摘要：該系統(tǒng)充分利用了HART智能儀表的數(shù)字信息，實(shí)現(xiàn)了對(duì)現(xiàn)場(chǎng)HART智能儀表的在線監(jiān)控，提高了控制系統(tǒng)的可靠性，降低了誤報(bào)警幾率，減少了現(xiàn)場(chǎng)儀表的維護(hù)量并大幅度地降低了維護(hù)費(fèi)用。
關(guān)鍵詞：HART；智能儀表；在線監(jiān)控
Abstract：This system takes use of the digital signal of the smart instruments and realizes the spot smart instrument’S monitoring，which can raise the credibility of the control system，lower false alarm rate and reduce maintenance of the spot smart instruments and the service cost．
Keywords：HART；smart instrument；on Iine monitoring
1 智能儀表的廣泛應(yīng)用
隨著過程控制技術(shù)和智能儀表的發(fā)展，DCS已經(jīng)在石油、化工、鋼鐵、冶金和電力等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了企業(yè)生產(chǎn)操作的高度自動(dòng)化。智能傳感器技術(shù)的發(fā)展和微電子技術(shù)的成熟，也為充分發(fā)揮DCS的優(yōu)越性提供了可靠的保證。
基于HART協(xié)議的智能儀表已經(jīng)在DCS中得到廣泛應(yīng)用。如何最大限度地利用先期制造生產(chǎn)的自動(dòng)化系統(tǒng)的昂貴投資，在已有智能儀表設(shè)備和DCS的基礎(chǔ)上，在不影響原有DCS正常工作的情況下，構(gòu)成企業(yè)智能儀表的在線診斷和管理系統(tǒng)，并向局域網(wǎng)發(fā)布實(shí)時(shí)智能儀表信息，讓實(shí)時(shí)過程管理擴(kuò)展到現(xiàn)場(chǎng)信息系統(tǒng)的每個(gè)領(lǐng)域，已經(jīng)成為自動(dòng)化領(lǐng)域有待解決的技術(shù)課題。針對(duì)企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)的實(shí)際，能滿足上述需要的在線診斷和管理系統(tǒng)顯得尤為必要。本文將探討一種在線診斷管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方法。
2 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)
該系統(tǒng)主要由智能儀表、HART協(xié)議通訊裝置、HART服務(wù)器通訊軟件（包括COM 服務(wù)器軟件和OPC服務(wù)器軟件）、數(shù)據(jù)庫、上位機(jī)管理軟件（包括應(yīng)用服務(wù)器和客戶端）組成。智能儀表主要是指基于HART協(xié)議的儀表，常見類型有差壓變送器、壓力變送器、閥門定位器、流量計(jì)等。HART協(xié)議通訊裝置負(fù)責(zé)采集和傳輸智能儀表的數(shù)字信號(hào)，通過亞當(dāng)模塊傳送給上位機(jī)的RS一232串口，由COM 服務(wù)器軟件對(duì)該數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，并通過 sQL Server數(shù)據(jù)庫對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)存儲(chǔ)，其他自動(dòng)化系統(tǒng)可以通過OPC通訊服務(wù)器軟件對(duì)現(xiàn)場(chǎng)儀表的數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)程訪問。應(yīng)用服務(wù)器主要功能是對(duì)現(xiàn)場(chǎng)智能儀表進(jìn)行組態(tài)與監(jiān)控，提供可視化用戶界面，方便用戶操作。客戶端負(fù)責(zé)在網(wǎng)絡(luò)上發(fā)布現(xiàn)場(chǎng)智能儀表的監(jiān)控信息，連接情況等。系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。
