HART-IP over Ethernet-高級(jí)物理層(advanced physical layer,APL)等技術(shù)。HART設(shè)備在全球的安裝數(shù)量已超過4 000萬臺(tái)[1]。HART通信協(xié)議已成為全球智能儀表的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

本文介紹了HART通信協(xié)議的特點(diǎn)及有線HART、WirelessHART、HART-IP、HART-IP over Ethernet-APL等通信技術(shù)的不斷創(chuàng)新應(yīng)用。

1 HART通信協(xié)議概述及發(fā)展歷程

HART作為工業(yè)通信協(xié)議,符合國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(international organization for standardization,ISO)/開放式系統(tǒng)互連(open system interconnect,OSI)七層模型。HART通信協(xié)議是較早被列入IEC 61158現(xiàn)場(chǎng)總線通信規(guī)范中的標(biāo)準(zhǔn)(Type20),并于2013年正式成為我國現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 29910。

從20世紀(jì)末期開始廣泛應(yīng)用的HART5開始,到2001年的HART6,再到2007年推出的HART7,HART通信協(xié)議不斷完善,形成了如圖1所示的HART通信協(xié)議架構(gòu)[2]。

圖1 HART通信協(xié)議架構(gòu)圖

有線HART通信協(xié)議兼容各種不同的物理層,如4～20 mA+ 頻移鍵控(frequency shift keying, FSK)/相移鍵控(phase shift keying,PSK)、RS-485等,并且采用了基于令牌傳輸機(jī)制的數(shù)據(jù)鏈路層,以確保通信的可靠性。WirelessHART基于IEEE 802.15.4的2.4 GHz物理層,并采用了針對(duì)工業(yè)應(yīng)用特別開發(fā)的鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層,在確保通信可靠性的同時(shí)增強(qiáng)了信息安全特性。為了確保用戶體驗(yàn)的一致性以及HART通信協(xié)議一貫堅(jiān)持的兼容性原則,無論采用哪種物理媒介和網(wǎng)絡(luò)鏈路方式,HART通信協(xié)議均制定了統(tǒng)一的傳輸層和面向流程工業(yè)的應(yīng)用層規(guī)范(即HART命令集)。

20世紀(jì)末期推出的HART5,是全球范圍內(nèi)廣泛采用的HART通信協(xié)議。通過FSK的載波方式,兩線4～20 mA測(cè)控回路中可實(shí)現(xiàn)雙向數(shù)字通信。通過基于設(shè)備描述(device description,DD)的手持操作器產(chǎn)品(例如早期的Rosemount275),可以實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)儀表的參數(shù)組態(tài)和信息查看。這極大地優(yōu)化了工程調(diào)試和維修檢驗(yàn),使得HART5獲得了迅速而廣泛的應(yīng)用。但因?yàn)镠ART5的局限性,早期的HART數(shù)字通信除了在儀表安裝和維護(hù)過程中發(fā)揮作用,并沒有獲得全面應(yīng)用,所以控制系統(tǒng)仍以4～20 mA模擬信號(hào)為主。

21世紀(jì)初,Windows等大型計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)的普及以及流程工藝的不斷復(fù)雜化,對(duì)現(xiàn)場(chǎng)儀表的智能信息獲取及數(shù)字通信提出了更高的要求。HART6的出現(xiàn)正是為了滿足HART通信協(xié)議的全時(shí)數(shù)字通信需求。相較于HART5,HART6規(guī)范在以下方面作了增強(qiáng)。

①新增更高速的兩線物理層PSK載波方式(遺憾的是該技術(shù)沒有實(shí)現(xiàn)商用)。

②新增數(shù)字輸入/輸出(input/output,I/O)系統(tǒng)應(yīng)用,以及配套的RS-485物理層和HART-IP規(guī)范。

③增強(qiáng)了現(xiàn)場(chǎng)儀表的智能功能(更多的測(cè)量、配置和狀態(tài)信息)。

隨著系統(tǒng)集成應(yīng)用的不斷擴(kuò)展,以及無線通信需求的出現(xiàn),HART7規(guī)范在2007年推出,并已成為目前的主流。這推動(dòng)了HART通信協(xié)議在數(shù)字通信領(lǐng)域的全面應(yīng)用。

