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基于HART協議的智能儀表實現在線診斷管理系統的設計

電子設計 ? 來源:郭婷 ? 作者:電子設計 ? 2019-09-16 08:05 ? 次閱讀

1、 智能儀表的廣泛應用

隨著過程控制技術和智能儀表的發展,DCS已經在石油、化工、鋼鐵、冶金和電力等領域得到廣泛的應用,實現了企業生產操作的高度自動化。智能傳感器技術的發展和微電子技術的成熟,也為充分發揮DCS的優越性提供了可靠的保證。

基于HART協議的智能儀表已經在DCS中得到廣泛應用。如何最大限度地利用先期制造生產的自動化系統的昂貴投資,在已有智能儀表設備和 DCS的基礎上,在不影響原有DCS正常工作的情況下,構成企業智能儀表的在線診斷和管理系統,并向局域網發布實時智能儀表信息,讓實時過程管理擴展到現場信息系統的每個領域,已經成為自動化領域有待解決的技術課題。針對企業現場生產的實際,能滿足上述需要的在線診斷和管理系統顯得尤為必要。本文將探討一種在線診斷管理系統的設計和實現方法。

2 、系統體系結構

該系統主要由智能儀表、HART協議通訊裝置、HART服務器通訊軟件(包括COM 服務器軟件和OPC服務器軟件)、數據庫、上位機管理軟件(包括應用服務器和客戶端)組成。智能儀表主要是指基于HART協議的儀表,常見類型有差壓變送器、壓力變送器、閥門定位器、流量計等。HART協議通訊裝置負責采集和傳輸智能儀表的數字信號,通過亞當模塊傳送給上位機的RS一232串口,由COM 服務器軟件對該數據進行解析,并通過 sQL Server數據庫對采集數據進行實時存儲,其他自動化系統可以通過OPC通訊服務器軟件對現場儀表的數據進行遠程訪問。應用服務器主要功能是對現場智能儀表進行組態與監控,提供可視化用戶界面,方便用戶操作。客戶端負責在網絡上發布現場智能儀表的監控信息,連接情況等。系統體系結構如圖1所示。

基于HART協議的智能儀表實現在線診斷管理系統的設計

3、 HART協議通訊裝置

3.1 HART協議通訊裝置概述

HART協議通信裝置在不影響現有DCS正常運行的前提下將現場HART智能儀表的數字信號模擬信號中剝離,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;同時支持上位機常用特殊命令的轉發,讀取儀表的特殊命令信息并返回給上位機。HART協議通信裝置和HART協議通信服務器軟件配合完成對現場HART智能儀表的信息讀取、命令轉發。并提供足夠的接口組件,方便應用服務器軟件的開發和擴展。可以根據HART協議通信服務器軟件提供的接口,自定義開發應用服務器軟件的界面和功能,實現對HART智能儀表的組態和監控。

HART協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協議網橋(本文以20塊網橋為例進行說明),通過RS一485總線連接并與上位機進行通訊,網橋地址可以選擇0~30的任意值,但不可重復。20塊網橋默認地址為按安裝位置順序1~20。

每塊HART協議網橋可以采集12路HART信號,因此HART協議通信裝置可以實現與240臺HART智能儀表的獨立通信。符合HART協議的信號經HART網橋處理后,通過RS一485通訊線并經RS一485/RS-232轉換器轉換為RS一232信號進入計算機。20塊HART 協議網橋采用24 v/1 A電源統一供電,RS一485/RS一232轉換器采用24 v/o.5 A 電源獨立供電。HART協議通信裝置的系統連接示意圖如圖2所示。

基于HART協議的智能儀表實現在線診斷管理系統的設計

3.2 HART協議網橋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調制解調器(Modem)及耦合電路、與現場儀表的信號選擇及隔離電路、RS一485接口電路、WDT電路等幾個部分。

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RS一485總線接口是對等并接的,方便同一RS一 485總線上多塊FW581的接線。

FW581的RS一485通訊信號必須通過RS一485/RS一232轉換器,轉換成RS一232信號后,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RS一485總線接口對等并接,方便多塊FW581的接線。上層板有4個指示燈用于顯示 FW581的工作狀態;撥鍵開關用于設置FW581的地址。FW581地址的設置通過上層板上的SW4Ol撥鍵開關實現。撥鍵開關上的“1”是最低位;“8”是最高位;“ON”一側表示邏輯1;反之是邏輯o。地址設置符合二進制編碼,因此撥鍵開關直接顯示卡件的二進制地址。將二進制數轉變成十進制數后,就是卡件的十進制地址。

基于HART協議的智能儀表實現在線診斷管理系統的設計

4 、HART通信服務器軟件

與HART協議通信裝置配套的HART通信服務器軟件,包括COM 服務器和OPC服務器。COM 服務器實現與HART 網橋的串行通訊,向HART網橋下發對儀表基本信息和過程變量的讀取命令,接收并處理HART網橋傳上來的儀表過程變量和報警信息;并且支持向下轉發特殊的HART協議命令,實現對現場HART儀表的組態和監控。OPC服務器將現場HART儀表信號傳輸到OPC服務器工作站。HART Server通訊服務器接口說明見表 1所列。

