HART智能仪表在线监控系统的设计与实现

2010-11-17 15:44:43来源: 互联网

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。

关键字:HART  智能仪表  在线监控

编辑:金海 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/gykz/2010/1117/article_3594.html
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