HART7主要在以下方面作了增強(qiáng)。

①新增WirelessHART無線通信技術(shù)。

②HART-IP及數(shù)字I/O功能的不斷完善。

③HART猝發(fā)模式的增強(qiáng)及SafeHART規(guī)范。

④現(xiàn)場(chǎng)儀表系統(tǒng)集成應(yīng)用的進(jìn)一步增強(qiáng)(儀表狀態(tài)信息、主機(jī)類型識(shí)別及容錯(cuò)處理、測(cè)量值時(shí)間戳、NE-107合規(guī))。

HART技術(shù)的不斷演進(jìn),在兼容已有系統(tǒng)和保護(hù)用戶投資的基礎(chǔ)上順應(yīng)了企業(yè)數(shù)字化變革,特別是滿足了主流控制系統(tǒng)架構(gòu)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(industry Internet of Things,IIoT)轉(zhuǎn)型升級(jí)的需求。這些主流架構(gòu)包括NAMUR的開放流程自動(dòng)化架構(gòu)(NAMUR open process architecture,NOA)、開放流程自動(dòng)化論壇(open process architecture forum, OPAF)的開放流程自動(dòng)化架構(gòu)(open process architecture, OPA)等。

2 有線HART技術(shù)

有線HART通信協(xié)議通常指兩線4～20 mA測(cè)控回路通過FSK載波數(shù)字通信的技術(shù),是自HART5以來應(yīng)用較為廣泛的HART通信協(xié)議。

有線HART通信協(xié)議采用基于Bell202標(biāo)準(zhǔn)的FSK信號(hào),在低頻的4～20 mA模擬信號(hào)上疊加幅度為±0.5 mA的頻率數(shù)字信號(hào)進(jìn)行雙向數(shù)字通信。數(shù)字信號(hào)的幅度為±0.5 mA。數(shù)據(jù)傳輸率為1 200 bit/s。疊加在模擬信號(hào)上的有線HART數(shù)字信號(hào)如圖2所示。

圖2 疊加在模擬信號(hào)上的有線HART數(shù)字信號(hào)

圖2中:1 200 Hz表示為邏輯“1”;2 200 Hz表示為邏輯“0”。因?yàn)镕SK信號(hào)的平均值為0,不會(huì)影響與控制系統(tǒng)間模擬信號(hào)的大小,所以保證了與現(xiàn)有模擬系統(tǒng)的兼容性。

有線HART通信協(xié)議雖然僅采用了單對(duì)線纜,但包含2個(gè)信號(hào)傳輸通道:過程的主測(cè)量和控制信息由4～20 mA傳送(對(duì)應(yīng)模擬頻段0～25 Hz);其他測(cè)量、過程參數(shù)、設(shè)備組態(tài)、校準(zhǔn)、診斷信息等通過HART通信協(xié)議中的數(shù)字通道傳送(對(duì)應(yīng)FSK通信頻段為0.95～2.5 kHz)。

有線HART協(xié)議具有以下優(yōu)點(diǎn)[3]。

①雙向通信。

模擬量信號(hào)只能單向傳送信息,如從現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備傳送到控制室(輸入),或從控制室傳送到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備(輸出)。HART協(xié)議可以雙向(輸入、輸出)傳送信息。

②多種類型信息。

模擬量信號(hào)只能傳送過程變量,而HART設(shè)備可以傳送數(shù)十個(gè)標(biāo)準(zhǔn)信息項(xiàng),如設(shè)備狀態(tài)和診斷報(bào)警、過程變量和測(cè)量單位、回路電流和百分比范圍、生產(chǎn)商和設(shè)備標(biāo)簽等?？蓚魉偷钠渌畔⑦€包括主機(jī)以數(shù)字方式查詢HART設(shè)備時(shí)回復(fù)的設(shè)置是否正確、運(yùn)行是否正常。多種類型的信息有助于在故障導(dǎo)致重大事故前預(yù)測(cè)過程故障,以免除大多數(shù)日常維護(hù)工作。

③多變量?jī)x表。

數(shù)字通信模式下,1對(duì)電纜可以處理多個(gè)變量,如1個(gè)流量變送器可以處理差壓、壓力、溫度這3個(gè)傳感器的輸入。其在1個(gè)報(bào)文中能處理4個(gè)過程變量。對(duì)于任何1臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)儀表,HART通信協(xié)議都支持多達(dá)240個(gè)過程變量。

