王祎

（ 上海儀電（集團）有限公司，上海 200233 ）

0 引言

隨著工業(yè)發(fā)展水平的不斷提高，工藝流程日趨復(fù)雜，成分分析變得越來越重要。采用在線分析儀表可對工藝系統(tǒng)的關(guān)鍵成分進行精準(zhǔn)監(jiān)視和控制，避免手動取樣分析時間滯后現(xiàn)象。目前，在線分析儀表已廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中，對原材料、半成品、中間產(chǎn)品及生產(chǎn)過程中各個環(huán)節(jié)的各類組分實施自動、連續(xù)測量和指示，隨時給操作人員提供操作依據(jù)，甚至直接進行生產(chǎn)控制，使得生產(chǎn)環(huán)節(jié)的效率和安全性明顯提升[1-2]。

1 應(yīng)用現(xiàn)狀

在線分析儀表的傳統(tǒng)應(yīng)用是對工藝原材料、工藝過程物料組分和最終產(chǎn)品進行連續(xù)取樣分析，將數(shù)據(jù)傳輸至集中離散控制系統(tǒng)（DCS）[3]。現(xiàn)代化學(xué)工藝過程的最優(yōu)化控制要求使得傳統(tǒng)通訊模式面臨以下挑戰(zhàn)：分析儀表的數(shù)據(jù)可靠性以及在線分析數(shù)據(jù)的有效率亟需提高；通訊方式缺少靈活性，除硬接線輸出外，不具有Modbus通訊功能，無冗余輸出；或雖具有Modbus輸出功能，但Modbus地址無法自由改變；不具有OPC（Open Platform Communications，開放平臺通信）、Profibus等通訊選項；須在現(xiàn)場才能對在線分析系統(tǒng)的質(zhì)量是否符合預(yù)期進行驗證（local validation）；無法遠(yuǎn)程控制某些重要硬件（如標(biāo)定氣體控制閥）并進行遠(yuǎn)程標(biāo)定（remote calibration），難以確保硬件從設(shè)計到維護、校驗及測量的準(zhǔn)確性；不具備數(shù)據(jù)加工能力，對第三方儀表數(shù)據(jù)的整合和處理的高效性欠缺。

因此，研究可實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和分析控制的在線分析儀表多通訊系統(tǒng)具有重要意義[4-9]?；谝陨喜蛔愫同F(xiàn)代優(yōu)化控制的要求，設(shè)計一種系統(tǒng)具備以下優(yōu)勢：

1）具備基本的硬接線輸入、輸出通訊，自帶Modbus TCP/IP 通訊輸出；

2）具備Modbus RTU、Profibus通訊選項；

3）具備OPC通訊選項，以O(shè)PC為通訊語言與下游數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)進行通訊；

4）硬接線輸出可PLC（硬線外部輸入/輸出程序可編程模塊Extension Input/Output）直接通訊，遠(yuǎn)程PLC控制可選擇形象化人機操作界面（HMI： Remote PLC Human Machine Interface）；

5）分析儀表系統(tǒng)硬件可選擇性強，軟件系統(tǒng)可根據(jù)該分析儀表分析模塊升級改變的需要靈活進行本地或遠(yuǎn)程升級；

6）通過遠(yuǎn)程AMADAS系統(tǒng)或者數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的遠(yuǎn)端電腦DAS進行數(shù)據(jù)加工、整合和處理第三方儀表數(shù)據(jù)、遠(yuǎn)程標(biāo)定氣檢驗（Remote Validation）、遠(yuǎn)程標(biāo)定氣標(biāo)定（Remote Calibration），以及遠(yuǎn)程采樣探頭、過濾器的吹掃維護等功能，提高系統(tǒng)的準(zhǔn)確性、有效性與可靠性。

2 系統(tǒng)架構(gòu)及功能設(shè)計

系統(tǒng)架構(gòu)及功能設(shè)計見圖1。

設(shè)計的多通訊系統(tǒng)包括分析儀表自帶通訊系統(tǒng)、外部通訊系統(tǒng)，以及不同通訊方式的組合運用。分析儀表自帶通訊系統(tǒng)使分析儀表自身通過多種類型的接口與外部系統(tǒng)通訊，包括用于遠(yuǎn)程控制和維護應(yīng)用的以太網(wǎng)接口（TCP/IP協(xié)議）、RS485或RS232接口（可選擇Modbus或 Profibus協(xié)議）。結(jié)合不同外部通訊模式：

