基于HART协议的智能仪表实现在线诊断管理系统的设计
1、 智能仪表的广泛应用
随着过程控制技术和智能仪表的发展，dcs已经在石油、化工、钢铁、冶金和电力等领域得到广泛的应用，实现了企业生产操作的高度自动化。智能传感器技术的发展和微电子技术的成熟，也为充分发挥dcs的优越性提供了可靠的保证。
基于hart协议的智能仪表已经在dcs中得到广泛应用。如何最大限度地利用先期制造生产的自动化系统的昂贵投资，在已有智能仪表设备和 dcs的基础上，在不影响原有dcs正常工作的情况下，构成企业智能仪表的在线诊断和管理系统，并向局域网发布实时智能仪表信息，让实时过程管理扩展到现场信息系统的每个领域，已经成为自动化领域有待解决的技术课题。针对企业现场生产的实际，能满足上述需要的在线诊断和管理系统显得尤为必要。本文将探讨一种在线诊断管理系统的设计和实现方法。
2 、系统体系结构
该系统主要由智能仪表、hart协议通讯装置、hart服务器通讯软件（包括com 服务器软件和opc服务器软件）、数据库、上位机管理软件（包括应用服务器和客户端）组成。智能仪表主要是指基于hart协议的仪表，常见类型有差压变送器、压力变送器、阀门定位器、流量计等。hart协议通讯装置负责采集和传输智能仪表的数字信号，通过亚当模块传送给上位机的rs一232串口，由com 服务器软件对该数据进行解析，并通过 sql server数据库对采集数据进行实时存储，其他自动化系统可以通过opc通讯服务器软件对现场仪表的数据进行远程访问。应用服务器主要功能是对现场智能仪表进行组态与监控，提供可视化用户界面，方便用户操作。客户端负责在网络上发布现场智能仪表的监控信息，连接情况等。系统体系结构如图1所示。
3、 hart协议通讯装置
3．1 hart协议通讯装置概述
hart协议通信装置在不影响现有dcs正常运行的前提下将现场hart智能仪表的数字信号从模拟信号中剥离，完成仪表基本信息和过程变量的读取，并通过rs一232传送给上位机；同时支持上位机常用特殊命令的转发，读取仪表的特殊命令信息并返回给上位机。hart协议通信装置和hart协议通信服务器软件配合完成对现场hart智能仪表的信息读取、命令转发。并提供足够的接口组件，方便应用服务器软件的开发和扩展。可以根据hart协议通信服务器软件提供的接口，自定义开发应用服务器软件的界面和功能，实现对hart智能仪表的组态和监控。
hart协议通信装置的主体部分是安装于端子板支架上的若干块hart协议网桥（本文以20块网桥为例进行说明），通过rs一485总线连接并与上位机进行通讯，网桥地址可以选择0～30的任意值，但不可重复。20块网桥默认地址为按安装位置顺序1～20。
每块hart协议网桥可以采集12路hart信号，因此hart协议通信装置可以实现与240台hart智能仪表的独立通信。符合hart协议的信号经hart网桥处理后，通过rs一485通讯线并经rs一485／rs-232转换器转换为rs一232信号进入计算机。20块hart 协议网桥采用24 v／1 a电源统一供电，rs一485／rs一232转换器采用24 v／o．5 a 电源独立供电。hart协议通信装置的系统连接示意图如图2所示。
3．2 hart协议网桥fw581
fw581的原理框图如图3所示。硬件电路主要包括：中央处理器（cpu）、hart调制解调器（modem）及耦合电路、与现场仪表的信号选择及隔离电路、rs一485接口电路、wdt电路等几个部分。
fw581分为两层，通过两组排针相连接。上层板包括dc—dc模块、cpu模块、rs一485接口模块、地址设置模块、指示灯等。上层板的 cpu模块和rs一485接口模块放在板子的背面，这使得fw581更加美观和安全。下层板的两对rs一485总线接口是对等并接的，方便同一rs一 485总线上多块fw581的接线。
fw581的rs一485通讯信号必须通过rs一485／rs一232转换器，转换成rs一232信号后，才能和上位管理软件通讯。通讯速率为19．2 kbps。
fw581可以采用冗余的两路24 v电源供电。两对rs一485总线接口对等并接，方便多块fw581的接线。上层板有4个指示灯用于显示 fw581的工作状态；拨键开关用于设置fw581的地址。fw581地址的设置通过上层板上的sw4ol拨键开关实现。拨键开关上的“1”是最低位；“8”是最高位；“on”一侧表示逻辑1；反之是逻辑o。地址设置符合二进制编码，因此拨键开关直接显示卡件的二进制地址。将二进制数转变成十进制数后，就是卡件的十进制地址。
