基于HART協(xié)議實(shí)現(xiàn)在線診斷管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1 智能儀表的廣泛應(yīng)用

隨著過程控制技術(shù)和智能儀表的發(fā)展，DCS已經(jīng)在石油、化工、鋼鐵、冶金和電力等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了企業(yè)生產(chǎn)操作的高度自動化。智能傳感器技術(shù)的發(fā)展和微電子技術(shù)的成熟，也為充分發(fā)揮DCS的優(yōu)越性提供了可靠的保證。

基于HART協(xié)議的智能儀表已經(jīng)在DCS中得到廣泛應(yīng)用。如何最大限度地利用先期制造生產(chǎn)的自動化系統(tǒng)的昂貴投資，在已有智能儀表設(shè)備和 DCS的基礎(chǔ)上，在不影響原有DCS正常工作的情況下，構(gòu)成企業(yè)智能儀表的在線診斷和管理系統(tǒng)，并向局域網(wǎng)發(fā)布實(shí)時智能儀表信息，讓實(shí)時過程管理擴(kuò)展到現(xiàn)場信息系統(tǒng)的每個領(lǐng)域，已經(jīng)成為自動化領(lǐng)域有待解決的技術(shù)課題。針對企業(yè)現(xiàn)場生產(chǎn)的實(shí)際，能滿足上述需要的在線診斷和管理系統(tǒng)顯得尤為必要。本文將探討一種在線診斷管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方法。

2 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)主要由智能儀表、HART協(xié)議通訊裝置、HART服務(wù)器通訊軟件（包括COM 服務(wù)器軟件和OPC服務(wù)器軟件）、數(shù)據(jù)庫、上位機(jī)管理軟件（包括應(yīng)用服務(wù)器和客戶端）組成。智能儀表主要是指基于HART協(xié)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(jì)等。HART協(xié)議通訊裝置負(fù)責(zé)采集和傳輸智能儀表的數(shù)字信號，通過亞當(dāng)模塊傳送給上位機(jī)的RS一232串口，由COM 服務(wù)器軟件對該數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，并通過 sQL Server數(shù)據(jù)庫對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時存儲，其他自動化系統(tǒng)可以通過OPC通訊服務(wù)器軟件對現(xiàn)場儀表的數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)程訪問。應(yīng)用服務(wù)器主要功能是對現(xiàn)場智能儀表進(jìn)行組態(tài)與監(jiān)控，提供可視化用戶界面，方便用戶操作。客戶端負(fù)責(zé)在網(wǎng)絡(luò)上發(fā)布現(xiàn)場智能儀表的監(jiān)控信息，連接情況等。系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3 HART協(xié)議通訊裝置

3．1 HART協(xié)議通訊裝置概述

HART協(xié)議通信裝置在不影響現(xiàn)有DCS正常運(yùn)行的前提下將現(xiàn)場HART智能儀表的數(shù)字信號從模擬信號中剝離，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(jī)；同時支持上位機(jī)常用特殊命令的轉(zhuǎn)發(fā)，讀取儀表的特殊命令信息并返回給上位機(jī)。HART協(xié)議通信裝置和HART協(xié)議通信服務(wù)器軟件配合完成對現(xiàn)場HART智能儀表的信息讀取、命令轉(zhuǎn)發(fā)。并提供足夠的接口組件，方便應(yīng)用服務(wù)器軟件的開發(fā)和擴(kuò)展。可以根據(jù)HART協(xié)議通信服務(wù)器軟件提供的接口，自定義開發(fā)應(yīng)用服務(wù)器軟件的界面和功能，實(shí)現(xiàn)對HART智能儀表的組態(tài)和監(jiān)控。

HART協(xié)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(xié)議網(wǎng)橋（本文以20塊網(wǎng)橋?yàn)槔M(jìn)行說明），通過RS一485總線連接并與上位機(jī)進(jìn)行通訊，網(wǎng)橋地址可以選擇0～30的任意值，但不可重復(fù)。20塊網(wǎng)橋默認(rèn)地址為按安裝位置順序1～20。

