基于HART協(xié)議的AMS系統(tǒng)在煤氣化裝置的應(yīng)用

要艷靜 劉 鵬

(航天長征化學(xué)工程股份有限公司電控室)

基于HART協(xié)議的AMS系統(tǒng)在煤氣化裝置的應(yīng)用

要艷靜 劉 鵬

(航天長征化學(xué)工程股份有限公司電控室)

介紹智能設(shè)備管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、組態(tài)與功能，給出HART協(xié)議的模型與網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明：智能設(shè)備管理系統(tǒng)對(duì)現(xiàn)場設(shè)備的在線監(jiān)測和預(yù)防性維護(hù)，提高了煤氣化裝置的安全性與經(jīng)濟(jì)性。

智能設(shè)備管理系統(tǒng) 煤氣化裝置 在線診斷 預(yù)防性維護(hù) HART協(xié)議

隨著工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，化工行業(yè)使用的各類智能儀表不斷更新，不同類型的設(shè)備功能差異較大，需要專用的設(shè)備管理工具對(duì)它們進(jìn)行管理。煤氣化裝置中智能儀表設(shè)備數(shù)量大、種類多，任何一個(gè)設(shè)備故障，都可能導(dǎo)致裝置緊急停車，造成巨大的安全危害與經(jīng)濟(jì)損失。因此，設(shè)備狀態(tài)的“健康”安全穩(wěn)定是煤氣化裝置平穩(wěn)運(yùn)行的前提和保證，而對(duì)設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)控、及時(shí)診斷和正確檢修則是維持設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)穩(wěn)定的有效手段。傳統(tǒng)的設(shè)備維護(hù)需要等到設(shè)備出現(xiàn)異常或工作一定年限后才進(jìn)行，不利于裝置的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。為此，筆者提出在煤氣化裝置DCS系統(tǒng)中集成智能設(shè)備管理(Asset Management Solutions,AMS)系統(tǒng)，采用基于HART協(xié)議的智能儀表，實(shí)現(xiàn)對(duì)智能設(shè)備的在線監(jiān)測、診斷和預(yù)防性維護(hù)。

1 AMS系統(tǒng)

AMS系統(tǒng)將智能化設(shè)備與現(xiàn)代管理相結(jié)合，形成了一種有效的管理智能設(shè)備集成方案。AMS系統(tǒng)智能變送器、智能閥門定位器等智能儀表具有在線集中組態(tài)、調(diào)試、校驗(yàn)管理、診斷及數(shù)據(jù)庫事件紀(jì)錄等功能，為預(yù)防性和前瞻性維修提供診斷工具和判斷依據(jù)，并及時(shí)跟蹤設(shè)備配置和參數(shù)變更，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)資產(chǎn)優(yōu)化和校準(zhǔn)管理，確保工廠高效運(yùn)行，降低了意外停機(jī)風(fēng)險(xiǎn)[1]。

1.1 AMS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

AMS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。AMS系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)接口與DCS系統(tǒng)相連，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場智能設(shè)備的集中統(tǒng)一管理。

圖1 AMS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 組態(tài)

AMS系統(tǒng)的組態(tài)有兩種方式，即通過無線網(wǎng)絡(luò)和有線網(wǎng)絡(luò)兩種方式進(jìn)行組態(tài)。實(shí)現(xiàn)的功能如下：

a. AMS系統(tǒng)可以連接并組態(tài)現(xiàn)場智能設(shè)備；

b. AMS系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫自動(dòng)記錄參數(shù)修改時(shí)間，做到有據(jù)可查；

c. 利用當(dāng)前組態(tài)與歷史組態(tài)之間的傳輸功能可以將任意一次的組態(tài)下載到智能儀表中。

1.3 狀態(tài)監(jiān)測與診斷

AMS系統(tǒng)可在線實(shí)時(shí)監(jiān)測每塊智能設(shè)備的“健康”狀況，并提供故障原因診斷，如冷啟動(dòng)、存儲(chǔ)器故障及傳感器故障等。用戶可根據(jù)智能設(shè)備的重要性進(jìn)行分組，按不同組別分別監(jiān)測和診斷設(shè)備的運(yùn)行狀況，并設(shè)置報(bào)警。當(dāng)有警報(bào)時(shí)，AMS系統(tǒng)提供聲光報(bào)警，同時(shí)數(shù)據(jù)庫自動(dòng)記錄該報(bào)警事件和內(nèi)容。