4 、hart通信服务器软件
与hart协议通信装置配套的hart通信服务器软件，包括com 服务器和opc服务器。com 服务器实现与hart 网桥的串行通讯，向hart网桥下发对仪表基本信息和过程变量的读取命令，接收并处理hart网桥传上来的仪表过程变量和报警信息；并且支持向下转发特殊的hart协议命令，实现对现场hart仪表的组态和监控。opc服务器将现场hart仪表信号传输到opc服务器工作站。hart server通讯服务器接口说明见表 1所列。
hart 协议的命令共包括三种：通用命令，普通命令和特殊命令。通用命令对所有遵循hart协议的智能设备都适用，主要由读制造厂商和设备类型、读主变量值和单位、读动态变量值和主变量电流等；普通命令对大多数hart智能设备都通用，但不是全部，用于常用操作。主要有读选择的过程变量、写主变量量程值、非主变量超限等。特殊命令由具体的hart设备生产厂商针对具体应用而定。com 服务器提供的大多数组件接口都是基于通用命令，对于普通命令和特殊命令可以通过harttrans组件的transfunc接口来直接下发和解析。
5 、上位机管理软件的结构和功能
某石化企业的中控室中，有1台hart仪表通讯柜，1台服务器，2台pc机，各类hart智能仪表200多台。随着企业现代化管理制度建立的逐步深入，通过hart手操器对智能仪表进行组态和监测已经显得很低效。采用基于windows—nt平台的sid智能仪表在线诊断与在线管理系统，充分发挥智能仪表的数字通讯和智能化功能，通过网络实现现场实时智能仪表的远程管理、操作和维护，直观全面地反映现场实时设备的状态信息和过程信息。
5．1 软件结构
智能仪表在线诊断与在线管理系统采用目前较为流行的服务器／客户机（server／client）模式，多个客户端可以共享服务器的实时信息，用户可以通过服务器远离现场对智能仪表进行检测和维护。这种模式的特点是专业性强，安全性好，交互能力强。com 通讯服务器采集数据后，存人指定的数据库中，由应用服务器从数据库中读取实时信息，然后通过客户端进行网络发布。但是采用这种结构也有一定的缺陷，就是不易维护，集成困难。如果应用服务器的仪表视图发生改变，为了保证客户端与应用服务器的仪表视图保持一致性，由客户端直接通过网络下载视图数据进行视图更新，从而避免了客户端软件升级所带来的繁琐。
5．2 软件的主要功能
根据管理要求，智能仪表在线诊断与在线管理系统应具备的主要功能：现场设备视图模块，能根据智能仪表的生产厂商、设备类型和设备位号组织视图，也能按控制回路组织设备，便于用户了解每台设备的具体位置，还能按设备的网络连接情况组织视图，便于用户了解设备在哪台转换器的哪个接口上；设备访问功能模块主要完成和智能仪表的通讯，获取智能仪表的参数，对智能仪表进行组态，检测设备的实时状态信息；记录审查模块：记录操作人员对现场设备所做的修改操作，包括操作内容的旧值和新值，操作的时间和操作的原因，记录现场设备的报警状态，包括报警的设备、报警的时问和报警的内容，便于管理人员及时做出准确的决策。
5．3 传输hart命令的特殊通道
com 服务器已经很好地解决了与一些智能仪表的通讯，但如果智能仪表遵循的hart协议为特殊命令，则必须通过com 服务器提供的特殊通道才能正常通讯，也就是harttrans组件的transfunc函数。从智能仪表采集上来的数据，最初是二进制的代码。这就需要根据数据链路层的帧格式与ieee 754标准把数据转化成十进制。但各个hart命令的格式各不相同，所以需要对每条命令进行单独的解析。以1号通用命令为例进行说明。当1 号命令通过特殊通道下发到仪表后，返回的数据如下。
共有9个字节，每个字节由2位十六进制数组成，其中第1个字节为hart命令号，目前为1号通用命令；第2个字节为从第3个字节开始的字节数；第3个和第4个字节为本次响应码的校验码；第5个，第9个字节为当前智能仪表的pv值，且满足ieee 754标准。ieee 574单精度浮点标准规定如表2所列。