每塊HART協(xié)議網(wǎng)橋可以采集12路HART信號，因此HART協(xié)議通信裝置可以實(shí)現(xiàn)與240臺HART智能儀表的獨(dú)立通信。符合HART協(xié)議的信號經(jīng)HART網(wǎng)橋處理后，通過RS一485通訊線并經(jīng)RS一485／RS-232轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為RS一232信號進(jìn)入計(jì)算機(jī)。20塊HART 協(xié)議網(wǎng)橋采用24 v／1 A電源統(tǒng)一供電，RS一485／RS一232轉(zhuǎn)換器采用24 v／o．5 A 電源獨(dú)立供電。HART協(xié)議通信裝置的系統(tǒng)連接示意圖如圖2所示。

3．2 HART協(xié)議網(wǎng)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(diào)制解調(diào)器（Modem）及耦合電路、與現(xiàn)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(shè)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(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)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(tài)；撥鍵開關(guān)用于設(shè)置FW581的地址。FW581地址的設(shè)置通過上層板上的SW4Ol撥鍵開關(guān)實(shí)現(xiàn)。撥鍵開關(guān)上的“1”是最低位；“8”是最高位；“ON”一側(cè)表示邏輯1；反之是邏輯o。地址設(shè)置符合二進(jìn)制編碼，因此撥鍵開關(guān)直接顯示卡件的二進(jìn)制地址。將二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)變成十進(jìn)制數(shù)后，就是卡件的十進(jìn)制地址。

4 HART通信服務(wù)器軟件

與HART協(xié)議通信裝置配套的HART通信服務(wù)器軟件，包括COM 服務(wù)器和OPC服務(wù)器。COM 服務(wù)器實(shí)現(xiàn)與HART 網(wǎng)橋的串行通訊，向HART網(wǎng)橋下發(fā)對儀表基本信息和過程變量的讀取命令，接收并處理HART網(wǎng)橋傳上來的儀表過程變量和報警信息；并且支持向下轉(zhuǎn)發(fā)特殊的HART協(xié)議命令，實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場HART儀表的組態(tài)和監(jiān)控。OPC服務(wù)器將現(xiàn)場HART儀表信號傳輸?shù)絆PC服務(wù)器工作站。HART Server通訊服務(wù)器接口說明見表 1所列。

HART 協(xié)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(xié)議的智能設(shè)備都適用，主要由讀制造廠商和設(shè)備類型、讀主變量值和單位、讀動態(tài)變量值和主變量電流等；普通命令對大多數(shù)HART智能設(shè)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(shè)備生產(chǎn)廠商針對具體應(yīng)用而定。COM 服務(wù)器提供的大多數(shù)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(fā)和解析。

5 上位機(jī)管理軟件的結(jié)構(gòu)和功能

某石化企業(yè)的中控室中，有1臺HART儀表通訊柜，1臺服務(wù)器，2臺PC機(jī)，各類HART智能儀表200多臺。隨著企業(yè)現(xiàn)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(jìn)行組態(tài)和監(jiān)測已經(jīng)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(tǒng)，充分發(fā)揮智能儀表的數(shù)字通訊和智能化功能，通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場實(shí)時智能儀表的遠(yuǎn)程管理、操作和維護(hù)，直觀全面地反映現(xiàn)場實(shí)時設(shè)備的狀態(tài)信息和過程信息。

5．1 軟件結(jié)構(gòu)

