摘 要：通过ABB公司的FCM2000质量流量计的使用，介绍了利用变送器组态端口，在HART协议基础上，将4-20mA电流信号经过HART适配器解调成计算机可以识别的数字信号，通过RS485/RS232转换器引入计算机，提供流量计数据采集问题的方法。

关键字：ABB 质量流量计 HART 通信 帧

    1 引言

    2009年9月，某公司油品水路出厂安装了两台ABB公司的FCM2000质量流量计，一台是苯原料进厂，另一台是苯乙烯产品出厂。由于该表安装于罐区现场，需要在远程进行数据采集和监控，但仪表出厂时没有附加通信处理板，故该表不能进行数字通信。经过与厂家联系，确认在该表的31、32端子上提供了基于电流信号的HART通信，为了实现流量计的数据采集，在不增加成本的基础上，只能考虑在电流口上采集信号了。该端口提供了4-20mA电流信号和HART信号，可以输出瞬时流量、密度、仪表系数等信息，一般仅用于275、375手操器组态用。考虑到计量人员需要同时观察出厂苯乙烯的累计量、瞬时流量、温度、密度等信号，以便在流量计工作过程中监督工艺情况，了解是否有气化、抽空等情况发生。为了克服人工抄表带来的弊端，减少事故的发生，有必要在计算机上对该类仪表进行实时远程监控。

    2 系统组成

    苯乙烯出厂采集系统包括上位机、通信转换适配器和流量计，由于采用了基于4-20mA的HART协议，必须要对电流信号进行转换，以便计算机可以识别，为此系统采用了某电子公司生产的SM100-BHART协议转RS485智能适配器。系统结构如图1所示。

图1 系统结构图

    两块仪表分别用一对屏蔽电缆从31、32端口引到500米远的计量室，接入SM100-B适配器。适配器上电缆的接法必须根据变送器供电电源和信号是否分开来确定，即区分变送器是两线制还是四线制。二线制传输方式中，二根导线同时传送变送器所需的电源和电流信号，目前大多数变送器均为二线制；四线制方式中，供电电源和变送器输出信号分别用二根导线传输。由于ABB质量流量计的变送器采用的是四线制，HART适配器端的接法如图2所示。

图2 HART适配器接线图

    3 HART协议

    HART（HighwayAddressableRemoteTransduce）r，即可寻址远程传感器高速通道通信协议。HART信号传输是基于BELL202通信标准，采用FSK（频移键控）方法，数字信号的传送波特率为1200b/s，数字信号“0”和“1”分别用1200Hz和2200Hz的正弦波表示，这些频率的正弦波叠加在模拟信号上一起传送。由于FSK信号平均值为零，对模拟信号不会产生任何影响，HART属于模拟系统向数字系统转变的过渡性产品。HART规定了3类命令，第1类称为通用命令，这是所有设备都执行的命令；第2类称为一般行为命令，所提供的功能可以在许多现场设备中实现；第3类称为特殊设备命令，以便于在某些设备中实现特殊功能。

    HART工作于OSI网络7层协议的数据链路层，其协议规定了数据通信是以帧的格式传送，HART帧由链路同步信息、地址信息、用户数据以及校验码组成，HART帧又分为请求帧、应答帧和阵发帧。请求帧和应答帧的主要差别在于应答帧包含了数据通信状态和变送器的工作状态，如图3，图4所示。

图3 HART请求帧格式

图4 HART应答帧格式    

    链路同步码：HART协议采用2到20个十六进制的“FF”字节作为接收设备的同步信息，主设备可通过链路层管理命令设定同步字节个数，ABB流量计变送器采用的是8个“FF”组成的同步码；定界符：表示HART帧的开始，定义了帧的类型及寻址格式。如长帧的请求帧定界符为“82”，应答帧定界符为“86”；命令号：表示现场仪表所要执行的功能，命令号的有效范围为0～255。常见的有0、2、3、6、11、33等命令，本系统仅使用0和3命令，0为取变送器地址，3为采集流量、密度等变量数据；字节长度：表示后续数据的长度，也是HART帧的结束位置，对于有的命令该字节总为0；响应码：应答帧包含两个字节的响应码，前一字节表示数据通信状态及现场仪表命令执行结果，当最高位为1时，数据通信出错，最高位为0时，表示现场仪表命令执行结果成功；数据字节：表示与命令相关的数据；校验码：表示从定界符开始对所有字节进行异或运算，以确保通信无差错。

    为了加快采集速度，程序设计一开始用0号命令将两台变送器的设备地址取出来，分别放到两个数组变量中。当连续用3号命令请求取数据时，可在命令帧中直接引用设备地址，就不必重复取设备地址，缩短了仪表的访问时间。取得HART地址为“1”的变送器设备地址信息的请求帧如图5所示。

图5

图6    

    返回的响应帧如下：

    FF FF FF FF FF FF FF FF 06 81 00 0E 00 88 FE 12 13 08 05 00 02 00 00 00 05 2D D9

    接下来进行变量采集，需要上述响应帧中的5个字节121300052D：其中12是制造厂代码，13是设备类型，不同厂家的变送器该位是不同的。00052D是设备标识数的连续3个字节，00是高位，2D是低位。12还要加上80变成92表示发送方为主机，最后921300052D序列作为3号命令的设备地址。图6是采集1＃表的累计量、流量、温度、密度等数据的请求帧：

    由变送器返回的响应帧中，命令号“03”后第4个字节起，每5个字节为一组，分别对应变送器的温度、密度、瞬时流量、累计量等各变量，每组变量中5个字节的末字节为计量单位代码，可忽略。通过VisualBASIC程序将每组中前4个字节的IEEE754格式的16进制转成十进制小数，就可以显示流量计的实时数据了。

    4 结语

    通过HART模块将ABB仪表的数据采集到系统，充分利用了现有仪表资源，降低了成本，经过3个月的运行，情况良好。采用本方案对于其他类型的没有数字通信口，但有HART组态端口的仪表，具有推广应用价值，在此基础上还可以实现在远程完成对仪表进行组态和调校的工作。

    参考文献

    [1]潘洪跃.基于HART协议的质量流量计RFT9712通信软件的开发［J］.计量技术，2002，03：19-20.
    [2]阳宪惠.现场总线技术及其应用［M］.北京：清华大学出版社，2008.
    [3]李昌禧.智能仪表原理与设计［M］.北京：化学工业出版社，2005.