基于HRT-710壓力計量系統的研究與實現

丁伏林

（蘇州市吳江區檢驗檢測中心，江蘇 蘇州 215200）

HRT-710 是臺灣泓格（ICP DAS）生產的MODBUS 與HART 工業協議轉換器，其在眾多自動化控制領域中被廣泛運用。壓力儀表的數據通信接口包括：串口RS232/485、網口RJ45 和HART 電流環。壓力計量系統通過上述通信接口實現壓力儀表的數據實時監控和出廠及周期標定。在工業儀表現場很多壓力儀表受接線限制，只能通過HART 協議采集4mA ～20mA 電流環上的數據，應用HRT-710 就能很好地實現數據的采集和儀表計量標定，大大簡化了壓力儀表計量的操作流程[1]。

圖1 HRT-710的模塊區塊圖Fig.1 Block diagram of HRT-710

1 工業網關

HRT-710 是Modbus 從站轉HART 主站的網關，允許Modbus 主站所下達的命令通過此模塊來快速存取HART 從站設備。通過配套的上位機工具軟件HG Tool 在無需修改程序的情況下，快捷方便地設置HRT-710 的模塊參數并快速存取HART 設備的信息。HRT-710 支持下列 Modbus 功能 碼（Function Code）：01-Read Coil Status，讀 取Modbus裝置之數字輸出狀態；02-Read Input Status，讀取Modbus裝置之數字輸入狀態；03-Read Holding Registers，讀取Modbus 裝置之模擬輸出狀態；04-Read Input Registers，讀取Modbus 裝置之模擬輸入狀態；05-Write Single Coil，寫入Modbus 裝置之單點數字輸出值；06-Write Single Register，寫入Modbus 裝置之單點模擬輸出值；15-Force Multi. Coils， 寫入Modbus 裝置之多點數字輸出值；16-Write Multi. Registers，寫入Modbus 裝置之多點模擬輸出值。COM 端口規格：支持RS-232/ RS-422/ RS-485 通訊接口，9-pin 端子，傳輸速率1200 bps ～115200 bps，數據格式/數據位：7/8，校驗：None/Odd/Even，停止位：1/2。

HART 規格：支持1 個通道的連接，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 短幀及長幀通訊格式，點對點（Point to Point）及多點通訊網（Multi-drop），最大支持同時15 個HART 設備通訊，同時100 個用戶命令及32 個系統默認命令。為了數據傳送/接收之穩定及數據易于辨識，HRT-710 在同一時間，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 設備的RX腳位連接，而HRT-710 的RX 腳位與RS-232 設備的TX腳位連接，接地端對接即可[2]。

圖2 兩線制內置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：“點對點”模式和“多點”模式。現場壓力儀表計量多采用一對一方式進行連接采集和計量校準，壓力計量儀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，有一個跨接器（JP4），該跨接器可提供HART 通訊250Ω（1/4 w）的電阻，當JP4 的1 和2 腳位短接時，該電阻將會連接到HART 的通訊網絡上；反之，當JP4 的2 和3 腳位短接或JP4 空接時，該電阻將不會連接到HART 通訊網絡上。JP4 的1 和2 腳默認是短接模式[3]。

“點對點”模式時，模擬信號用來進行主要變量的信息傳遞，數字信號則可用于其他變量及數據的存取、維修和診斷的目的。在此模式下，HART 通信網絡中僅允許存在1個HART 從站設備且地址必須為0[4]。

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

圖5 HRT-710實現協議轉換示意圖Fig.5 Schematic diagram of protocol conversion in HRT-710

3 壓力計量

建立PC 與模塊之通訊聯機，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，則交通號志圖標會顯示為綠燈。刪除HRT-710 之前預設的內容，加入新的HART 設備設定內容，選擇“Auto Configure”選項為“Enable”或者“Disable”，點選“Save to Device”鈕來觸發儲存HART設備設定內容至HRT-710 模塊。點選“Device Information”功能選項，點選鼠標右鍵，并點選“Basic operation”選項，如果連接正常，窗口表格中顯示不同的數字，否則表格中的數字都為0。當新增HART 設備時，HRT-7(3)10 模塊會自動產生兩個預設命令“Default CMD(0)”及“Default CMD(3)”，分 別是HART 命令0 及命令3。設備多100 個User CMD，Index 值范圍0 ～99，其狀態值對應MB 位址1050 ～1099，即每個MB 地址表示2 個User CMD 狀態值。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 之狀態為0x00，而User CMD Index 值=1 之狀態為0x02[5]。

程序HG_Tool.exe 工具組包含9 個部分功能塊，分別為：

1）通信設置（Communication Settings）

2）模塊信息（Device Information）

3）模塊組態（Device Configuration）

4）預設輸出（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）數據格式轉換（Format Translation）

圖6 HRT-70組態參數信息Fig.6 Configuration parameter information of HRT-70

9）關于（About）

以壓力計量儀表為例，壓力儀表支持HART 協議，首先選擇COM 端口并配置參115200-8-n-1 進行連接，完成通信設置；此時將顯示HRT-710 的內部組態，當點選窗口左側的項目時，在窗口的右側會顯示出該項目的相關信息，如圖6 所示。具體的參數包括：System Output 部分（狀態重置、自動輪詢、手動觸發、用戶觸發命令索引、數據傳送）和System Input 部分（狀態機、詢問次數、回應次數、接收錯誤次數、錯誤狀態、錯誤索引和Update 升級）；壓力計量儀表的HART 協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 數值及對應單位信息（不同單位在HART 協議中有固定對應的數字編碼）[2]。

圖7 HART命令讀取儀表數據Fig.7 Hart command reading instrument data

壓力儀表的計量系統通常涉及到監控和校準兩部分。數據監控是通過HRT-710 的modbus 轉HART 將兩線制壓力儀表4mA ～20mA 電流環上采集的數據循環讀取至后端數據平臺，由于HART 協議的信息包含壓力值PV 的單位信息，因而后端平臺可以較好地實現數據和對應單位的記錄。此外，壓力儀表的校準主要用于出廠校準和周期校準，儀表的出廠校準包括多點壓力標定、溫度補償、4mA ～20mA 電流環標定（含溫度補償），HART 協議除了支持單一采集之外，也可以用于多個儀表的組網標定，一般支持1 ～15 個被校儀表，而周期標定一般用于壓力儀表使用后期的二次標定。由于零點漂移和線性漂移等原因，壓力的壓力計量特性和4mA ～20mA 輸出會出現誤差，此時往往應用HART 協議對被校壓力儀表進行一對一的壓力兩點校準和4mA ～20mA 電流輸出校準[6,7]。

4 結論

本文介紹了應用臺灣泓格HRT-710 實現HART 與Modbus-RTU 的協議轉換和后續壓力計量系統的搭建過程。壓力儀表不同的HART 接線方式及上位機配置軟件HG_Tool.exe 的參數配置，詳細介紹了基于HART 協議的壓力計量系統的設置過程和工作模式。經測試比較，基于HRT-710 的壓力計量系統可以較穩定地實現工業壓力儀表的數據采集和周期標定，比傳統串口RS485 采集更靈活，不受布線限制且功能穩定高效，達到了預期的設計效果。