④互操作性。

用戶可采購不同供貨商的HART產(chǎn)品。該產(chǎn)品可在同一個(gè)系統(tǒng)協(xié)同工作,而不會(huì)受制于某個(gè)特定的供貨商。

⑤兼容性。

兼容模擬信號(hào)、數(shù)字信號(hào)傳送。用戶可選擇相應(yīng)I/O設(shè)備,以接收模擬信號(hào)、數(shù)字信號(hào)或同時(shí)接收模擬及數(shù)字信號(hào)。

大多數(shù)用戶使用的HART設(shè)備只是將4～20 mA模擬信號(hào)傳送到上位控制系統(tǒng),以實(shí)現(xiàn)基本的過程控制。對(duì)這些用戶而言,HART通信協(xié)議的優(yōu)勢(shì)只是使用手持通信器進(jìn)行HART現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的工程安裝/試車、故障排除和校準(zhǔn)。使用手持通信器進(jìn)行HART現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的故障排除和校準(zhǔn)如圖3所示。

圖3 使用手持通信器進(jìn)行HART現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的故障排除和校準(zhǔn)

當(dāng)用戶需要了解HART現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的數(shù)字信息(如設(shè)備狀態(tài)和診斷報(bào)警、過程變量和測(cè)量單位、回路電流和百分比范圍、生產(chǎn)商和設(shè)備標(biāo)簽等)時(shí),要將數(shù)字信號(hào)傳送到上位控制系統(tǒng)或資產(chǎn)管理系統(tǒng)。

HART設(shè)備信息向上位控制系統(tǒng)傳送如圖4所示。

圖4 HART設(shè)備信息向上位控制系統(tǒng)傳送示意圖

通常采用的HART設(shè)備信息的上位控制系統(tǒng)傳遞方式是通過可編程邏輯控制器(programmable logic controller, PLC)或分布式控制系統(tǒng)(distributed control system,DCS)中具有HART通信協(xié)議功能的I/O卡件(見圖4左側(cè))進(jìn)行傳遞。國外產(chǎn)品包括美國艾默生公司DeltaV的KJ300-X1-BA1輸入模塊、KJ300-X1-BE1輸出模塊,日本橫河公司DCS的AAI14-H輸入模塊、AAI841-H I/O模塊。國內(nèi)產(chǎn)品包括浙江中控公司ECS100的FW351H 8路HART電流信號(hào)輸入卡、FW372H 8路HART電流信號(hào)輸出卡等。除此之外,另一種方式是選用多路復(fù)用器采集HART設(shè)備的數(shù)字信號(hào)并轉(zhuǎn)換成所需信號(hào)輸出。如:倍加福HiDMux2700H多路復(fù)用器可以實(shí)現(xiàn)32臺(tái)設(shè)備的HART信號(hào)轉(zhuǎn)換成RS-485信號(hào);還有多家國內(nèi)外公司可提供HART/Modbus、HART/Profibus-DP、HART/Ethernet等多種類型的多路(如8路、16路、32路等)復(fù)用器設(shè)備(見圖4右下方)。

到21世紀(jì)20年代,HART通信協(xié)議的4～20 mA設(shè)備占全球已安裝儀表的大多數(shù),是近40年來業(yè)界頗受信任的通信協(xié)議。但遺憾的是,大多數(shù)HART設(shè)備擁有的眾多數(shù)據(jù)未能采用圖4所示方式傳送到控制系統(tǒng)。這導(dǎo)致HART設(shè)備傳送信息中的部分?jǐn)?shù)字未能得到充分利用。目前,這一狀態(tài)正在改變。特別是近年我國很多大型石化項(xiàng)目已經(jīng)開始逐步使用資產(chǎn)管理系統(tǒng)(asset management system, AMS)。這就是要充分利用已有現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的HART通信協(xié)議能力,提供用戶關(guān)注的診斷、報(bào)警等智能信息。

3 WirelessHART技術(shù)

2007年9月發(fā)布的HART7增加了無線網(wǎng)絡(luò)作為可替換常規(guī)4～20 mA回路的物理層。當(dāng)使用HART7定義的無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí),就是所謂的WirelessHART。WirelessHART是1種針對(duì)過程自動(dòng)化應(yīng)用的無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議,推出的目的是讓用戶在保持現(xiàn)有設(shè)備、工具和系統(tǒng)一致性的基礎(chǔ)上,為HART通信協(xié)議增加無線功能。2008年9月19日,WirelessHART通信規(guī)范獲得國際電工標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)(International Electrotechnical Commission,IEC)的認(rèn)可,成為公共、可用的規(guī)范(IEC/PAS 62591Ed.1),并于2013年成為中國國家標(biāo)準(zhǔn)。作為開放式的、可互操作的無線通信標(biāo)準(zhǔn),WirelessHART用于滿足流程行業(yè)對(duì)于實(shí)時(shí)工廠應(yīng)用中可靠、穩(wěn)定和安全的無線通信需求[4]。