1）硬線模擬數(shù)據(jù)輸入/輸出與外延PLC系統(tǒng)的組合；

2）使用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（DAA）采集以上通訊系統(tǒng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)作為連續(xù)分析控制數(shù)據(jù)，經(jīng)處理后的數(shù)據(jù)傳輸至集中離散控制系統(tǒng)（DCS）或最終用戶存儲器（CEM-DAS或環(huán)保監(jiān)控部門）。

表示硬線通訊模式，通過硬線形式傳送毫安電流與干結(jié)點信號，具有可靠性強、檢查方便的優(yōu)勢，缺點是成本高，數(shù)據(jù)硬件安裝工作量大，單對電纜信息傳輸效率低。上述架構(gòu)描述了外延分析儀表將信號整合到本機IO模塊，傳輸至DCS的傳統(tǒng)通訊模式。

2.1 分析儀表自帶通訊系統(tǒng)設(shè)計

2.1.1 硬線通訊

硬線通訊示意見圖2。輸入/輸出板的附屬接口在系統(tǒng)控制器上，最多可支持5塊輸入/輸出板安裝在電氣模塊或輸入/輸出底板模塊，輸入/輸出板都均擁有處理器。

設(shè)計三種類型的輸入/輸出板：

1）模擬信號輸入/輸出板：2路模擬信號輸入，2路模擬信號輸出，2路數(shù)字信號輸入，2路數(shù)字信號輸出；

2）數(shù)字信號輸入/輸出板：4路數(shù)字信號輸入，4路數(shù)字信號輸出；

3）8路模擬信號輸出板。

2.1.2 Modbus TCP/IP通訊[10]

TCP/IP數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)基于TCP/IP協(xié)議實現(xiàn)，具有數(shù)據(jù)通訊的實時性、通訊過程的穩(wěn)定性和信息儲存的安全性等特點，為局域網(wǎng)內(nèi)的用戶提供了更為方便、快捷、安全的通信平臺。

1）Modbus TCP/IP本地通訊

Modbus TCP/IP本地通訊見圖3。以本機自帶以太網(wǎng)接口直接通訊，但通訊距離有限，最大通訊距離為1.2km，通常用于現(xiàn)場測試個人電腦維護用途。

2）Modbus TCP/IP通過光電轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)遠(yuǎn)程傳輸

Modbus TCP/IP通過光電轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)遠(yuǎn)程傳輸示意圖見圖4。組態(tài)時，如分析儀表數(shù)據(jù)接受工作站Modbus通訊表與分析儀表自帶通訊表不一致，則分析儀表數(shù)據(jù)接受工作站電腦讀取分析儀表OPC信號進行數(shù)據(jù)再加工，此時需在工作站電腦中安裝OPC軟件，從而獲取OPC數(shù)據(jù)，經(jīng)工作站進一步轉(zhuǎn)化為Modbus數(shù)據(jù)。

2.1.3 Modbus RTU通訊轉(zhuǎn)換

Modbus通訊硬件示意見圖5。由Modbus TCP/IP通訊網(wǎng)口外加Modbus Gateway轉(zhuǎn)換而得。Modbus RTU有多種數(shù)據(jù)傳輸模式，如Modbus RS485、RS422、RS232，以硬線連接方式可有三線制、五線制，按供電模式有分無源以及有源兩種。

2.1.4 Profibus 通訊（現(xiàn)場總線協(xié)議）

使用于非防暴區(qū)的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)連接示意見圖6，可與RS485的通訊模式整合。

2.2 外部通訊系統(tǒng)設(shè)計

采用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（DAA，Data Access Arrangement)，一種計算機遠(yuǎn)程人機操作界面系統(tǒng)，通常不具備存儲器功能的子系統(tǒng)，用于接受、處理來自在線分析儀表的即時數(shù)據(jù)，平均數(shù)據(jù)，分析數(shù)據(jù)可靠性，加工數(shù)據(jù)，將處理后的數(shù)據(jù)傳至DCS、CEM-DAS存儲器，或?qū)?shù)據(jù)分享至分析儀表管理和數(shù)據(jù)系統(tǒng)（AMADAS）及公共網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

