董景辰 1 引言
HART协议自1983年成为开放协议以来已经整整走过20年。鉴于当时的技术状况，具备HART协议通讯能力的现场仪表（以下称HART仪表）比较昂贵，使用量不大。另外，当时能够与HART仪表进行通讯的也只有手持器，能够与HART协议通讯配套的硬件和软件产品很少。因此，用户中逐步形成了一种看法，似乎HART仪表中数字信号的作用仅仅只是进行零点、量程远方整定和故障诊断，其它没有什么用处。
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。现在支持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。同时，HART仪表的价格也大幅度地下降，在国内已经与模拟仪表的价格十分接近。HART仪表已经不再是“奢侈品”。支持HART仪表与上位计算机通讯的配套硬件和软件也十分丰富。因此，现在可以在新的形势下重新评估一下HART协议数字信号的作用。为此，HART协议基金会最近发动了一个活动，叫做“释放潜力”（Unleash the Power）。借此引起用户们对HART协议的再次重视。
在当今现场总线技术已经十分火爆的时候，对HART协议的这种评估是否有实际意义呢？事实上，一项先进技术被用户接受是要相当长的时间的。DCS系统从1975年问世到在中国普遍采用几乎花了15年的时间。现场总线技术肯定比HART协议更加完整、更加先进、功能更加丰富，但是它的推广也同样需要时间。而现在在HART仪表已经相当普及的情况下，用户只要花很少的投资，就可以享受到许多实实在在的好处。我们为什么不去做呢？
2 HART协议能够给用户带来什么好处
每一个HART仪表的数字信号中平均能提供35~40项信息。要充分利用这些信息，唯一的条件就是要与HART仪表建立连续的、长期的通讯联系。如果只是偶尔用手持器与HART仪表进行短时间的通讯，那么，HART协议的潜力是无法发挥出来的。一旦与HART仪表建立了长期的通讯联系，用户将可以从四个方面获益：
(1) 便于仪表和控制回路的调试。
HART仪表都能提供仪表本身的信息，包括仪表的型号、测量范围、制造厂名称、材料、工位号等，因此，调试人员从屏幕上就能知道各个工位上安装的仪表是否是正确的仪表，而不必到现场去一一确认。
HART仪表还能提供仪表组态的量程范围、量程上、下限值。这些组态参数是否与DCS系统中相应的组态参数匹配，这在调试中是很关键的。如果两者不匹配，就会引起控制策略不能正常执行或者引起虚假报警。利用HART仪表的信息就可以很方便地在屏幕上加以确认，并进行参数的重新整定。
调试人员还可以在控制回路调试时，通过HART通讯使HART仪表输出一个指定的模拟信号，然后观察控制回路的动作，以确定控制回路是否能正常工作。也可以利用这种方法来启动报警或安全连锁系统，确认这些系统的动作是否正确。
(2) 在系统运行时，协助运行人员做出正确的判断，减少系统意外停车。
在系统运行中出现的报警或异常，无非是过程引起的或者是仪表引起的。HART通讯可以帮助运行人员判断是否有仪表引起异常。由于HART仪表在每一次通讯中都给出仪表的状态信息，因此，运行人员可以非常确切地知道现在有哪些仪表的工作是正常的。从而，他们可以把注意力放到那些提供“故障”信息或者“不确定”信息的仪表上，大大缩小了他们的监视范围。一旦出现报警，他们能够准确地判断是仪表的原因还是过程的原因。
HART仪表还可以对其输出的模拟信号进行验证。当运行人员怀疑某台仪表的模拟信号有问题时，他们可以将其与该仪表的同一个过程变量的数字信号进行比较，来判断信号是否出现了问题。美国有一家炼油厂，因为一台液位变送器的输出信号连接处出现结露而引起部分短路，但运行人员又无法判断信号的可信性，最终造成溢罐，工厂全部停工，直接损失30万美元。如果采用HART仪表，就可以避免这类损失。
在一些安全连锁系统中，还可以直接引入HART仪表的状态信息。一旦仪表出现故障信息，就可以直接触发安全系统动作，不必等到过程发生大的偏差后再报警动作，提高了控制系统的安全性。
(3) 通过网络进行现场仪表的维护管理，大大提高了仪表维护工作的效率。
首先，维护人员可以根据HART仪表的信息建立一个该仪表的“私人”档案。包括仪表的型号、制造厂、使用日期、所在工位、校验日期和结果，采用的特殊材料或者灌冲液体等。
其次，由于HART仪表不断向系统提供仪表自身的状态信息，因此，仪表维修人员对在线仪表的工作状态十分清楚。不像采用模拟仪表时，只能依靠经验和推理来怀疑某台仪表有问题，然后到现场去拆卸，送到仪表车间校验，而结果往往仪表是正常的。现在，维修人员到现场去是有的放矢，不但减少了去现场的次数，而且不会空跑。
如果发现仪表故障信息后，再对仪表进行深一步的询查，还可以从HART仪表的信息中得到更为详细的故障信息，能够初步判断仪表的故障类型。因此，可以携带正确的工具和备件到现场去，避免无谓的来回跑动。
另外还可以根据HART仪表内部的统计信息预测仪表需要维修的日期。这主要用于阀门等有磨损产生的仪表。HART仪表可以对阀杆的动作次数进行统计，可以计算阀杆的累计运动里程数。当这个数字与制造厂提供的部件寿命指标接近时，就表示这台阀门将需要维修。有了这样的预测，工厂可以更合理地配备维修资源，在最合适的时机购买备件，把维修计划制定得更科学。对一些随着时间会发生性能老化的传感器，也可以采用这种预测方法。
(4) 利用HART仪表中的多个过程变量测量值，或者采用多挂接方式，可以节省仪表的数量。
一般，HART仪表可以提供最多四个变量的测量值。把这些信号利用起来可以减少仪表的数量，也可以减少主设备上的仪表安装孔。如果采用多挂接的方式，则可以节省电缆、端子板、配电器等设备的数量。但是一定要注意的是，只有过程对数据更新的速度要求很低的情况下，才能采用这种办法。一般HART仪表在一秒钟内只能通讯1~2次。在多挂接状态下，一个网段上如果挂接15台仪表，则它的信息更新时间大约要10~15秒。
