基于PLC平臺的HART儀表管理系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)用

史 煒，李鐘欽，高 飛

（1.上海漕涇熱電有限責任公司，上海 201507；2.上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計研究院有限責任公司，上海 200240）

0 引言

近年來，伴隨著HART智能儀表在工業(yè)控制領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，越來越多的用戶配置有設(shè)備管理系統(tǒng)以獲取HART儀表額外豐富的信息并實施遠程配置和維護[1]，而目前主流的設(shè)備管理系統(tǒng)都是基于特定DCS控制平臺的設(shè)計，如西門子PCS7系統(tǒng)PDM設(shè)備管理站、艾默生的資產(chǎn)管理系統(tǒng)（AMS）等，其設(shè)備管理工作站常作為DCS一個工作站集成到控制系統(tǒng)平臺上實現(xiàn)一體化管控。這些系統(tǒng)功能強大，但價格昂貴，適合于大規(guī)模的HART儀表的集中管理。多年以來，在各行各業(yè)普遍應(yīng)用的PLC控制系統(tǒng)，受限于PLC技術(shù)水平和儀表控制規(guī)模，難以配套合適的儀表管理系統(tǒng)集成應(yīng)用，造成這些場合下HART儀表智能的配置只能采用手持通信終端到現(xiàn)場點對點進行，操作繁瑣且功能簡單。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)Fig.1 System overall structure

熱電廠位于工業(yè)區(qū)內(nèi)，肩負發(fā)電和為化學(xué)工業(yè)區(qū)內(nèi)的企業(yè)供熱任務(wù)。其熱網(wǎng)計量站作為管網(wǎng)調(diào)節(jié)終端分布在各用戶廠區(qū)內(nèi)，其儀控系統(tǒng)由PLC控制系統(tǒng)及HART智能儀表組成。本文針對此類場景下HART儀表集中管理的需求，提出了基于PLC平臺的HART儀表管理系統(tǒng)的設(shè)計方法。

1 總體方案設(shè)計

基于PLC平臺的HART儀表管理系統(tǒng)的設(shè)計核心為依托于PLC控制系統(tǒng)的軟硬件，實施對現(xiàn)場各類智能儀表的全方位管理，系統(tǒng)由設(shè)備層、控制層和管理層組成，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.1 設(shè)備層

包括支持HART協(xié)議的各類智能儀控設(shè)備：壓力變送器、溫度變送器、流量計、液位計、閥門定位器以及執(zhí)行機構(gòu)等。

1.2 控制層

控制層以PLC平臺的硬件為核心，包括HART I/O卡件、控制器等，HART I/O卡件提供現(xiàn)場HART設(shè)備接入通道，完成常規(guī)信號的采集并將HART報文路由到I/O總線網(wǎng)絡(luò)上，控制器提供與管理層的通訊接口，監(jiān)視HART模塊的工作狀態(tài)，輪詢所有現(xiàn)場HART設(shè)備的多變量信息。

1.3 管理層

圖2 I/O HART模塊接入原理圖Fig.2 Schematic diagram of I/O HART module access

通過設(shè)備管理站及其應(yīng)用軟件和通訊接口程序?qū)崿F(xiàn)具體設(shè)備管理功能，由應(yīng)用服務(wù)器、通訊服務(wù)器和HART應(yīng)用客戶端組成。根據(jù)管理需求，這幾個部分功能通過C/S構(gòu)架由不同工作站承擔，也可集成在同一工作站上。通訊服務(wù)器通過標準的工業(yè)通訊協(xié)議鏈接到PLC系統(tǒng)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)上，通過HART I/O卡件網(wǎng)關(guān)與現(xiàn)場智能設(shè)備進行數(shù)據(jù)交互。應(yīng)用服務(wù)器負責獲取通訊服務(wù)器中現(xiàn)場儀表的信息，儲存與設(shè)備儀表相關(guān)的數(shù)據(jù)和客戶端的運行操作記錄。HART應(yīng)用客戶端提供用戶交互界面，共享應(yīng)用服務(wù)器的設(shè)備數(shù)據(jù)，實施各設(shè)備儀表的配置、標定和診斷處理等各項管理功能。