1.4 閥門管理

系統(tǒng)通過對(duì)采用HART協(xié)議的智能閥門定位器進(jìn)行數(shù)字通信，實(shí)現(xiàn)閥門的自動(dòng)調(diào)試、故障診斷、運(yùn)行特性診斷、摩擦力分析及閥門流通特性優(yōu)化等功能[2]。煤氣化裝置的閥門種類數(shù)量繁多，對(duì)閥門進(jìn)行在線監(jiān)測和管理可有效提高操作人員的工作效率和操作安全性。

1.5 開車調(diào)試功能

AMS系統(tǒng)可顯示智能設(shè)備的連接位置，結(jié)合DCS系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)設(shè)備回路的檢查工作。此功能可在裝置開車準(zhǔn)備階段快速檢查回路接線情況，并對(duì)回路進(jìn)行聯(lián)鎖測試，提供智能設(shè)備投運(yùn)狀況報(bào)告。AMS系統(tǒng)能夠幫助調(diào)試人員完成煤氣化裝置的開車準(zhǔn)備工作，減少接線檢查工作量，提高回路檢查準(zhǔn)確率。

1.6 標(biāo)定管理

測量儀表在開始使用或使用一段時(shí)間后需要進(jìn)行標(biāo)定，以保證其測量精度。傳統(tǒng)的標(biāo)定操作繁復(fù)、工作量大。采用AMS系統(tǒng)，能夠設(shè)置標(biāo)定程序并下載到標(biāo)定器中，當(dāng)儀表維護(hù)人員攜帶標(biāo)定器在現(xiàn)場對(duì)儀表進(jìn)行標(biāo)定時(shí)，標(biāo)定測試結(jié)果可直接上傳至AMS系統(tǒng)，自動(dòng)生成標(biāo)定文檔，極大地減少了維護(hù)工作量。

1.7 數(shù)據(jù)庫管理

AMS系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)庫自動(dòng)記錄所有與智能設(shè)備相關(guān)的事件和報(bào)警，因此保證數(shù)據(jù)庫的安全才能保證AMS系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

2 HART協(xié)議

在工廠實(shí)行智能設(shè)備管理，首先要求管理系統(tǒng)以過程測量儀表、閥門等現(xiàn)場儀表的實(shí)時(shí)信息為基礎(chǔ)，在現(xiàn)場智能設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)之間實(shí)現(xiàn)雙向數(shù)字通信[3]。其次要求工廠管理是以開放標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)的過程管理信息系統(tǒng)，即所用的智能儀表應(yīng)得到工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)支持。因此，HART通信協(xié)議是較為理想的選擇[4,5]。

2.1 HART協(xié)議結(jié)構(gòu)

HART協(xié)議是一種適用于現(xiàn)場智能儀表和控制主設(shè)備之間的通信協(xié)議，是目前使用較廣泛的智能儀表通信協(xié)議，具有完整的技術(shù)支持，覆蓋了壓力、差壓、流量、液位、調(diào)節(jié)閥、成分分析及記錄儀等智能現(xiàn)場設(shè)備。

HART協(xié)議模型如圖2所示，采用3層模型結(jié)構(gòu)，第1層物理層、第2層數(shù)據(jù)鏈路層和第7層應(yīng)用層。

圖2 HART協(xié)議模型

2.2 HART協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

HART協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接和多點(diǎn)連接兩種方式。

在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接方式(圖3)中，傳統(tǒng)的4～20mA信號(hào)只能傳遞一個(gè)過程變量，另外的過程變量、配置參數(shù)和其他類型的設(shè)備數(shù)據(jù)采用HART協(xié)議的數(shù)字方式傳輸。4～20mA信號(hào)對(duì)HART信號(hào)沒有任何影響，依舊可以按照通常的方式加以控制。煤氣化裝置的HART設(shè)備即采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接方式。

圖3 HART協(xié)議點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接方式

HART協(xié)議允許多臺(tái)HART設(shè)備連接在同一總線上，即工作在多點(diǎn)模式(圖4)。HART設(shè)備工作在多點(diǎn)連接模式時(shí)，其工作電流應(yīng)設(shè)置為最小值，以保證設(shè)備正常工作。此時(shí)，設(shè)備的輸出電流不再表示過程變量的變化。因此多點(diǎn)連接方式是一種全數(shù)字通信方式。