另外，采用分析儀表管理和數(shù)據(jù)系統(tǒng)（AMADAS，Analyzer Management and Data Acquisition System），作為在線分析儀系統(tǒng)遠(yuǎn)程維護工作站，監(jiān)視、維護、確定和改善在線過程分析儀的性能，提高維護效率。通過實時數(shù)據(jù)采集，自動從分析儀表/數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)收集實時測量數(shù)據(jù)和故障警報，分析儀表管理和監(jiān)視的用戶界面，顯示實時分析儀表狀態(tài)（如正常、故障、維護等）；自動統(tǒng)計分析儀表數(shù)據(jù)，在統(tǒng)計質(zhì)量控制（SQC）圖表上繪制有效性結(jié)果與實驗室比較結(jié)果，執(zhí)行有效性檢查、預(yù)防性與預(yù)測性維護，提供分析儀表維護和驗證活動的文檔；支持線樣驗證、參考驗證等各種驗證方法，支持自動驗證、手動驗證、進度表驗證和線路樣本驗證等各種驗證執(zhí)行模式，統(tǒng)計分析驗證結(jié)果；改善提高分析儀表性能，準(zhǔn)確評估并顯示分析儀KPI，如可用性、可重復(fù)性和問題頻率，提高在線分析效率；提供分析儀性能分析KPI、SQC圖表和報告等各種工具，可視化分析儀表性能；通過遠(yuǎn)程人機操作界面(Remote HMI)遠(yuǎn)程進行標(biāo)定氣檢查(validation)、標(biāo)定氣標(biāo)定(Calibration)、儀表空氣填充吹掃儲氣罐并吹掃采樣探頭過濾器(purge sample probe filter with instrument air)等遠(yuǎn)程操作。

CEM-DAS 用于連續(xù)排放監(jiān)測的數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng) (Data acquisition and handling system for continuous emission monitoring)，CEM-DAS具有廠區(qū)各臺DAA的匯總、統(tǒng)計、管理與數(shù)據(jù)存儲功能，系統(tǒng)時間與各DAA同步。

2.3 系統(tǒng)通訊設(shè)計關(guān)鍵考慮點

1）分析成分單一、輸出組分少，可采用硬線模擬信號和硬線數(shù)字信號輸出，不帶DAS；

2）分析成分多、外部數(shù)據(jù)輸入較多，采用硬線通訊和Modbus通訊相結(jié)合的方式；

3）有環(huán)保認(rèn)證監(jiān)控要求的應(yīng)用場景一般應(yīng)包含DAS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可實現(xiàn)干濕濃度換算，應(yīng)具備必要的遠(yuǎn)程維護功能和數(shù)據(jù)可靠性分析統(tǒng)計功能；

4）實現(xiàn)遠(yuǎn)程標(biāo)定氣檢驗（Remote Validation）等較復(fù)雜功能時，需利用分析儀表自帶功能塊（Function Block）編輯功能進行內(nèi)部控制編程組態(tài)或滿足遠(yuǎn)程操作擴展功能，靈活實現(xiàn)本地操作和遠(yuǎn)程操作的完美結(jié)合。單純遠(yuǎn)程維護時可采用AMADAS系統(tǒng)[11]。

3 典型連續(xù)溫室氣體排放在線分析監(jiān)控系統(tǒng)CEMs

典型連續(xù)溫室氣體排放在線分析監(jiān)控系 統(tǒng) CEMs（System for Continuous Emission Monitoring）可通過兩種模式來實施[12-14]。

模式一：分析儀表數(shù)據(jù)和第三方設(shè)備通過數(shù)據(jù)采集輸入/輸出模塊(DAHS IO)平行接入DAA(Data Access Arrangement)或 DAHS Server。

典型連續(xù)溫室氣體排放在線分析系統(tǒng)流程示意見圖7，組成部分包括：在線分析儀表、外延分析儀表、外部狀態(tài)信號及外延通訊設(shè)備。

外延分析儀表包括溫度、壓力、流量變送器、粉塵儀等第三方儀表設(shè)備。

外部狀態(tài)信號可來自外延分析儀表的各種維護故障信息，也可來自集成系統(tǒng)中的各種工況報警信息，如CEMs機柜溫度、吹掃壓力、機柜門開啟關(guān)閉信號、標(biāo)定氣瓶壓力報警、冷凝水液位報警、采樣探頭吹掃狀態(tài)報警、維護校驗狀態(tài)報警等，狀態(tài)報警可采用硬線接入輸入/輸出模塊，也可通過CAN Bus與輸入/輸出模塊或PLC模塊進行交流。