表2中，s表示尾数的符号，1为负，0为正；e表示指数，与十进制数127的差值以二进制补码形式表示；m 表示尾数；上述浮点数的值通过把2的无偏移指数次方与24位尾数相乘得到。24位尾数由一个假设的最高位1，后跟一个小数点，和尾数的23位组成。
v= s1.m × 2e一127
最后5 个字节组成的二进制数为00111100 01001101 11000111 01011110，经过转化后的十进制值约为12．559 413 9％ ，通过仪表显示读取的值为12．559 ，基本相同。
5．4 com 服务器的轮巡时间
在智能仪表在线诊断与管理系统软件运行之前，必须要进行com 服务器初始化，目的是为了获取当前hart协议通讯装置中正在正常工作的 hart 网桥和现场在线的智能仪表，共轮巡2次。经过实验和推算，在2o个网桥正常工作并且每个网桥满载（每个网桥挂接12台智能仪表，共240台智能仪表）的情况下，com 服务器的初始化约为7 min，如果智能仪表的数量更多，则com服务器的初始化事件会更加长一些。
6、 结束语
hart协议通讯装置稳定性好，上位机软件操作简单，大大改善了传统仪表管理模式的低效，进一步提高了企业的自动化程度和办公效率。
苹果销量下滑的最主要原因是iPhone价格太昂贵
万业企业：拟启动员工持股计划，完善公司利益共享机制
华为鸿蒙OS 2.0什么时候推送，面向的机型有哪些
博世两家工厂荣获ROI中国工业4.0杰出贡献奖
芯茂微推出高可靠TO220F-6封装大功率电源芯片
基于HART协议的智能仪表实现在线诊断管理系统的设计
不要升级！iOS10.2.1要近2G内存却只是修复BUG
采用IH3605湿度传感器实现汽车空调一体化系统的设计
鸿蒙OS 跨设备迁移
华为P60是5g手机吗 是什么芯片?
美菱智能工厂全速落地 技术融合催生产品迭代升级
西门子CT扫描仪速度比最快CT还快2倍
MACOM固定衰减器
2022 Sigrity Aurora SPB 17.4 版本更新 I 支持生成同轴电缆和双绞线模型并进行仿真
小米利好不断 强势进军欧洲市场
填充母料水分测定仪技术资料
跑步耳机是挂脖好还是无线好，适合跑步的无线蓝牙耳机
壹周新讯第三代至强可扩展处理器简介
一种新型小型化窄带腔体滤波器的设计
28byj48步进电机的控制电路设计
随着过程控制技术和智能仪表的发展，dcs已经在石油、化工、钢铁、冶金和电力等领域得到广泛的应用，实现了企业生产操作的高度自动化。智能传感器技术的发展和微电子技术的成熟，也为充分发挥dcs的优越性提供了可靠的保证。
基于hart协议的智能仪表已经在dcs中得到广泛应用。如何最大限度地利用先期制造生产的自动化系统的昂贵投资，在已有智能仪表设备和 dcs的基础上，在不影响原有dcs正常工作的情况下，构成企业智能仪表的在线诊断和管理系统，并向局域网发布实时智能仪表信息，让实时过程管理扩展到现场信息系统的每个领域，已经成为自动化领域有待解决的技术课题。针对企业现场生产的实际，能满足上述需要的在线诊断和管理系统显得尤为必要。本文将探讨一种在线诊断管理系统的设计和实现方法。
2 、系统体系结构
该系统主要由智能仪表、hart协议通讯装置、hart服务器通讯软件（包括com 服务器软件和opc服务器软件）、数据库、上位机管理软件（包括应用服务器和客户端）组成。智能仪表主要是指基于hart协议的仪表，常见类型有差压变送器、压力变送器、阀门定位器、流量计等。hart协议通讯装置负责采集和传输智能仪表的数字信号，通过亚当模块传送给上位机的rs一232串口，由com 服务器软件对该数据进行解析，并通过 sql server数据库对采集数据进行实时存储，其他自动化系统可以通过opc通讯服务器软件对现场仪表的数据进行远程访问。应用服务器主要功能是对现场智能仪表进行组态与监控，提供可视化用户界面，方便用户操作。客户端负责在网络上发布现场智能仪表的监控信息，连接情况等。系统体系结构如图1所示。
3、 hart协议通讯装置
3．1 hart协议通讯装置概述