3 HART協(xié)議通訊裝置
3．1 HART協(xié)議通訊裝置概述
HART協(xié)議通信裝置在不影響現(xiàn)有DCS正常運(yùn)行的前提下將現(xiàn)場(chǎng)HART智能儀表的數(shù)字信號(hào)從模擬信號(hào)中剝離，完成儀表基本信息和過程變量的讀取，并通過RS一232傳送給上位機(jī)；同時(shí)支持上位機(jī)常用特殊命令的轉(zhuǎn)發(fā)，讀取儀表的特殊命令信息并返回給上位機(jī)。HART協(xié)議通信裝置和HART協(xié)議通信服務(wù)器軟件配合完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)HART智能儀表的信息讀取、命令轉(zhuǎn)發(fā)。并提供足夠的接口組件，方便應(yīng)用服務(wù)器軟件的開發(fā)和擴(kuò)展?？梢愿鶕?jù)HART協(xié)議通信服務(wù)器軟件提供的接口，自定義開發(fā)應(yīng)用服務(wù)器軟件的界面和功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)HART智能儀表的組態(tài)和監(jiān)控。
HART協(xié)議通信裝置的主體部分是安裝于端子板支架上的若干塊HART協(xié)議網(wǎng)橋（本文以20塊網(wǎng)橋?yàn)槔M(jìn)行說明），通過RS一485總線連接并與上位機(jī)進(jìn)行通訊，網(wǎng)橋地址可以選擇0～30的任意值，但不可重復(fù)。20塊網(wǎng)橋默認(rèn)地址為按安裝位置順序1～20。
每塊HART協(xié)議網(wǎng)橋可以采集12路HART信號(hào)，因此HART協(xié)議通信裝置可以實(shí)現(xiàn)與240臺(tái)HART智能儀表的獨(dú)立通信。符合HART協(xié)議的信號(hào)經(jīng)HART網(wǎng)橋處理后，通過RS一485通訊線并經(jīng)RS一485／RS-232轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為RS一232信號(hào)進(jìn)入計(jì)算機(jī)。20塊HART 協(xié)議網(wǎng)橋采用24 v／1 A電源統(tǒng)一供電，RS一485／RS一232轉(zhuǎn)換器采用24 v／o．5 A 電源獨(dú)立供電。HART協(xié)議通信裝置的系統(tǒng)連接示意圖如圖2所示。
3．2 HART協(xié)議網(wǎng)橋FW581
FW581的原理框圖如圖3所示。硬件電路主要包括：中央處理器（CPU）、HART調(diào)制解調(diào)器（Modem）及耦合電路、與現(xiàn)場(chǎng)儀表的信號(hào)選擇及隔離電路、RS一485接口電路、WDT電路等幾個(gè)部分。
FW581分為兩層，通過兩組排針相連接。上層板包括DC—DC模塊、CPU模塊、RS一485接口模塊、地址設(shè)置模塊、指示燈等。上層板的 CPU模塊和RS一485接口模塊放在板子的背面，這使得FW581更加美觀和安全。下層板的兩對(duì)RS一485總線接口是對(duì)等并接的，方便同一RS一 485總線上多塊FW581的接線。
FW581的RS一485通訊信號(hào)必須通過RS一485／RS一232轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換成RS一232信號(hào)后，才能和上位管理軟件通訊。通訊速率為19．2 Kbps。
FW581可以采用冗余的兩路24 V電源供電。兩對(duì)RS一485總線接口對(duì)等并接，方便多塊FW581的接線。上層板有4個(gè)指示燈用于顯示 FW581的工作狀態(tài)；撥鍵開關(guān)用于設(shè)置FW581的地址。FW581地址的設(shè)置通過上層板上的SW4Ol撥鍵開關(guān)實(shí)現(xiàn)。撥鍵開關(guān)上的“1”是最低位；“8”是最高位；“ON”一側(cè)表示邏輯1；反之是邏輯o。地址設(shè)置符合二進(jìn)制編碼，因此撥鍵開關(guān)直接顯示卡件的二進(jìn)制地址。將二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)變成十進(jìn)制數(shù)后，就是卡件的十進(jìn)制地址。
4 HART通信服務(wù)器軟件