基于HART協議的智能儀表實現在線診斷管理系統的設計

基于HART協議的智能儀表實現在線診斷管理系統的設計

HART 協議的命令共包括三種:通用命令,普通命令和特殊命令。通用命令對所有遵循HART協議的智能設備都適用,主要由讀制造廠商和設備類型、讀主變量值和單位、讀動態變量值和主變量電流等;普通命令對大多數HART智能設備都通用,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設備生產廠商針對具體應用而定。COM 服務器提供的大多數組件接口都是基于通用命令,對于普通命令和特殊命令可以通過HartTrans組件的Transfunc接口來直接下發和解析。

5 、上位機管理軟件的結構和功能

某石化企業的中控室中,有1臺HART儀表通訊柜,1臺服務器,2臺PC機,各類HART智能儀表200多臺。隨著企業現代化管理制度建立的逐步深入,通過HART手操器對智能儀表進行組態和監測已經顯得很低效。采用基于Windows—NT平臺的SID智能儀表在線診斷與在線管理系統,充分發揮智能儀表的數字通訊和智能化功能,通過網絡實現現場實時智能儀表的遠程管理、操作和維護,直觀全面地反映現場實時設備的狀態信息和過程信息。

5.1 軟件結構

智能儀表在線診斷與在線管理系統采用目前較為流行的服務器/客戶機(Server/Client)模式,多個客戶端可以共享服務器的實時信息,用戶可以通過服務器遠離現場對智能儀表進行檢測和維護。這種模式的特點是專業性強,安全性好,交互能力強。COM 通訊服務器采集數據后,存人指定的數據庫中,由應用服務器從數據庫中讀取實時信息,然后通過客戶端進行網絡發布。但是采用這種結構也有一定的缺陷,就是不易維護,集成困難。如果應用服務器的儀表視圖發生改變,為了保證客戶端與應用服務器的儀表視圖保持一致性,由客戶端直接通過網絡下載視圖數據進行視圖更新,從而避免了客戶端軟件升級所帶來的繁瑣。

5.2 軟件的主要功能

根據管理要求,智能儀表在線診斷與在線管理系統應具備的主要功能:現場設備視圖模塊,能根據智能儀表的生產廠商、設備類型和設備位號組織視圖,也能按控制回路組織設備,便于用戶了解每臺設備的具體位置,還能按設備的網絡連接情況組織視圖,便于用戶了解設備在哪臺轉換器的哪個接口上;設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,對智能儀表進行組態,檢測設備的實時狀態信息;記錄審查模塊:記錄操作人員對現場設備所做的修改操作,包括操作內容的舊值和新值,操作的時間和操作的原因,記錄現場設備的報警狀態,包括報警的設備、報警的時問和報警的內容,便于管理人員及時做出準確的決策。

5.3 傳輸HART命令的特殊通道

COM 服務器已經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協議為特殊命令,則必須通過COM 服務器提供的特殊通道才能正常通訊,也就是HartTrans組件的Transfunc函數。從智能儀表采集上來的數據,最初是二進制的代碼。這就需要根據數據鏈路層的幀格式與IEEE 754標準把數據轉化成十進制。但各個HART命令的格式各不相同,所以需要對每條命令進行單獨的解析。以1號通用命令為例進行說明。當1 號命令通過特殊通道下發到儀表后,返回的數據如下。

基于HART協議的智能儀表實現在線診斷管理系統的設計

共有9個字節,每個字節由2位十六進制數組成,其中第1個字節為HART命令號,目前為1號通用命令;第2個字節為從第3個字節開始的字節數;第3個和第4個字節為本次響應碼的校驗碼;第5個,第9個字節為當前智能儀表的PV值,且滿足IEEE 754標準。IEEE 574單精度浮點標準規定如表2所列。

基于HART協議的智能儀表實現在線診斷管理系統的設計

表2中,s表示尾數的符號,1為負,0為正;E表示指數,與十進制數127的差值以二進制補碼形式表示;M 表示尾數;上述浮點數的值通過把2的無偏移指數次方與24位尾數相乘得到。24位尾數由一個假設的最高位1,后跟一個小數點,和尾數的23位組成。

V= S1.M × 2E一127

最后5 個字節組成的二進制數為00111100 01001101 11000111 01011110,經過轉化后的十進制值約為12.559 413 9% ,通過儀表顯示讀取的值為12.559 ,基本相同。

5.4 COM 服務器的輪巡時間

在智能儀表在線診斷與管理系統軟件運行之前,必須要進行COM 服務器初始化,目的是為了獲取當前HART協議通訊裝置中正在正常工作的 HART 網橋和現場在線的智能儀表,共輪巡2次。經過實驗和推算,在2O個網橋正常工作并且每個網橋滿載(每個網橋掛接12臺智能儀表,共240臺智能儀表)的情況下,COM 服務器的初始化約為7 min,如果智能儀表的數量更多,則COM服務器的初始化事件會更加長一些。

6、 結束語

HART協議通訊裝置穩定性好,上位機軟件操作簡單,大大改善了傳統儀表管理模式的低效,進一步提高了企業的自動化程度和辦公效率。


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