hart协议通信装置在不影响现有dcs正常运行的前提下将现场hart智能仪表的数字信号从模拟信号中剥离，完成仪表基本信息和过程变量的读取，并通过rs一232传送给上位机；同时支持上位机常用特殊命令的转发，读取仪表的特殊命令信息并返回给上位机。hart协议通信装置和hart协议通信服务器软件配合完成对现场hart智能仪表的信息读取、命令转发。并提供足够的接口组件，方便应用服务器软件的开发和扩展。可以根据hart协议通信服务器软件提供的接口，自定义开发应用服务器软件的界面和功能，实现对hart智能仪表的组态和监控。
hart协议通信装置的主体部分是安装于端子板支架上的若干块hart协议网桥（本文以20块网桥为例进行说明），通过rs一485总线连接并与上位机进行通讯，网桥地址可以选择0～30的任意值，但不可重复。20块网桥默认地址为按安装位置顺序1～20。
每块hart协议网桥可以采集12路hart信号，因此hart协议通信装置可以实现与240台hart智能仪表的独立通信。符合hart协议的信号经hart网桥处理后，通过rs一485通讯线并经rs一485／rs-232转换器转换为rs一232信号进入计算机。20块hart 协议网桥采用24 v／1 a电源统一供电，rs一485／rs一232转换器采用24 v／o．5 a 电源独立供电。hart协议通信装置的系统连接示意图如图2所示。
3．2 hart协议网桥fw581
fw581的原理框图如图3所示。硬件电路主要包括：中央处理器（cpu）、hart调制解调器（modem）及耦合电路、与现场仪表的信号选择及隔离电路、rs一485接口电路、wdt电路等几个部分。
fw581分为两层，通过两组排针相连接。上层板包括dc—dc模块、cpu模块、rs一485接口模块、地址设置模块、指示灯等。上层板的 cpu模块和rs一485接口模块放在板子的背面，这使得fw581更加美观和安全。下层板的两对rs一485总线接口是对等并接的，方便同一rs一 485总线上多块fw581的接线。
fw581的rs一485通讯信号必须通过rs一485／rs一232转换器，转换成rs一232信号后，才能和上位管理软件通讯。通讯速率为19．2 kbps。
fw581可以采用冗余的两路24 v电源供电。两对rs一485总线接口对等并接，方便多块fw581的接线。上层板有4个指示灯用于显示 fw581的工作状态；拨键开关用于设置fw581的地址。fw581地址的设置通过上层板上的sw4ol拨键开关实现。拨键开关上的“1”是最低位；“8”是最高位；“on”一侧表示逻辑1；反之是逻辑o。地址设置符合二进制编码，因此拨键开关直接显示卡件的二进制地址。将二进制数转变成十进制数后，就是卡件的十进制地址。
4 、hart通信服务器软件
与hart协议通信装置配套的hart通信服务器软件，包括com 服务器和opc服务器。com 服务器实现与hart 网桥的串行通讯，向hart网桥下发对仪表基本信息和过程变量的读取命令，接收并处理hart网桥传上来的仪表过程变量和报警信息；并且支持向下转发特殊的hart协议命令，实现对现场hart仪表的组态和监控。opc服务器将现场hart仪表信号传输到opc服务器工作站。hart server通讯服务器接口说明见表 1所列。
hart 协议的命令共包括三种：通用命令，普通命令和特殊命令。通用命令对所有遵循hart协议的智能设备都适用，主要由读制造厂商和设备类型、读主变量值和单位、读动态变量值和主变量电流等；普通命令对大多数hart智能设备都通用，但不是全部，用于常用操作。主要有读选择的过程变量、写主变量量程值、非主变量超限等。特殊命令由具体的hart设备生产厂商针对具体应用而定。com 服务器提供的大多数组件接口都是基于通用命令，对于普通命令和特殊命令可以通过harttrans组件的transfunc接口来直接下发和解析。
5 、上位机管理软件的结构和功能
某石化企业的中控室中，有1台hart仪表通讯柜，1台服务器，2台pc机，各类hart智能仪表200多台。随着企业现代化管理制度建立的逐步深入，通过hart手操器对智能仪表进行组态和监测已经显得很低效。采用基于windows—nt平台的sid智能仪表在线诊断与在线管理系统，充分发挥智能仪表的数字通讯和智能化功能，通过网络实现现场实时智能仪表的远程管理、操作和维护，直观全面地反映现场实时设备的状态信息和过程信息。
5．1 软件结构
