李建立 肖麗娟 謝常青

(1.中國(guó)石油獨(dú)山子石化公司乙烯廠，新疆 克拉瑪依 833600；2.中國(guó)石油廣東石化公司，廣東 揭陽(yáng) 515200)

現(xiàn)代化工企業(yè)儀表系統(tǒng)的智能化管理已經(jīng)成為發(fā)展趨勢(shì)，目前許多新建化工項(xiàng)目都普遍引入資產(chǎn)管理系統(tǒng)(Asset Management System，AMS)，該系統(tǒng)是對(duì)智能儀表及智能閥門定位器等設(shè)備實(shí)行在線組態(tài)、診斷、校驗(yàn)和歷史事件記錄管理的一體化方案，使現(xiàn)場(chǎng)儀表的維護(hù)更加方便可靠。中國(guó)石油獨(dú)山子石化公司化工新區(qū)乙烯裝置的AMS系統(tǒng)采用橫河公司的PRM(Plant Resource Manager)軟件對(duì)裝置的所有智能儀表進(jìn)行管理，將現(xiàn)場(chǎng)各種智能儀表設(shè)備的信息數(shù)據(jù)綜合在一起并保存在中央數(shù)據(jù)庫(kù)中。乙烯裝置的所有儀表全部選用HART智能儀表，分別進(jìn)入DCS、SIS和成套包系統(tǒng)，將這些進(jìn)入不同系統(tǒng)儀表的HART信號(hào)進(jìn)行采集并送至PRM系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一管理是筆者重點(diǎn)闡述的內(nèi)容。

1 HART協(xié)議在裝置中的作用①

HART(Highway Addressable Remote Transducer)協(xié)議是一種現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，被稱為可尋址遠(yuǎn)程傳感器高速通道開(kāi)放通信協(xié)議，采用標(biāo)準(zhǔn)Bell202頻移鍵控信號(hào)以1 200bit通信，以低電平加載于4～20mA模擬信號(hào)上。允許模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)同時(shí)在4～20mA一對(duì)導(dǎo)線上傳送，從而增加了遠(yuǎn)傳數(shù)字通信的功能。HART智能變送器既可以接入DCS，又可以通過(guò)總線通信組成完整的現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)(FCS)，同時(shí)還可以通過(guò)手操器在線調(diào)整變送器參數(shù)。

每一個(gè)HART儀表的數(shù)字信號(hào)中平均能提供35～40項(xiàng)信息。要充分利用這些信息，唯一的條件就是要與HART儀表建立連續(xù)的、長(zhǎng)期的通信聯(lián)系。如果只是偶爾用手持器與HART儀表進(jìn)行短時(shí)間的通信，那么HART協(xié)議的潛能是無(wú)法發(fā)揮出來(lái)的。在新區(qū)乙烯裝置中，利用HART協(xié)議的優(yōu)勢(shì)主要有兩個(gè)方面：

a. 便于儀表和控制回路的調(diào)試。HART儀表都能提供儀表本身的信息，包括型號(hào)、測(cè)量范圍、制造廠名稱、材料及工位號(hào)等，因此在需要對(duì)某臺(tái)儀表進(jìn)行調(diào)試時(shí)不需要到現(xiàn)場(chǎng)用375手操器進(jìn)行操作，只需打開(kāi)PRM程序，通過(guò)HART協(xié)議將儀表的各項(xiàng)信息引入PRM程序，在控制室內(nèi)就可以完成該臺(tái)儀表的組態(tài)，而且還可以給HART儀表輸出一個(gè)指定的模擬信號(hào)，然后觀察控制回路的動(dòng)作，以確定控制回路是否能正常工作，也可以利用這種方法來(lái)啟動(dòng)報(bào)警或安全聯(lián)鎖系統(tǒng)，確認(rèn)這些系統(tǒng)的動(dòng)作是否正確。從而極大地減少現(xiàn)場(chǎng)儀表的調(diào)試時(shí)間。

b. 利用HART協(xié)議實(shí)現(xiàn)儀表伴熱狀態(tài)監(jiān)測(cè)。地處我國(guó)北方的化工企業(yè)的儀表系統(tǒng)冬天普遍需要伴熱，伴熱系統(tǒng)的好壞直接影響儀表測(cè)量的準(zhǔn)確性甚至威脅到裝置的平穩(wěn)運(yùn)行。由于新區(qū)乙烯裝置現(xiàn)場(chǎng)儀表全部選用HART智能儀表，筆者充分利用HART信號(hào)采集功能實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)智能儀表表體溫度采集，實(shí)現(xiàn)對(duì)儀表伴熱系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)與報(bào)警。

2 在線維護(hù)和在線診斷

通過(guò)HART協(xié)議將儀表信號(hào)引入PRM軟件平臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)在線維護(hù)和在線診斷功能，修改組態(tài)量程，甚至進(jìn)行閥門的調(diào)校工作，實(shí)現(xiàn)精確的資產(chǎn)管理。當(dāng)一臺(tái)儀表經(jīng)過(guò)維護(hù)后重新投入使用，PRM數(shù)據(jù)庫(kù)會(huì)在一個(gè)周期內(nèi)自動(dòng)更新，其內(nèi)容包括具體的維護(hù)方法和最近一次的維護(hù)時(shí)間。利用PRM來(lái)跟蹤儀表的狀態(tài)并預(yù)見(jiàn)將要發(fā)生的故障，提醒維護(hù)人員做前瞻性的維護(hù)，前瞻性維護(hù)相對(duì)于傳統(tǒng)的定期維護(hù)也更有效率。