與HART協(xié)議通信裝置配套的HART通信服務(wù)器軟件，包括COM 服務(wù)器和OPC服務(wù)器。COM 服務(wù)器實(shí)現(xiàn)與HART 網(wǎng)橋的串行通訊，向HART網(wǎng)橋下發(fā)對(duì)儀表基本信息和過程變量的讀取命令，接收并處理HART網(wǎng)橋傳上來的儀表過程變量和報(bào)警信息；并且支持向下轉(zhuǎn)發(fā)特殊的HART協(xié)議命令，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)HART儀表的組態(tài)和監(jiān)控。OPC服務(wù)器將現(xiàn)場(chǎng)HART儀表信號(hào)傳輸?shù)絆PC服務(wù)器工作站。HART Server通訊服務(wù)器接口說明見表 1所列。
HART 協(xié)議的命令共包括三種[1]：通用命令，普通命令和特殊命令。通用命令對(duì)所有遵循HART協(xié)議的智能設(shè)備都適用，主要由讀制造廠商和設(shè)備類型、讀主變量值和單位、讀動(dòng)態(tài)變量值和主變量電流等；普通命令對(duì)大多數(shù)HART智能設(shè)備都通用，但不是全部，用于常用操作。主要有讀選擇的過程變量、寫主變量量程值、非主變量超限等。特殊命令由具體的HART設(shè)備生產(chǎn)廠商針對(duì)具體應(yīng)用而定。COM 服務(wù)器提供的大多數(shù)組件接口都是基于通用命令，對(duì)于普通命令和特殊命令可以通過HartTrans組件的Transfunc接口來直接下發(fā)和解析。
5 上位機(jī)管理軟件的結(jié)構(gòu)和功能
某石化企業(yè)的中控室中，有1臺(tái)HART儀表通訊柜，1臺(tái)服務(wù)器，2臺(tái)PC機(jī)，各類HART智能儀表200多臺(tái)。隨著企業(yè)現(xiàn)代化管理制度建立的逐步深入，通過HART手操器對(duì)智能儀表進(jìn)行組態(tài)和監(jiān)測(cè)已經(jīng)顯得很低效。采用基于Windows—NT平臺(tái)的SID智能儀表在線診斷與在線管理系統(tǒng)，充分發(fā)揮智能儀表的數(shù)字通訊和智能化功能，通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)智能儀表的遠(yuǎn)程管理、操作和維護(hù)，直觀全面地反映現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)設(shè)備的狀態(tài)信息和過程信息。
5．1 軟件結(jié)構(gòu)
智能儀表在線診斷與在線管理系統(tǒng)采用目前較為流行的服務(wù)器／客戶機(jī)（Server／Client）模式，多個(gè)客戶端可以共享服務(wù)器的實(shí)時(shí)信息，用戶可以通過服務(wù)器遠(yuǎn)離現(xiàn)場(chǎng)對(duì)智能儀表進(jìn)行檢測(cè)和維護(hù)。這種模式的特點(diǎn)是專業(yè)性強(qiáng)，安全性好，交互能力強(qiáng)。COM 通訊服務(wù)器采集數(shù)據(jù)后，存人指定的數(shù)據(jù)庫中，由應(yīng)用服務(wù)器從數(shù)據(jù)庫中讀取實(shí)時(shí)信息，然后通過客戶端進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)發(fā)布。但是采用這種結(jié)構(gòu)也有一定的缺陷，就是不易維護(hù)，集成困難。如果應(yīng)用服務(wù)器的儀表視圖發(fā)生改變，為了保證客戶端與應(yīng)用服務(wù)器的儀表視圖保持一致性，由客戶端直接通過網(wǎng)絡(luò)下載視圖數(shù)據(jù)進(jìn)行視圖更新，從而避免了客戶端軟件升級(jí)所帶來的繁瑣。
5．2 軟件的主要功能
