HART協(xié)議儀表在化工生產(chǎn)中的應(yīng)用

柳曉福

(中韓(武漢)石油化工有限公司，湖北 武漢 430000)

1 前言

HART協(xié)議采用基于Bell202標(biāo)準(zhǔn)的FSK(頻移鍵控)信號(hào),在低頻的4-20mA模擬信號(hào)上疊加一個(gè)頻率信號(hào)進(jìn)行雙向數(shù)字通訊[1]。HART協(xié)議智能儀表可同時(shí)測(cè)量多個(gè)參數(shù)，主要的變量和控制信息由4-20mA信號(hào)傳輸，其他過(guò)程參數(shù)、設(shè)備組態(tài)信息，診斷信息通過(guò)HART協(xié)議訪問(wèn)。

HART協(xié)議智能儀表被廣泛地應(yīng)用于化工企業(yè)裝置中,作為DCS系統(tǒng)中的檢測(cè)儀表，其數(shù)字功能未能充分利用，在不影響原有的儀表測(cè)量功能的情況下，充分發(fā)揮HART智能儀表數(shù)字信息，實(shí)現(xiàn)在儀表設(shè)備數(shù)據(jù)管理和測(cè)量解決問(wèn)題等多方面的應(yīng)用。本文以Honeywell公司的EPKS DCS系統(tǒng)為例，介紹了HART智能儀表在化工生產(chǎn)中應(yīng)用案例。

2 實(shí)時(shí)設(shè)備管理系統(tǒng)的實(shí)施

Honeywell公司的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備管理器(FDM)是一個(gè)儀表資產(chǎn)管理系統(tǒng)(IAMS)，用于配置和維護(hù)智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。FDM使用開(kāi)放的標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議，使用單一工具就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同廠家不同類(lèi)型的智能設(shè)備進(jìn)行管理。FDM使用未經(jīng)修改的供應(yīng)商設(shè)備描述(DD)文件和電子設(shè)備描述語(yǔ)言(EDDL)文件，以及設(shè)備類(lèi)型用于執(zhí)行設(shè)備配置、管理和診斷任務(wù)的管理器。

FDM通過(guò)以太網(wǎng)與DCS服務(wù)器提供的HART接口訪問(wèn)連接到相應(yīng)I/O的設(shè)備。HART的I/O設(shè)備同時(shí)使用模擬和數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，但只將數(shù)字HART信息傳遞給FDM。在DCS中設(shè)置專(zhuān)用的AMS操作站，借助于DCS系統(tǒng)強(qiáng)大的運(yùn)算能力和網(wǎng)絡(luò)拓展能力，HART數(shù)據(jù)被用于生產(chǎn)、維護(hù)、資源管理等方面，從而最大程度地發(fā)揮了HART協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)[2]。使用FDM的優(yōu)點(diǎn)如下：

(1) FDM可實(shí)時(shí)讀出HART智能儀表主變量參數(shù)(過(guò)程測(cè)量值或過(guò)程輸出值)、各副變量值參數(shù)單位等信息。儀表人員可通過(guò)在線進(jìn)行巡檢維護(hù)，與傳統(tǒng)的定期定時(shí)定點(diǎn)巡檢相比，節(jié)約巡檢時(shí)間和降低維護(hù)成本和人力成本。

(2)設(shè)備狀態(tài)預(yù)警，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，避免因儀表原因引起停車(chē)。HART儀表可以提供儀表自身的狀態(tài)信息，儀表人員通過(guò)在線查看儀表信號(hào)報(bào)警，便能準(zhǔn)確地判斷儀表的故障原因。

(3)簡(jiǎn)化維護(hù)工作。通過(guò)FDM程序軟件可以實(shí)現(xiàn)在線組態(tài)儀表參數(shù)，無(wú)需在現(xiàn)場(chǎng)用手操器進(jìn)行調(diào)試。在軟件上向HART智能儀表發(fā)出一個(gè)指定的模擬信號(hào)，對(duì)比現(xiàn)場(chǎng)儀表的動(dòng)作情況，判斷儀表控制回路是否正常工作，從而極大地減少現(xiàn)場(chǎng)儀表的調(diào)試時(shí)間。閥門(mén)的調(diào)校，定位器的標(biāo)定都可以在FDM軟件上進(jìn)行調(diào)試。根據(jù)閥門(mén)定位器的設(shè)備參數(shù)信息判斷現(xiàn)場(chǎng)控制閥門(mén)的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)閥門(mén)的預(yù)防性檢修。通過(guò)這種預(yù)測(cè)機(jī)制，儀表人員有依據(jù)進(jìn)行備件的提報(bào)采購(gòu)，制定合理的檢維修計(jì)劃，從而降低維護(hù)成本。

3 測(cè)量?jī)x表多變量傳輸功能

Honeywell公司的EPKS系統(tǒng)，選用的模擬量輸入卡件為Series_C系列，這種類(lèi)型卡件支持HART信號(hào)采集功能。在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)，這樣就可以方便地顯示和使用HART儀表的多個(gè)參數(shù)。