WirelessHART是HART的無線版本。WirelessHART無線現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備以無線方式將信息傳輸?shù)絎irelessHART網(wǎng)關(guān)后,首先使用HART-IP技術(shù)將來自WirelessHART無線現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中的HART信息組合成IP數(shù)據(jù)包,并在更高帶寬的以太網(wǎng)上向控制系統(tǒng)和AMS傳輸;然后通過應(yīng)用程序?qū)P數(shù)據(jù)包分解,提供WirelessHART無線現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的數(shù)據(jù)給應(yīng)用程序使用[5]。這一過程是直接通過IP網(wǎng)絡(luò)訪問HART設(shè)備中所有HART信息,無需經(jīng)過任何過程轉(zhuǎn)換,也不會(huì)丟失信息。

WirelessHART系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 WirelessHART系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

WirelessHART已被用于管理來自功能復(fù)雜現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的數(shù)據(jù)流,例如控制閥的閥門定位器和用于大型機(jī)械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)的振動(dòng)傳感器。控制閥的閥門定位器可提供控制閥進(jìn)行故障診斷與維護(hù)的信息,如行程累積、行程方向改變次數(shù)、報(bào)警次數(shù)、死區(qū)自調(diào)整、閥門基線位置(如閥座的磨損)、最高最低溫度下運(yùn)行小時(shí)數(shù)、閥門定位時(shí)間、執(zhí)行機(jī)構(gòu)泄漏、噪聲參數(shù)等。振動(dòng)傳感器可提供旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備進(jìn)行故障診斷與維護(hù)的信息,如溫度、轉(zhuǎn)速、位移、振動(dòng)速度、振動(dòng)加速度、振動(dòng)總量、頻帶能量、整個(gè)頻譜和波形等。上述信息通過HART-IP通信,將原始HART值(包括其原始狀態(tài)和單位代碼)安全地從HART設(shè)備傳輸?shù)娇刂茟?yīng)用程序和其他客戶端。

從HART到WirelessHART,增加的功能不僅有無線通信,還有支持安全、自發(fā)數(shù)據(jù)傳輸、事件通告、塊模式傳輸和高級(jí)診斷等。

4 HART-IP技術(shù)

以太網(wǎng)在20世紀(jì)80年代成為消費(fèi)和商業(yè)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的主流。以太網(wǎng)基于IP網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的協(xié)議,可通過IP層實(shí)現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通。這提高了網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性、分割了頂層網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用和底層網(wǎng)絡(luò)技術(shù)之間的耦合關(guān)系,有利于頂層網(wǎng)絡(luò)和底層網(wǎng)絡(luò)的獨(dú)立發(fā)展。

HART是1種命令/響應(yīng)協(xié)議,即主機(jī)發(fā)出命令、設(shè)備作出響應(yīng)。當(dāng)主機(jī)與眾多設(shè)備通信時(shí),主機(jī)需要知道要向其發(fā)出命令的設(shè)備名稱或地址。這一尋址方案已在HART協(xié)議規(guī)范中被定義。

當(dāng)內(nèi)置HART-IP的WirelessHART網(wǎng)關(guān)向控制系統(tǒng)傳送數(shù)據(jù)時(shí),由HART定義的尋址方案即不再需要,而是使用為每臺(tái)無線設(shè)備分配的IP地址。這樣,原來的HART通信協(xié)議仍然存在于HART-IP中,但4～20 mA模擬信號(hào)已被過程變量和控制指令的高速數(shù)字傳輸所取代。

HART-IP于2007年作為1種用于WirelessHART網(wǎng)關(guān)的高速以太網(wǎng)協(xié)議而被引入,以實(shí)現(xiàn)從WirelessHART網(wǎng)關(guān)收集的HART數(shù)據(jù)傳輸[6]。另外的應(yīng)用案例是多路復(fù)用器、集中式遠(yuǎn)程終端單元(remote terminal unit,RTU)、遠(yuǎn)程I/O系統(tǒng)等設(shè)備與上位控制系統(tǒng)之間的工業(yè)以太網(wǎng)通信。這包括霍尼韋爾、摩爾工業(yè)、菲尼克斯電氣、Procomsol、倍加福、施耐德電氣的Triconex集團(tuán)等公司的產(chǎn)品[7]。

