如何实现HART智能仪表的在线监控

摘要：该系统充分利用了HART智能仪表的数字信息，实现了对现场HART智能仪表的在线监控，提高了控制系统的可靠性，降低了误报警几率，减少了现场仪表的维护量并大幅度地降低了维护费用。 关键词：HART；智能仪表；在线监控 The Design and Realization of the HART Smart Instrument on Line M onitoring System Shi Lin，W ang Hongyuan，Xu Shoukun，Yang Xiaoying（Jiangsu Polytechnic University，Changzhou，2 1 30 1 6，China） 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[1]：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。 参考文献： 1 阳宪惠．现场总线技术及其应用．北京：清华大学出版社，1999