使用EPKS系統(tǒng)的組態(tài)軟件Control Builder，組態(tài)模擬量通道時(shí)，需要通過(guò)HART協(xié)議采集使用多個(gè)參數(shù)，前提需激活卡件的HART功能。在輸入功能塊的參數(shù)一覽表的HART Configuration下勾選激活Enable HART功能。HART采集參數(shù)在輸入功能塊的參數(shù)一覽表的HART Variables下進(jìn)行組態(tài)設(shè)置。組態(tài)一質(zhì)量流量計(jì)位號(hào)為3400FT50101,正常組態(tài)時(shí)只能在DCS上顯示質(zhì)量流量計(jì)的流量，但工藝操作員需要查看測(cè)量介質(zhì)的溫度和體積密度參數(shù)，可以通過(guò)HART協(xié)議組態(tài)添加所需的信息參數(shù)，從而將其參數(shù)在DCS畫(huà)面上顯示。組態(tài)信息如圖1所示。

使用HART協(xié)議測(cè)量?jī)x表多變量功能還可以應(yīng)用在質(zhì)量流量計(jì)的流量溫壓補(bǔ)償上。流量計(jì)測(cè)量氣體時(shí)，氣體的流量與氣體的密度成正比，氣體的密度易受溫度、壓力的影響，從而導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生誤差，一般情況下會(huì)對(duì)氣體質(zhì)量流量的測(cè)量進(jìn)行溫壓補(bǔ)償。例如采用差壓變送器測(cè)量氣體流量，需將流量、溫度、壓力三個(gè)信號(hào)引入DCS中，通過(guò)組態(tài)軟件對(duì)三者信號(hào)進(jìn)行流量的溫壓補(bǔ)償計(jì)算組態(tài)。HART儀表可提供多個(gè)測(cè)量參數(shù)，通過(guò)DCS采集數(shù)據(jù)，只需一個(gè)帶HART的功能儀表就可實(shí)現(xiàn)氣體流量計(jì)的溫壓補(bǔ)償。在施工困難和時(shí)間成本緊張的情況下，可以采用此方法進(jìn)行設(shè)計(jì)施工，方便快捷的實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)功能要求。

圖1 HART儀表多參數(shù)組態(tài)設(shè)置畫(huà)面

4 儀表伴熱在線監(jiān)測(cè)功能

檢查儀表保溫伴熱，是儀表人員的日常維護(hù)工作。它關(guān)系到防止儀表凍表，保證儀表測(cè)量系統(tǒng)的正常運(yùn)行。檢查儀表保溫伴熱是通過(guò)人員定期巡檢和凍凝發(fā)生后的儀表維護(hù)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)的，傳統(tǒng)人工巡檢方式實(shí)時(shí)性不強(qiáng)，且儀表安裝分布廣，高空處儀表檢查周期少，存在巡檢死角。這種巡檢制度和維護(hù)方式不能為維護(hù)人員提供溫度預(yù)警，存在一定的安全隱患。HART協(xié)議的智能儀表表體溫度可以代替測(cè)溫元件用于測(cè)量?jī)x表箱的環(huán)境溫度，因此可以在不影響測(cè)量信號(hào)傳輸?shù)那疤嵯?，通過(guò)HART協(xié)議將變送器膜盒的溫度引入DCS系統(tǒng)，在DCS系統(tǒng)內(nèi)建立溫度顯示及設(shè)置溫度低報(bào)警功能，實(shí)現(xiàn)全面監(jiān)視冬季儀表的運(yùn)行狀況。

繪制關(guān)鍵儀表數(shù)據(jù)監(jiān)控畫(huà)面。將關(guān)鍵儀表表體溫度統(tǒng)一顯示在DCS畫(huà)面上，達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)儀表伴熱溫度，儀表人員可以隨時(shí)查詢(xún)伴熱溫度信息，并且可以通過(guò)查看報(bào)警事件記錄，及時(shí)發(fā)現(xiàn)處理伴熱故障。同時(shí)對(duì)伴熱溫度增加歷史趨勢(shì)功能，儀表人員可以通過(guò)溫度升降趨勢(shì)的進(jìn)行分析，以最大程度地減少伴熱凍凝、設(shè)備凍壞事故。

5 結(jié)束語(yǔ)

利用HART協(xié)議對(duì)化工裝置生產(chǎn)過(guò)程設(shè)備信息進(jìn)行管理和共享，實(shí)現(xiàn)對(duì)儀表設(shè)備運(yùn)行情況進(jìn)行管理，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)儀表實(shí)施預(yù)防性檢維修。同時(shí)根據(jù)各裝置具體的生產(chǎn)要求，合理使用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)和HART智能儀表數(shù)字信息功能，將HART協(xié)議應(yīng)用于化工裝置生產(chǎn)管理和運(yùn)行維護(hù)。