圖4 HART協(xié)議多點(diǎn)連接方式

HART協(xié)議為現(xiàn)場智能儀表提供了最佳的解決方案，既可保留傳統(tǒng)的4～20mA模擬信號(hào)，又可與現(xiàn)場智能儀表進(jìn)行雙向數(shù)字通信，擴(kuò)展了控制系統(tǒng)的性能。

本煤氣化裝置選擇帶有HART協(xié)議的智能變送器、智能閥門定位器等智能型現(xiàn)場儀表設(shè)備，作為AMS系統(tǒng)的支持，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的在線管理。

3 AMS系統(tǒng)在煤氣化裝置上的實(shí)施

某項(xiàng)目含兩套煤氣化裝置、500余臺(tái)HART智能變送器、100余臺(tái)HART智能定位器和其他智能設(shè)備。維護(hù)人員需要消耗大量的時(shí)間和精力對(duì)智能設(shè)備進(jìn)行檢修維護(hù)，確保設(shè)備的正常運(yùn)行。而煤氣化裝置對(duì)生產(chǎn)過程的安全性和某些工藝參數(shù)的測量要求甚高，若能有效預(yù)防閥門、流量計(jì)等設(shè)備發(fā)生故障，則能大幅降低事故率，提高安全性。同時(shí)，若能通過設(shè)備狀況的在線監(jiān)測來避免某些關(guān)鍵過程變量出現(xiàn)異常，如通過監(jiān)測氣化爐壓力變送器數(shù)據(jù)，防止氣化爐壓力過高，則可避免由此導(dǎo)致的裝置緊急停車，提高經(jīng)濟(jì)性。

AMS系統(tǒng)采用基于Windows XP操作平臺(tái)的圖形化界面(圖5)，用戶可以方便快捷地進(jìn)行操作。AMS軟件啟動(dòng)后可以自動(dòng)掃描到物理硬件上連接的所有智能設(shè)備。

圖5 AMS系統(tǒng)主界面

AMS系統(tǒng)可與DCS系統(tǒng)同時(shí)運(yùn)行。AMS系統(tǒng)主機(jī)通過以太網(wǎng)和數(shù)據(jù)高速通路的通信連接設(shè)備HDL，將請(qǐng)求/響應(yīng)HART命令發(fā)送給控制器，控制器接收命令后將命令傳送給輸入輸出卡件，并發(fā)送給現(xiàn)場HART智能儀表設(shè)備?，F(xiàn)場設(shè)備接收命令后，依據(jù)HART協(xié)議規(guī)范，將命令響應(yīng)信息發(fā)送給控制器，然后由HDL送入AMS主機(jī)的數(shù)據(jù)庫[6]，從而實(shí)現(xiàn)AMS系統(tǒng)對(duì)現(xiàn)場設(shè)備的監(jiān)視和組態(tài)(圖6)。

圖6 AMS設(shè)備監(jiān)視和組態(tài)畫面

4 結(jié)束語

AMS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方便，通過對(duì)煤氣化裝置的變送器、閥門等設(shè)備進(jìn)行在線監(jiān)測、故障診斷、報(bào)警監(jiān)視和預(yù)防性維護(hù)，極大地簡化了設(shè)備的調(diào)試和維護(hù)工作，節(jié)省了大量人力物力。同時(shí)也極大地保證了設(shè)備運(yùn)行的可靠性，提高了裝置的自動(dòng)化程度，有利于裝置的安全穩(wěn)定運(yùn)行，降低了維護(hù)成本。因此，在煤氣化裝置中同時(shí)應(yīng)用DCS系統(tǒng)和AMS系統(tǒng)，能夠有效提高裝置運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性。

[1] 鐘國華.智能設(shè)備管理系統(tǒng)AMS應(yīng)用簡介[J].化學(xué)工程與裝備,2009,(5):217～219.

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ApplicationofAMSSysteminCoalGasificationPlantBasedonHARTProtocol

YAO Yan-jing, LIU Peng
(ElectricalControlOffice,ChangzhengEngineeringCo.,Limited)

The structure, configuration and the function of management system for intelligent devices were introduced and HART protocol model and network structure were presented. Practical application shows that, the on-line diagnosis and preventive maintenance of the device management system can improve both safety and efficiency of the coal gasification plant.

intelligent device management system, coal gasification plant, on-line diagnosis, preventive maintenance, HART protocol

TH862

B

1000-3932(2017)02-0180-04

2016-09-08，

2016-12-12)

要艷靜(1982-)，工程師，從事自控設(shè)計(jì)工作，yaoyanjingaa@163.com。