2 PLC控制平臺設(shè)計

2.1 PLC選型設(shè)計

為提高HART技術(shù)與控制系統(tǒng)集成應(yīng)用的水平，充分利用控制系統(tǒng)提供豐富算法，同時避免多路復(fù)用器接入方式帶來的額外維護工作量，應(yīng)選用具備HART直接接入能力的PLC產(chǎn)品。目前，主流PLC控制系統(tǒng)如：西門子SIMATIC S7、施耐德M580和羅克韋爾ControlLogix等推出相應(yīng)的HART I/O模塊。這些模塊具備常規(guī)模擬量處理和HART信號通訊的雙重功能，內(nèi)嵌HART網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)換成有標準的工業(yè)通訊協(xié)議開發(fā)給設(shè)備管理系統(tǒng)，且經(jīng)過PLC自帶的編程軟件硬件組態(tài)和通訊地址預(yù)定義后，模塊能自主發(fā)出HART命令實時讀取HART儀表的多變量信息并循環(huán)更新CPU的映像區(qū)。在點對點組網(wǎng)方式下，其多變量典型更新周期為0.5s，可滿足大部分場合下監(jiān)控需求，其原理圖如圖2所示。

2.2 HART網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

PLC HART模塊都支持多點和點對點兩種組網(wǎng)模式，需結(jié)合工藝監(jiān)控要求、組網(wǎng)成本、現(xiàn)場設(shè)備分布進行針對性設(shè)計。

1）對于不參與控制且測量數(shù)據(jù)變化緩慢的HART儀表，如管網(wǎng)溫度、導(dǎo)電度等，為節(jié)省電纜開支，減少組網(wǎng)成本，可采用多點組網(wǎng)全數(shù)字通信方式完成HART變量采集，此種模式下HART模塊的單個通道允許并行連接最多15臺HART儀表[2]，按HART主設(shè)備與單個從設(shè)備典型輪詢周期500ms計算，PLC控制系統(tǒng)在約7.5s內(nèi)完成所有設(shè)備的掃描及其主過程變量讀取。

2）對于測量壓力、流量等快速變化的HART儀表或執(zhí)行機構(gòu)，為出于控制時效性和安全性考慮，應(yīng)采用點對點的組網(wǎng)模式和混合采集方式，即I/O HART卡件的每個通道只連接一臺HART儀表，儀表的主過程變量（PV）任由傳統(tǒng)的4mA～20mA傳輸給HART卡件的高速I/O處理單元，用于控制運算和調(diào)節(jié)，而其他多維HART變量、配置參數(shù)以HART協(xié)議的數(shù)字方式傳輸，數(shù)據(jù)更新周期約0.5s。

3 基于FDT/DTM技術(shù)的儀表管理構(gòu)架設(shè)計

3.1 FDT/DTM設(shè)備集成技術(shù)

目前，主要的設(shè)備集成技術(shù)有EDDL技術(shù)和FDT/DTM技術(shù)。EDDL采用二進制語言將設(shè)備的參數(shù)可視化描述、參數(shù)和功能描述及通信協(xié)議映射，用文本的方式封裝成EDD文件。其不能直接與設(shè)備通訊，必須通過EDD解析器解析和相應(yīng)的接口與設(shè)備通訊，在處理復(fù)雜的設(shè)備時有一定的局限[3]。

FDT/DTM利用微軟的COM技術(shù)和ActiveX技術(shù)，基于軟件組件開發(fā)的思想，把設(shè)備生產(chǎn)商開發(fā)的DTM作為一個軟件組件集成到框架應(yīng)用程序，從而實現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備的統(tǒng)一管理。FDT提供了現(xiàn)場設(shè)備與控制系統(tǒng)（或設(shè)備管理工具）之間進行數(shù)據(jù)交換標準化的接口規(guī)范，便于不同總線類型的設(shè)備集成到統(tǒng)一管理平臺，支持包括HART，F(xiàn)F，PROFIBUS等多種總線協(xié)議。相比較EDDL等其他設(shè)備集成技術(shù)，其在設(shè)備高級功能描述、總線類型支持、圖形增強界面、開放性等方面優(yōu)勢明顯，受到自動化廠商和用戶的廣泛認可。市場上也有成熟的基于FDT/DTM標準開發(fā)平臺或組件，非常適合于基于PLC平臺的設(shè)備管理技術(shù)開發(fā)與集成，可以大為降低系統(tǒng)開發(fā)難度，縮短開發(fā)周期。

PLC的HART儀表管理系統(tǒng)應(yīng)具有很好的普適性，不依賴特定PLC控制系統(tǒng)，同時兼顧用戶經(jīng)濟承受能力和系統(tǒng)集成的技術(shù)難度。因此，基于市面上成熟的FDT/DTM框架軟件提供的開放軟件平臺實現(xiàn)低成本和靈活的設(shè)備管理功能是個最佳的選擇。