HART設(shè)備信息通過HART-IP向上位控制系統(tǒng)傳送如圖6所示。

圖6 HART設(shè)備信息通過HART-IP向上位控制系統(tǒng)傳送示意圖

2012年,HART-IP列入HART規(guī)范,成為設(shè)備直接與I/O服務(wù)器和主機(jī)通信的1種方法[8]。

HART-IP由HART-IP服務(wù)器和HART-IP客戶端組成,在啟用HART的數(shù)據(jù)發(fā)生器(即現(xiàn)場(chǎng)儀表)和HART數(shù)據(jù)用戶之間實(shí)現(xiàn)基于IP的連接。HART-IP服務(wù)器嵌入到設(shè)備和基礎(chǔ)設(shè)施中,如遠(yuǎn)程HART 4～20 mA I/O和WirelessHART網(wǎng)關(guān)等;HART-IP客戶端并入主機(jī),如PLC、DCS、工廠AMS和邊緣網(wǎng)關(guān)等。

5 HART-IP over Ethernet-APL

以太網(wǎng)從企業(yè)網(wǎng)絡(luò)到工廠網(wǎng)絡(luò),再到控制/現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò),不斷向生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)延伸。事實(shí)上,以太網(wǎng)已被用作工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用的介質(zhì),尤其是在計(jì)算機(jī)、控制器和遠(yuǎn)程I/O之間有許多基于以太網(wǎng)的工業(yè)通信協(xié)議。盡管有線以太網(wǎng)不斷發(fā)展并以指數(shù)級(jí)速度增長(zhǎng),但它在通信距離、供電、防爆和其他方面仍有許多限制,因此不太適合連接工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。

用于過程自動(dòng)化的Ethernet-APL技術(shù)提供了基于單對(duì)以太網(wǎng)的增強(qiáng)物理層。它基于IEEE和IEC標(biāo)準(zhǔn),提供到現(xiàn)場(chǎng)的雙線以太網(wǎng)連接,主要用于將現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備(傳感器和執(zhí)行器)連接到控制網(wǎng)絡(luò)。APL電源交換機(jī)往上層可通過工業(yè)以太網(wǎng)連接控制系統(tǒng)或云應(yīng)用,往下層可以連接多臺(tái)APL現(xiàn)場(chǎng)交換機(jī)。其相互間連線稱為APL主干線(Trunk)。主干線可選擇環(huán)形冗余連接方式。多臺(tái)APL現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備可分組通過APL支線(Spur)與多臺(tái)APL現(xiàn)場(chǎng)交換機(jī)的端口連接。

Ethernet-APL技術(shù)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 Ethernet-APL技術(shù)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

如果系統(tǒng)簡(jiǎn)單,APL現(xiàn)場(chǎng)交換機(jī)也可以通過工業(yè)以太網(wǎng)直接連接控制系統(tǒng)或云應(yīng)用[9]。

帶有Ethernet-APL接口的APL現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備,可支持Ethernet/IP、HART-IP、過程控制的對(duì)象連接與嵌入統(tǒng)一架構(gòu)(object linking and embedding for process control unified architecture,OPC-UA)、Profinet或其他基于以太網(wǎng)的更高級(jí)別自動(dòng)化協(xié)議。其中,運(yùn)行HART-IP協(xié)議的APL現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備可稱為HART-IP over Ethernet-APL。它可使工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)扁平化,并使許多更高級(jí)別的系統(tǒng)能夠直接訪問現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備信息,無需任何復(fù)雜的數(shù)據(jù)傳輸方案就可以實(shí)現(xiàn)監(jiān)控和設(shè)備故障診斷。

Ethernet-APL技術(shù)在防爆區(qū)域使用、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備供電、信息高速傳輸、長(zhǎng)通信距離等方面都能滿足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備應(yīng)用的要求。