外部狀態(tài)信號可進入在線分析儀表自身的模擬/數(shù)字輸入模塊，形成CEMs的待處理信息，整合對外部輸出。

外延通訊設(shè)備為CEMs信號接受設(shè)備，如數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)DAS（CEMs DAS SERVER WITH CONNECT SERVICE 或稱 DAHS SERVER），該系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)、加工數(shù)據(jù)，實現(xiàn)某些遠(yuǎn)程控制維護任務(wù)，如開啟遠(yuǎn)端的標(biāo)定氣閥門，實現(xiàn)遠(yuǎn)程標(biāo)定的功能，將加工整合后的數(shù)據(jù)通過防火墻傳送到終端用戶伺服器，通過互聯(lián)網(wǎng)傳輸至工程師站或政府環(huán)保部門。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)示意見圖8。DAA系統(tǒng)即本文所指的CEMs系統(tǒng)。人機界面（human machine interface，HMI）可顯示程序狀態(tài)，操作員依此監(jiān)控及控制程序。監(jiān)控系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)，也可提交命令監(jiān)控程序的進行。遠(yuǎn)程終端控制系統(tǒng)（RTU）連接多程序中使用的傳感器，采集數(shù)據(jù)發(fā)至監(jiān)控系統(tǒng)。

模式二：可編程邏輯控制器（programmable logic controller，PLC）充當(dāng)DAA和遠(yuǎn)程操作的人機界面，見圖9。

在線分析儀表與第三方的在線分析儀表均通過硬線通訊進入PLC通訊模塊[15]，PLC模塊轉(zhuǎn)化數(shù)據(jù)為Modbus RTU信號至DCS或下游存儲器。系統(tǒng)中，PLC遠(yuǎn)程控制閥門開啟/關(guān)閉，DAS操作員通過HMI了解系統(tǒng)狀態(tài)，根據(jù)需求設(shè)置顯示及記錄的警告條件、改變合格測量參數(shù)的目標(biāo)值、調(diào)整PLC控制，或暫停正常控制，進行特殊維護。數(shù)據(jù)同步發(fā)送至終端歷史記錄器（Operational Historian），其架構(gòu)在商用數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，以便追蹤趨勢并進行分析。PLC利用回授控制提醒維護人員及時介入維護和檢查，或環(huán)境保護部門介入調(diào)查、監(jiān)視，DAS監(jiān)控系統(tǒng)可自動對系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的有效性進行自我評估。

分析儀表標(biāo)定氣體實時遠(yuǎn)程自動驗證功能有以下步驟：

1）“PLC控制CEMS分析儀表驗證”（“CEMS ANALYZER VALIDATION BY PLC”）信息在PLC人機界面閃爍。發(fā)送“01-XA-00007A信號觸點”（“正在進行CEMS驗證”）=“ON”至DAS；

2）反向吹掃：a.5次脈沖吹掃；b.100s（默認(rèn)）持續(xù)吹掃；

3）持續(xù)打開零點氣電磁控制閥（SOV 01-XY-00189）120s，開始零點氣驗證；

4）關(guān)閉零點氣電磁控制閥（SOV 01-XY-00189）；

5）持續(xù)打開量程氣1（NO氣體）電磁控制閥（SOV 01-XY-00311）120s，開始NO驗證；

6）關(guān)閉量程氣1（NO氣體）電磁控制閥（SOV 01-XY-00311）；

7）持續(xù)打開量程氣2（SO2氣體）電磁控制閥（SOV 01-XY-00188）120s，開始SO2驗證；

8）關(guān)閉量程氣2（SO2氣體）電磁控制閥（SOV 01-XY-00188）；

9）持續(xù)打開量程氣3（NO2&O2氣體）電磁控制閥（SOV 01-XY-00187）120s，開始NO2&O2驗證；

10）關(guān)閉量程氣3（NO2&O2氣體）電磁控制閥（SOV 01-XY-00187）；

11）分析儀表設(shè)置為正常工作模式前，使用樣品氣持續(xù)吹掃整個樣品管線120s；

12）“PLC控制CEMS分析儀表驗證”（“CEMS ANALYZER VALIDATION BY PLC”）的信息完成自動驗證周期后停止閃爍。發(fā)送“01-XA-00007A信號觸點”（“正在進行CEMS驗證”）=“OFF”至DAS。

4 結(jié)語

在線分析監(jiān)控系統(tǒng)具備強大、靈活和多樣的通訊模式，兼容傳統(tǒng)（硬線輸出）和現(xiàn)代（Modbus、Profibus等）通訊模式，安裝方便、穩(wěn)定可靠、選擇通用性強。通過配套的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（DAA）、集散控制系統(tǒng)（DCS）及分析儀表維護控制系統(tǒng)，最終傳輸數(shù)據(jù)至CEMs數(shù)據(jù)存儲服務(wù)器（CEM DAS Sever），數(shù)據(jù)可傳輸至任何具有互聯(lián)網(wǎng)的環(huán)境保護部門及遠(yuǎn)程管理工程師。該系統(tǒng)在石化、采礦、環(huán)保領(lǐng)域中展示了良好的應(yīng)用前景。