3 HART信號(hào)的采集

3.1 DCS中的HART信號(hào)采集

乙烯裝置采用的是CENTUM CS3000 DCS，選用的模擬量輸入卡件型號(hào)為AAI143，這種類型的卡件本身支持HART信號(hào)采集功能。DCS中的HART信號(hào)采集在DCS中完成I/O通道組態(tài)的基礎(chǔ)上，只需要組態(tài)HART采集的通道和HART采集參數(shù)，所以DCS的HART信號(hào)采集比SIS的HART信號(hào)采集簡(jiǎn)單。DCS的HART信號(hào)采集結(jié)構(gòu)如圖1所示。模擬量信號(hào)進(jìn)入卡件AAI143后，由卡件進(jìn)行信號(hào)采集，然后由控制器CP451引出的兩根網(wǎng)線BUS1和BUS2連至交換機(jī)L2SW，再由交換機(jī)把HART信號(hào)送至DCS AMS系統(tǒng)，進(jìn)行HART設(shè)備的管理。

圖1 DCS系統(tǒng)的HART信號(hào)采集結(jié)構(gòu)

3.2 SIS系統(tǒng)中的HART信號(hào)采集

由于SIS系統(tǒng)的I/O卡件不帶HART信號(hào)采集功能，所以無(wú)法采集到進(jìn)SIS系統(tǒng)的HART儀表信號(hào)。乙烯裝置的SIS系統(tǒng)HART信號(hào)采集采用了梅特勒-托利多公司的HART信號(hào)采集卡板BPHM64，其兩路供電POWER1和POWER2互為冗余(均為24V(DC))。該HART信號(hào)采集板通過(guò)20芯HART連接電纜接收模擬輸入ETP(Externa Termination Panel)板送來(lái)的模擬信號(hào)。

BPHM64 HART信號(hào)采集板帶有MTL4841 HART通信模塊和MTL4842 HART信號(hào)接口模塊，從AI ETP板過(guò)來(lái)的模擬量信號(hào)被采集到MTL4842 HART信號(hào)接口模塊，通過(guò)MTL4841通信模塊，將HART協(xié)議轉(zhuǎn)換為RS485通信協(xié)議，然后通過(guò)研華RS485轉(zhuǎn)TCP/ICP轉(zhuǎn)換器將RS485通信協(xié)議轉(zhuǎn)換成TCP/IP協(xié)議，最后通過(guò)交換機(jī)(SWITCH1)將HART信號(hào)送至AMS系統(tǒng)，進(jìn)行HART設(shè)備管理，建立一個(gè)網(wǎng)絡(luò)。利用RPM通信服務(wù)HART轉(zhuǎn)MODBUS通信程序(AMS0444)，再通過(guò)MODBUS通信到DCS，實(shí)現(xiàn)SIS儀表伴熱參數(shù)在DCS中的顯示。

乙烯裝置的SIS系統(tǒng)HART信號(hào)采集采用的是一個(gè)MTL4841通信模塊帶4個(gè)MTL4842信號(hào)接口模塊，而一個(gè)MTL4842可以支持現(xiàn)場(chǎng)16個(gè)HART儀表的信號(hào)采集，所以乙烯裝置的一個(gè)HART信號(hào)采集板最多可以支持現(xiàn)場(chǎng)64個(gè)HART儀表的信號(hào)采集。SIS系統(tǒng)的HART信號(hào)采集結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 SIS系統(tǒng)中的HART信號(hào)采集結(jié)構(gòu)

3.3 成套機(jī)組系統(tǒng)中的HART信號(hào)采集

乙烯裝置的裂解氣、乙烯和丙烯壓縮機(jī)是廠區(qū)重要設(shè)備，其HART信號(hào)采集顯得尤為重要。由于成套機(jī)組系統(tǒng)I/O卡件也不帶HART信號(hào)采集功能，所以無(wú)法采集到進(jìn)成套機(jī)組系統(tǒng)的HART儀表信號(hào)。裂解氣壓縮機(jī)HART信號(hào)終端板的型號(hào)為F1-PHF-110469，KFD0-HMS16為HART多工器從站，其作用是與終端板相連并與主站通信。KFD2-HMM16為HART多工器主站，Nport5430為RS485轉(zhuǎn)TCP/ICP轉(zhuǎn)換器，EDS-205為交換機(jī)。

由于裂解氣壓縮機(jī)的HART信號(hào)采集方式和乙烯壓縮機(jī)和丙烯壓縮機(jī)的信號(hào)采集方式相同，在此以裂解氣壓縮機(jī)為例，介紹其HART信號(hào)的采集方式。從HART信號(hào)終端板采集到的HART信號(hào)通過(guò)HART專用連接電纜至KFD0-HMS16HART多工器從站，然后通過(guò)KFD2-HMM16HART多工器主站，將HART協(xié)議轉(zhuǎn)換為RS485通信協(xié)議，然后通過(guò)Nport5430 RS485轉(zhuǎn)TCP/ICP轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成TCP/IP協(xié)議，最后通過(guò)EDS-205交換機(jī)將HART信號(hào)送至DCS AMS系統(tǒng)。其中裂解氣壓縮機(jī)的HART信號(hào)采集結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 裂解氣壓縮機(jī)的HART信號(hào)采集結(jié)構(gòu)

4 結(jié)束語(yǔ)

化工儀表的智能化和總線化的前提之一就是統(tǒng)一的信號(hào)傳輸協(xié)議。HART協(xié)議自1983年成為開(kāi)放協(xié)議至今，已成為過(guò)程自動(dòng)化領(lǐng)域的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)。而HART儀表也以其強(qiáng)大的功能，進(jìn)一步證實(shí)了基于該協(xié)議的智能儀表管理系統(tǒng)的良好發(fā)展前景。筆者提供的幾種HART信號(hào)采集方法，為類似系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了很好的借鑒。