智能儀表在線診斷與在線管理系統(tǒng)采用目前較為流行的服務(wù)器／客戶機(jī)（Server／Client）模式，多個客戶端可以共享服務(wù)器的實(shí)時信息，用戶可以通過服務(wù)器遠(yuǎn)離現(xiàn)場對智能儀表進(jìn)行檢測和維護(hù)。這種模式的特點(diǎn)是專業(yè)性強(qiáng)，安全性好，交互能力強(qiáng)。COM 通訊服務(wù)器采集數(shù)據(jù)后，存人指定的數(shù)據(jù)庫中，由應(yīng)用服務(wù)器從數(shù)據(jù)庫中讀取實(shí)時信息，然后通過客戶端進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)發(fā)布。但是采用這種結(jié)構(gòu)也有一定的缺陷，就是不易維護(hù)，集成困難。如果應(yīng)用服務(wù)器的儀表視圖發(fā)生改變，為了保證客戶端與應(yīng)用服務(wù)器的儀表視圖保持一致性，由客戶端直接通過網(wǎng)絡(luò)下載視圖數(shù)據(jù)進(jìn)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(jù)管理要求，智能儀表在線診斷與在線管理系統(tǒng)應(yīng)具備的主要功能：現(xiàn)場設(shè)備視圖模塊，能根據(jù)智能儀表的生產(chǎn)廠商、設(shè)備類型和設(shè)備位號組織視圖，也能按控制回路組織設(shè)備，便于用戶了解每臺設(shè)備的具體位置，還能按設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)連接情況組織視圖，便于用戶了解設(shè)備在哪臺轉(zhuǎn)換器的哪個接口上；設(shè)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(shù)，對智能儀表進(jìn)行組態(tài)，檢測設(shè)備的實(shí)時狀態(tài)信息；記錄審查模塊：記錄操作人員對現(xiàn)場設(shè)備所做的修改操作，包括操作內(nèi)容的舊值和新值，操作的時間和操作的原因，記錄現(xiàn)場設(shè)備的報警狀態(tài)，包括報警的設(shè)備、報警的時問和報警的內(nèi)容，便于管理人員及時做出準(zhǔn)確的決策。

5．3 傳輸HART命令的特殊通道

COM 服務(wù)器已經(jīng)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(xié)議為特殊命令，則必須通過COM 服務(wù)器提供的特殊通道才能正常通訊，也就是HartTrans組件的Transfunc函數(shù)。從智能儀表采集上來的數(shù)據(jù)，最初是二進(jìn)制的代碼。這就需要根據(jù)數(shù)據(jù)鏈路層的幀格式與IEEE 754標(biāo)準(zhǔn)把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成十進(jìn)制。但各個HART命令的格式各不相同，所以需要對每條命令進(jìn)行單獨(dú)的解析。以1號通用命令為例進(jìn)行說明。當(dāng)1 號命令通過特殊通道下發(fā)到儀表后，返回的數(shù)據(jù)如下。

共有9個字節(jié)，每個字節(jié)由2位十六進(jìn)制數(shù)組成，其中第1個字節(jié)為HART命令號，目前為1號通用命令；第2個字節(jié)為從第3個字節(jié)開始的字節(jié)數(shù)；第3個和第4個字節(jié)為本次響應(yīng)碼的校驗(yàn)碼；第5個，第9個字節(jié)為當(dāng)前智能儀表的PV值，且滿足IEEE 754標(biāo)準(zhǔn)。IEEE 574單精度浮點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定如表2所列。

表2中，s表示尾數(shù)的符號，1為負(fù)，0為正；E表示指數(shù)，與十進(jìn)制數(shù)127的差值以二進(jìn)制補(bǔ)碼形式表示；M 表示尾數(shù)；上述浮點(diǎn)數(shù)的值通過把2的無偏移指數(shù)次方與24位尾數(shù)相乘得到。24位尾數(shù)由一個假設(shè)的最高位1，后跟一個小數(shù)點(diǎn)，和尾數(shù)的23位組成。

V= S1.M × 2E一127

最后5 個字節(jié)組成的二進(jìn)制數(shù)為00111100 01001101 11000111 01011110，經(jīng)過轉(zhuǎn)化后的十進(jìn)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(wù)器的輪巡時間

在智能儀表在線診斷與管理系統(tǒng)軟件運(yùn)行之前，必須要進(jìn)行COM 服務(wù)器初始化，目的是為了獲取當(dāng)前HART協(xié)議通訊裝置中正在正常工作的 HART 網(wǎng)橋和現(xiàn)場在線的智能儀表，共輪巡2次。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)和推算，在2O個網(wǎng)橋正常工作并且每個網(wǎng)橋滿載（每個網(wǎng)橋掛接12臺智能儀表，共240臺智能儀表）的情況下，COM 服務(wù)器的初始化約為7 min，如果智能儀表的數(shù)量更多，則COM服務(wù)器的初始化事件會更加長一些。

6 結(jié)束語

HART協(xié)議通訊裝置穩(wěn)定性好，上位機(jī)軟件操作簡單，大大改善了傳統(tǒng)儀表管理模式的低效，進(jìn)一步提高了企業(yè)的自動化程度和辦公效率。

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