3 如何实现与HART仪表长期、连续的通讯
(1) 通过DCS联接
绝大部分DCS系统在它们比较新的版本中都已经能够直接接收HART数字信号。如Foxboro在2002年5月发表了新的HART协议输入模块，每个模块可以接受8路4~20mA模拟信号和HART协议数字信号。新装置在德国一个石油乙烯工厂得到应用，该厂有2 000台HART仪表和800台HART调节阀。改造只是在原来的I/A系统上更换了新的I/O模块，并更换了软件版本。现在已经可以进行设备的网络管理以及实施前瞻性维护。
Honeywell公司的Experion PKS系统可以提供两种模块，一种是8路输入，一种是8路输出，都是既可以接受4~20mA信号又可以接受HART数字信号。HART的数字信号可以通过ControlNet在控制系统中传输。
ABB则是通过它的Industrial IT来接受HART数字信号的。HART仪表被接入Industril IT系统的I/O子系统，然后通过Profibus，进入控制系统。HART通讯也可以用在ABB的老系统上，例如，Advant、Symphony、Freelance 2000。
西门子开发了大量的HART远方I/O、HART modem、HART接口、HART多路切换器等产品。它的HART I/O可以作为其APACS系统的一部分。
Emerson则把HART作为它Delta-V系统的标准配置，所有I/O模块都能接受HART数字信号。而它的Ovation、Provox和RS3系统也都能接受HART信号。对Provox老系统，需要把I/O模块和I/O端子条升级。对RS3系统则应把I/O的电子部分升级。
(2) 如果工厂已经有DCS系统，而且短期内也没有升级或更换的打算。那么可以选择网关作为把HART信号接入DCS系统的低成本通讯工具。常用的有多路切换器、RS-232串口以及将HART信号转到以太网、Modbus、Profibus的网关。Mactec公司生产的Viator HART PC是一个串行modem，插入PC机后，能够使PC机与HART仪表通讯。通过这种modem可以运行西门子公司的SIMATIC PDM和其他设备管理软件（AMS）。P+F公司则采用把HART信号转为RS-485的多路切换器。通过RS-485传送的HART信号可以被Emerson公司的AMS，Applied Systems Technologies公司的Cornerstone以及P+F公司的PACTware等软件所接收使用。如果将一个主多路切换器和若干个从多路切换器串接在一起，最多可以把7905台HART仪表接入一台PC。
(3) 对一些比较小的系统，还可以采用Moore公司生产的SPA信号分离器。SPA在接受HART仪表的信号后，将其中的HART数字信号分离出来，然后再转换成4~20mA模拟信号或者开关信号，例如将三个辅助过程变量转化成4~20mA，把仪表状态信号和自诊断报警信号转化为开关信号等，再把转换后的模拟信号和开关量信号送入已有控制系统。
4 关于HART Server
还有一个更通用、更灵活的办法可以把HART仪表连入已有的控制系统，那就是通过与OPC兼容的工具软件HART Server。这个方法执行起来很简单，也很便宜。所需要的只不过是一台PC，从HART基金会购买HART Server软件和配备需要的多路切换器或者串口modem。
PC可以是任何机型，只要能够运行Windows 95/98/NT/2000就行。运行HART Server程序时不需要键盘和显示器，所以，它可以做的体积很小，采用工业防护标准的外壳，并设计成低功耗。
HART Server软件可以与HART仪表进行通讯，然后把HART数据转换成OPC数据。这时，就可以和任何内装OPC客户通讯软件包的应用软件实现通讯。实际上，几乎所有的HMI软件，设备管理软件（Asset Management）和软逻辑软件都内装有OPC客户接口，所以HART Server工具可以把几乎所有的应用软件与HART仪表连接起来。通过HART Server，多个用户（系统）可同时访问同一台HART仪表，也可以一个用户同时访问多台HART仪表。它还具有向无线手持设备（如PDA）传送数据的功能。
我国对HART技术的开发是从1996年国家“九?五”科技重大项目攻关开始的。由国内主要的仪表制造企业―上海自仪股份有限公司、四联仪器仪表集团公司、西仪集团公司和北京华控技术有限公司以及国内主要的自动化仪表研究所―上海工业自动化仪表研究所和重庆工业自动化仪表研究所6个企业组织联合开发。攻关的成果有通过HART基金会认证的HART协议通讯软件包、HART温度变送器、HART压力/差压变送器、HART电动执行器、HART阀门定位器、HART电磁流量计、HART/RS-485多路切换开关、HART安全栅等产品以及HART手持器和HART组态软件包。可以说，我国已经掌握了HART协议的核心技术。目前，上海工业自动化仪表研究所、北京华控技术有限公司推出用于压力/差压变送器的HART电子园卡，年销售量接近一万块。上海自仪股份有限公司、西仪集团公司、上海威尔泰股份公司、北京华控技术有限公司都相继推出HART压力/差压变送器产品，四联仪器仪表集团公司和上海自仪股份有限公司推出HART电动执行器和阀门定位器，都有较好的性能价格比。为了确保开发的HART仪表能够实现可互操作，中国仪器仪表行业协会现场总线专委会还专门成立了中国HART仪表登录管理办公室。因此，现在中国已具备了进一步推广HART技术的条件。 | 