智能仪表在线诊断与在线管理系统采用目前较为流行的服务器／客户机（server／client）模式，多个客户端可以共享服务器的实时信息，用户可以通过服务器远离现场对智能仪表进行检测和维护。这种模式的特点是专业性强，安全性好，交互能力强。com 通讯服务器采集数据后，存人指定的数据库中，由应用服务器从数据库中读取实时信息，然后通过客户端进行网络发布。但是采用这种结构也有一定的缺陷，就是不易维护，集成困难。如果应用服务器的仪表视图发生改变，为了保证客户端与应用服务器的仪表视图保持一致性，由客户端直接通过网络下载视图数据进行视图更新，从而避免了客户端软件升级所带来的繁琐。
5．2 软件的主要功能
根据管理要求，智能仪表在线诊断与在线管理系统应具备的主要功能：现场设备视图模块，能根据智能仪表的生产厂商、设备类型和设备位号组织视图，也能按控制回路组织设备，便于用户了解每台设备的具体位置，还能按设备的网络连接情况组织视图，便于用户了解设备在哪台转换器的哪个接口上；设备访问功能模块主要完成和智能仪表的通讯，获取智能仪表的参数，对智能仪表进行组态，检测设备的实时状态信息；记录审查模块：记录操作人员对现场设备所做的修改操作，包括操作内容的旧值和新值，操作的时间和操作的原因，记录现场设备的报警状态，包括报警的设备、报警的时问和报警的内容，便于管理人员及时做出准确的决策。
5．3 传输hart命令的特殊通道
com 服务器已经很好地解决了与一些智能仪表的通讯，但如果智能仪表遵循的hart协议为特殊命令，则必须通过com 服务器提供的特殊通道才能正常通讯，也就是harttrans组件的transfunc函数。从智能仪表采集上来的数据，最初是二进制的代码。这就需要根据数据链路层的帧格式与ieee 754标准把数据转化成十进制。但各个hart命令的格式各不相同，所以需要对每条命令进行单独的解析。以1号通用命令为例进行说明。当1 号命令通过特殊通道下发到仪表后，返回的数据如下。
共有9个字节，每个字节由2位十六进制数组成，其中第1个字节为hart命令号，目前为1号通用命令；第2个字节为从第3个字节开始的字节数；第3个和第4个字节为本次响应码的校验码；第5个，第9个字节为当前智能仪表的pv值，且满足ieee 754标准。ieee 574单精度浮点标准规定如表2所列。
表2中，s表示尾数的符号，1为负，0为正；e表示指数，与十进制数127的差值以二进制补码形式表示；m 表示尾数；上述浮点数的值通过把2的无偏移指数次方与24位尾数相乘得到。24位尾数由一个假设的最高位1，后跟一个小数点，和尾数的23位组成。
v= s1.m × 2e一127
最后5 个字节组成的二进制数为00111100 01001101 11000111 01011110，经过转化后的十进制值约为12．559 413 9％ ，通过仪表显示读取的值为12．559 ，基本相同。
5．4 com 服务器的轮巡时间
在智能仪表在线诊断与管理系统软件运行之前，必须要进行com 服务器初始化，目的是为了获取当前hart协议通讯装置中正在正常工作的 hart 网桥和现场在线的智能仪表，共轮巡2次。经过实验和推算，在2o个网桥正常工作并且每个网桥满载（每个网桥挂接12台智能仪表，共240台智能仪表）的情况下，com 服务器的初始化约为7 min，如果智能仪表的数量更多，则com服务器的初始化事件会更加长一些。
6、 结束语
hart协议通讯装置稳定性好，上位机软件操作简单，大大改善了传统仪表管理模式的低效，进一步提高了企业的自动化程度和办公效率。
苹果销量下滑的最主要原因是iPhone价格太昂贵
万业企业：拟启动员工持股计划，完善公司利益共享机制
华为鸿蒙OS 2.0什么时候推送，面向的机型有哪些
博世两家工厂荣获ROI中国工业4.0杰出贡献奖
芯茂微推出高可靠TO220F-6封装大功率电源芯片
基于HART协议的智能仪表实现在线诊断管理系统的设计
不要升级！iOS10.2.1要近2G内存却只是修复BUG
采用IH3605湿度传感器实现汽车空调一体化系统的设计
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2022 Sigrity Aurora SPB 17.4 版本更新 I 支持生成同轴电缆和双绞线模型并进行仿真
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