3.2 FDT技術(shù)要素

FDT技術(shù)包括3個要素：框架應(yīng)用程序（Frame Application），設(shè)備DTM（Device Tool Manager）以及通訊DTM[4]，圖3示意了FDT框架體系結(jié)構(gòu)。

圖3 系統(tǒng)首頁界面示意圖Fig.3 Schematic diagram of system home page interface

1）FDT框架應(yīng)用程序提供DTM運行環(huán)境，通過標準的接口協(xié)議與DTM程序交互，集成現(xiàn)場設(shè)備的參數(shù)設(shè)置與組態(tài)的功能模塊，包括：用戶權(quán)限、報表管理、審計跟蹤、DTM資源庫管理等。2）設(shè)備DTM組件通常由設(shè)備制造商隨同設(shè)備一起提供，它包含了設(shè)備的所有數(shù)據(jù)、功能和執(zhí)行規(guī)則，如：設(shè)備結(jié)構(gòu)、設(shè)備通信能力、內(nèi)部相互依賴關(guān)系以及人機接口結(jié)構(gòu)，并提供獲取設(shè)備參數(shù)、配置、操作、問題診斷等功能。3）通信DTM為連接設(shè)備DTM和主機系統(tǒng)的特定通訊驅(qū)動組件，提供一個標準化的通信應(yīng)用過程接口（API）處理通訊服務(wù)器到現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)接口卡的通信，確保DTM在實施參數(shù)監(jiān)視、配置操作、診斷維護各項應(yīng)用時能隨時獲取現(xiàn)場設(shè)備可用的信息。

3.3 HART儀表管理平臺構(gòu)架設(shè)計

從上面可知，基于FDT/DTM技術(shù)的HART儀表管理系統(tǒng)必須包括框架應(yīng)用程序、設(shè)備DTM組件、通信DTM組件3個基本要素。

1）框架應(yīng)用程序

目前，應(yīng)用較多的第三方FDT框架軟件有M＆M公司 FDT CONTAINER、E+H的FieldCare以及倍加福的PACTware等。這些軟件基于功能組件設(shè)計方法，組件之間通過XML方式交互和數(shù)據(jù)共享，提供開放的開發(fā)平臺和組件開發(fā)包，定制開發(fā)各類個性化管理應(yīng)用程序。

2）設(shè)備DTM組件

圖4 類“DTM”結(jié)構(gòu)Fig.4 "DTM" Structure

目前，有超過2000款設(shè)備的DTM組件程序通過FDT國際組織認證，已認證的DTM列表可以通過FDT官網(wǎng)獲取，這些設(shè)備DTM組件通常由HART儀表廠商提供。除此以外，有些廠商只能提供EDD文件，如ROTORK電動調(diào)閥，這給系統(tǒng)集成帶來了困難。一種解決方案是利用通用HART DTM組件（Generic HART DTM）提供的通用指令、常用命令配置HART設(shè)備的主要參數(shù)，但無法實現(xiàn)諸如小信號切除、設(shè)備標定、調(diào)閥控制等專用HART功能；另一種解決方案是利用FDT平臺提供的SDK組件開發(fā)包，通過EDD解釋器函數(shù)解析EDD文件，生成FDT識別的XML格式的設(shè)備描述文件形成類“DTM”組件，實現(xiàn)與FDT框架程序的集成，如圖4所示。

3）通信DTM組件

通信DTM作為對應(yīng)的PLC HART模塊通訊驅(qū)動組件，由PLC廠商配套提供。DTM安裝后，自動進入FDT框架軟件的DTM資源庫，供用戶組態(tài)。其作用是將儀表DTM中的HART通信指令發(fā)送給I/O HART模塊，由I/O HART模塊完成報文解析，繼而完成HART智能儀表數(shù)據(jù)的上傳和下置。

4 HART儀表管理功能設(shè)計

FDT框架應(yīng)用程序提供了系統(tǒng)功能，如DTM庫管理、拓撲掃描、診斷掃描、上傳/下裝管理、通訊配置等，根據(jù)用戶的使用需求在設(shè)備DTM的基本功能上結(jié)合PLC平臺算法，利用FDT開發(fā)工具包進行定制化功能開發(fā)，主要功能設(shè)計如下：

