基于HART協(xié)議的智能儀表實現(xiàn)在線診斷管理系統(tǒng)的設計

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(fā)展，DCS已經(jīng)在石油、化工、鋼鐵、冶金和電力等領域得到廣泛的應用，實現(xiàn)了企業(yè)生產(chǎn)操作的高度自動化。智能傳感器技術的發(fā)展和微電子技術的成熟，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(yè)智能儀表的在線診斷和管理系統(tǒng)，并向局域網(wǎng)發(fā)布實時智能儀表信息，讓實時過程管理擴展到現(xiàn)場信息系統(tǒng)的每個領域，已經(jīng)成為自動化領域有待解決的技術課題。針對企業(yè)現(xiàn)場生產(chǎn)的實際，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)的設計和實現(xiàn)方法。

2 、系統(tǒng)體系結構

該系統(tǒng)主要由智能儀表、HART協(xié)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(shù)據(jù)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(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、流量計等。HART協(xié)議通訊裝置負責采集和傳輸智能儀表的數(shù)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(shù)據(jù)進行解析，并通過 sQL Server數(shù)據(jù)庫對采集數(shù)據(jù)進行實時存儲，其他自動化系統(tǒng)可以通過OPC通訊服務器軟件對現(xiàn)場儀表的數(shù)據(jù)進行遠程訪問。應用服務器主要功能是對現(xiàn)場智能儀表進行組態(tài)與監(jiān)控，提供可視化用戶界面，方便用戶操作?？蛻舳素撠熢?a href="http://srfitnesspt.com/v/tag/1722/" target="_blank">網(wǎng)絡上發(fā)布現(xiàn)場智能儀表的監(jiān)控信息，連接情況等。系統(tǒng)體系結構如圖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；同時支持上位機常用特殊命令的轉發(fā)，讀取儀表的特殊命令信息并返回給上位機。HART協(xié)議通信裝置和HART協(xié)議通信服務器軟件配合完成對現(xiàn)場HART智能儀表的信息讀取、命令轉發(fā)。并提供足夠的接口組件，方便應用服務器軟件的開發(fā)和擴展?？梢愿鶕?jù)HART協(xié)議通信服務器軟件提供的接口，自定義開發(fā)應用服務器軟件的界面和功能，實現(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(wǎng)橋地址可以選擇0～30的任意值，但不可重復。20塊網(wǎng)橋默認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)議通信裝置可以實現(xiàn)與240臺HART智能儀表的獨立通信。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轉換器轉換為RS一232信號進入計算機。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轉換器采用24 v／o．5 A 電源獨立供電。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調制解調器（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(tài)；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(xiàn)。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(shù)轉變成十進制數(shù)后，就是卡件的十進制地址。

4 、HART通信服務器軟件

與HART協(xié)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(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；并且支持向下轉發(fā)特殊的HART協(xié)議命令，實現(xiàn)對現(xiàn)場HART儀表的組態(tài)和監(jiān)控。OPC服務器將現(xiàn)場HART儀表信號傳輸?shù)絆PC服務器工作站。HART Server通訊服務器接口說明見表 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(tài)變量值和主變量電流等；普通命令對大多數(shù)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(chǎn)廠商針對具體應用而定。COM 服務器提供的大多數(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 、上位機管理軟件的結構和功能

某石化企業(yè)的中控室中，有1臺HART儀表通訊柜，1臺服務器，2臺PC機，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)絡實現(xiàn)現(xiàn)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(xiàn)場實時設備的狀態(tài)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(tǒng)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(xiàn)場對智能儀表進行檢測和維護。這種模式的特點是專業(yè)性強，安全性好，交互能力強。COM 通訊服務器采集數(shù)據(jù)后，存人指定的數(shù)據(jù)庫中，由應用服務器從數(shù)據(jù)庫中讀取實時信息，然后通過客戶端進行網(wǎng)絡發(fā)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(fā)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(wǎng)絡下載視圖數(shù)據(jù)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(jù)管理要求，智能儀表在線診斷與在線管理系統(tǒng)應具備的主要功能：現(xiàn)場設備視圖模塊，能根據(jù)智能儀表的生產(chǎn)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(wǎng)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(shù)，對智能儀表進行組態(tài)，檢測設備的實時狀態(tài)信息；記錄審查模塊：記錄操作人員對現(xiàn)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(xiàn)場設備的報警狀態(tài)，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(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標準把數(shù)據(jù)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(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)為本次響應碼的校驗碼；第5個，第9個字節(jié)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(guī)定如表2所列。

表2中，s表示尾數(shù)的符號，1為負，0為正；E表示指數(shù)，與十進制數(shù)127的差值以二進制補碼形式表示；M 表示尾數(shù)；上述浮點數(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)由一個假設的最高位1，后跟一個小數(shù)點，和尾數(shù)的23位組成。

V= S1.M × 2E一127

最后5 個字節(jié)組成的二進制數(shù)為00111100 01001101 11000111 01011110，經(jīng)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(tǒng)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(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)過實驗和推算，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服務器的初始化事件會更加長一些。

6、 結束語

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