根據(jù)管理要求，智能儀表在線診斷與在線管理系統(tǒng)應(yīng)具備的主要功能：現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備視圖模塊，能根據(jù)智能儀表的生產(chǎn)廠商、設(shè)備類型和設(shè)備位號(hào)組織視圖，也能按控制回路組織設(shè)備，便于用戶了解每臺(tái)設(shè)備的具體位置，還能按設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)連接情況組織視圖，便于用戶了解設(shè)備在哪臺(tái)轉(zhuǎn)換器的哪個(gè)接口上；設(shè)備訪問功能模塊主要完成和智能儀表的通訊，獲取智能儀表的參數(shù)，對(duì)智能儀表進(jìn)行組態(tài)，檢測(cè)設(shè)備的實(shí)時(shí)狀態(tài)信息；記錄審查模塊：記錄操作人員對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備所做的修改操作，包括操作內(nèi)容的舊值和新值，操作的時(shí)間和操作的原因，記錄現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的報(bào)警狀態(tài)，包括報(bào)警的設(shè)備、報(bào)警的時(shí)問和報(bào)警的內(nèi)容，便于管理人員及時(shí)做出準(zhǔn)確的決策。
5．3 傳輸HART命令的特殊通道
COM 服務(wù)器已經(jīng)很好地解決了與一些智能儀表的通訊，但如果智能儀表遵循的HART協(xié)議為特殊命令，則必須通過COM 服務(wù)器提供的特殊通道才能正常通訊，也就是HartTrans組件的Transfunc函數(shù)。從智能儀表采集上來的數(shù)據(jù)，最初是二進(jìn)制的代碼。這就需要根據(jù)數(shù)據(jù)鏈路層的幀格式與IEEE 754標(biāo)準(zhǔn)把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成十進(jìn)制。但各個(gè)HART命令的格式各不相同，所以需要對(duì)每條命令進(jìn)行單獨(dú)的解析。以1號(hào)通用命令為例進(jìn)行說明。當(dāng)1 號(hào)命令通過特殊通道下發(fā)到儀表后，返回的數(shù)據(jù)如下。
共有9個(gè)字節(jié)，每個(gè)字節(jié)由2位十六進(jìn)制數(shù)組成，其中第1個(gè)字節(jié)為HART命令號(hào)，目前為1號(hào)通用命令；第2個(gè)字節(jié)為從第3個(gè)字節(jié)開始的字節(jié)數(shù)；第3個(gè)和第4個(gè)字節(jié)為本次響應(yīng)碼的校驗(yàn)碼；第5個(gè)，第9個(gè)字節(jié)為當(dāng)前智能儀表的PV值，且滿足IEEE 754標(biāo)準(zhǔn)。IEEE 574單精度浮點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定如表2所列。
表2中，s表示尾數(shù)的符號(hào)，1為負(fù)，0為正；E表示指數(shù)，與十進(jìn)制數(shù)127的差值以二進(jìn)制補(bǔ)碼形式表示；M 表示尾數(shù)；上述浮點(diǎn)數(shù)的值通過把2的無偏移指數(shù)次方與24位尾數(shù)相乘得到。24位尾數(shù)由一個(gè)假設(shè)的最高位1，后跟一個(gè)小數(shù)點(diǎn)，和尾數(shù)的23位組成。
V= S1.M × 2E一127
最后5 個(gè)字節(jié)組成的二進(jìn)制數(shù)為00111100 01001101 11000111 01011110，經(jīng)過轉(zhuǎn)化后的十進(jìn)制值約為12．559 413 9％ ，通過儀表顯示讀取的值為12．559 ，基本相同。
5．4 COM 服務(wù)器的輪巡時(shí)間
在智能儀表在線診斷與管理系統(tǒng)軟件運(yùn)行之前，必須要進(jìn)行COM 服務(wù)器初始化，目的是為了獲取當(dāng)前HART協(xié)議通訊裝置中正在正常工作的 HART 網(wǎng)橋和現(xiàn)場(chǎng)在線的智能儀表，共輪巡2次。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)和推算，在2O個(gè)網(wǎng)橋正常工作并且每個(gè)網(wǎng)橋滿載（每個(gè)網(wǎng)橋掛接12臺(tái)智能儀表，共240臺(tái)智能儀表）的情況下，COM 服務(wù)器的初始化約為7 min，如果智能儀表的數(shù)量更多，則COM服務(wù)器的初始化事件會(huì)更加長(zhǎng)一些。
6 結(jié)束語
HART協(xié)議通訊裝置穩(wěn)定性好，上位機(jī)軟件操作簡(jiǎn)單，大大改善了傳統(tǒng)儀表管理模式的低效，進(jìn)一步提高了企業(yè)的自動(dòng)化程度和辦公效率。