由于認(rèn)識(shí)到Ethernet-APL將對(duì)過程自動(dòng)化現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的未來產(chǎn)生巨大影響,在2020年推出的HART-IP v2擴(kuò)展了安全性和其他更多功能,以便更好地滿足物理層以上的過程自動(dòng)化需求。這樣,HART-IP能夠在工廠網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)場(chǎng)儀表層中部署,用于控制等應(yīng)用。

Ethernet-APL是物理層。當(dāng)與支持IP的HART版本HART-IP相結(jié)合時(shí),Ethernet-APL提供了相同的熟悉度、可靠性和易用性,使HART成為過程自動(dòng)化中的主要應(yīng)用協(xié)議。

無論是控制器、資產(chǎn)管理應(yīng)用程序還是其他經(jīng)過認(rèn)證的主機(jī)系統(tǒng),HART-IP允許它們獨(dú)立、安全地訪問并集成測(cè)量參數(shù)、設(shè)備配置和設(shè)備診斷信息。多個(gè)主機(jī)可以同時(shí)與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備交互。以往,現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)只能通過控制系統(tǒng)送到管理層或者商業(yè)層,導(dǎo)致控制系統(tǒng)成為信息傳輸?shù)钠款i。而現(xiàn)在,信息不必通過控制系統(tǒng)就可以從設(shè)備層直接到達(dá)管理層或商業(yè)層。

以HART-IP為基礎(chǔ)的Ethernet-APL系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 以HART-IP為基礎(chǔ)的Ethernet-APL系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖8中,APL現(xiàn)場(chǎng)交換機(jī)直接接入上位控制系統(tǒng)。除了新的Ethernet-APL設(shè)備直接連接到APL現(xiàn)場(chǎng)交換機(jī)以外,WirelessHART網(wǎng)關(guān)也可以接入Ethernet-APL現(xiàn)場(chǎng)交換機(jī)并由其供電,且HART設(shè)備通過APL遠(yuǎn)程I/O以HART-IP方式同樣可以接入Ethernet-APL現(xiàn)場(chǎng)交換機(jī)[10]。這樣,原來支持有線HART、HART-IP的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備現(xiàn)在仍然可用,從而可以保護(hù)終端用戶對(duì)有線HART、HART-IP相關(guān)技術(shù)和培訓(xùn)的投資。

6 結(jié)論

HART技術(shù)在流程工業(yè)中有著30多年的悠久歷史,但在HART通信基金會(huì)(現(xiàn)場(chǎng)總線通信集團(tuán))的引領(lǐng)下,前進(jìn)的步伐一直沒有停息。HART通信基金會(huì)不斷為HART集成新技術(shù),使之與時(shí)俱進(jìn)。

HART技術(shù)作為過程現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn),使現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備從4～20 mA模擬傳輸方式數(shù)字化,提升了現(xiàn)有4～20 mA過程控制系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)字通信能力。同時(shí),HART技術(shù)可以為WirelessHART無線系統(tǒng)提供全數(shù)字化應(yīng)用。作為封裝在IP數(shù)據(jù)包中的簡(jiǎn)單HART-IP,其為多路復(fù)用器等設(shè)備提供了靈活的I/O解決方案,使HART設(shè)備具有與現(xiàn)場(chǎng)總線一樣的減少布線、靈活安裝等優(yōu)點(diǎn)。HART-IP over Ethernet-APL技術(shù)可以采用基于以太網(wǎng)協(xié)議的HART-IP選項(xiàng)。它跨越了信息技術(shù)(information technology,IT)/運(yùn)營技術(shù)(operation technology,OT)鴻溝,可實(shí)現(xiàn)過程自動(dòng)化系統(tǒng)數(shù)據(jù)的高速傳輸和高效可用性。

HART技術(shù)以協(xié)議規(guī)范和一致性測(cè)試/認(rèn)證為根基,在全球自動(dòng)化企業(yè)和終端用戶的努力下,從智能儀表、I/O系統(tǒng),到AMS、DCS/PLC甚至更上一層的企業(yè)級(jí)IT網(wǎng)絡(luò),構(gòu)建了全球流程工業(yè)領(lǐng)域穩(wěn)固的、滿足互聯(lián)-互通-互操作及先進(jìn)應(yīng)用需求的智能現(xiàn)場(chǎng)通信生態(tài)體系。HART技術(shù)在保護(hù)終端用戶已有投資的基礎(chǔ)上,以優(yōu)質(zhì)的性價(jià)比幫助實(shí)現(xiàn)工廠過程控制系統(tǒng)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型。