4.1 儀表組態(tài)下裝及參數(shù)回傳

調(diào)用設(shè)備DTM應(yīng)用界面，代替手操器遠程執(zhí)行現(xiàn)場智能儀表的組態(tài)設(shè)置及組態(tài)修改；根據(jù)儀表類型設(shè)定儀表的傳感器量程、阻尼系數(shù)、輸出函數(shù)、工程單位、死區(qū)、濾波頻率、主變量選擇、K系數(shù)等參數(shù)，回傳在線儀表組態(tài)信息保存到數(shù)據(jù)庫中；在更換儀表后，可直接選取正確歷史組態(tài)信息下載到儀表中。

4.2 設(shè)備故障診斷

采用輪詢方式對關(guān)鍵設(shè)備進行狀態(tài)監(jiān)視，自動讀取HART儀表的信號斷線、測量超限、傳感器電子故障等方面的自診斷狀態(tài)結(jié)果，以圖形化方式詳細呈現(xiàn)設(shè)備運行健康狀況。一旦診斷出設(shè)備故障觸發(fā)報警事件，彈出實時報警面板，并輔助聲音、顏色提醒，數(shù)據(jù)庫自動記錄報警事件，用于維護人員快速查找和追憶。

4.3 設(shè)備在線校驗

用戶創(chuàng)建在線校驗測試方案，自定義校驗點數(shù)、范圍和精度要求，自動執(zhí)行校驗流程和記錄HART主變量數(shù)據(jù)。根據(jù)校驗前后最大誤差偏差，生成儀表校驗曲線，判斷儀表的穩(wěn)定性或漂移等性能。最終，生成設(shè)備標定報告并歸檔，便于日后查閱和無紙化管理。

4.4 調(diào)閥的性能檢測與評估

與DCS的HART設(shè)備管理系統(tǒng)相比，PLC控制系統(tǒng)自身可以實時獲取所有在線HART儀表精確的多變量數(shù)字信號；利用PLC控制系統(tǒng)組態(tài)平臺提供的查表、差值，最小二乘高級算法功能塊，建立全工況下HART調(diào)節(jié)閥的閥位反饋、控制指令、閥門動作時間參數(shù)與閥后流量、閥后壓力的關(guān)聯(lián)模型；運行人員可定期在線檢測與評估閥門動作時間、閥門的流量特性、壓力調(diào)節(jié)性能，指導(dǎo)設(shè)備檢修和運行調(diào)整。

5 工程應(yīng)用

熱網(wǎng)計量站PLC選用的是施耐德M580 PLC及帶HART功能的模擬量輸入模塊BMEAHI0812和模擬量輸出模塊BMEAHO0412。模塊內(nèi)嵌有HART多路復(fù)用器和EtherNet/Comm Adapter網(wǎng)關(guān)[5]，將HART協(xié)議轉(zhuǎn)換成EtherNet IP或Modbus TCP標準工業(yè)協(xié)議。模塊支持HART基金會組織規(guī)定的HART所有通用命令和大多數(shù)常用命令，自主完成HART協(xié)議的數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層功能，共配置4塊模擬量輸入模塊和1塊模擬量輸出模塊，以點對點方式接入現(xiàn)場HART儀表。

現(xiàn)場HART儀表為3051壓力變送器、644溫度變送器、8800D渦街流量計，儀表DTM組件安裝程序從艾默生官網(wǎng)上獲取，施耐德提供的Mx80HARTGatewayDTM程序包含了兩種類型I/O HART模塊的通訊DTM。

儀表管理的框架軟件選用獨立于制造商和現(xiàn)場總線類型的PACTware框架軟件，該軟件由公益性的PACTware組織推廣，完全免費，節(jié)約開發(fā)成本。根據(jù)計量站儀表管理需求，只設(shè)置一臺設(shè)備管理站完成參數(shù)設(shè)定、故障診斷、儀表校驗、回路測試等功能，圖5為流量計管理界面。

6 結(jié)束語

基于PLC平臺的HART儀表管理系統(tǒng)集成了PLC的HART及FDT框架技術(shù)，直接接入現(xiàn)場智能儀表的HART信號，低成本解決了PLC應(yīng)用場合下智能儀表的遠程配置、故障診斷和集中管理的問題，同時依托FDT框架開放的組

圖5 計量站流量計管理界面Fig.5 Flow meter management interface of metering station

件技術(shù)和PLC平臺強大的算法能力，結(jié)合HART智能儀表的大量附加信息，進一步實現(xiàn)工藝設(shè)備的設(shè)備狀態(tài)檢修和預(yù)測性維護功能，為電廠全面數(shù)字化生產(chǎn)和管理奠定基礎(chǔ)。