兩種通訊協(xié)議智能儀表在化工試驗(yàn)裝置的成功應(yīng)用

朱桂霞

（中海油化工與新材料科學(xué)研究院（北京）有限公司，北京 102209）

0 引言

智能儀表的高穩(wěn)定性、高可靠性、高精度、測量范圍寬，一直是其區(qū)別于常規(guī)儀表的優(yōu)點(diǎn)，而且其維護(hù)維修的靈活性，更適宜于在線長周期運(yùn)行。在一般的生產(chǎn)過程中，有時(shí)并不需要儀表性能很高，只要運(yùn)行穩(wěn)定，測量相對準(zhǔn)確就可以了。但試驗(yàn)裝置不同，試驗(yàn)的目的是數(shù)據(jù)提取，通過數(shù)據(jù)來分析試驗(yàn)是否達(dá)到要求，因此對測量數(shù)據(jù)的質(zhì)量較常規(guī)要求要高，另外根據(jù)試驗(yàn)任務(wù)的不同，采用的原料、實(shí)驗(yàn)方案也會發(fā)生變化。這就要求儀表測量范圍寬泛，組態(tài)靈活，以適應(yīng)不同介質(zhì)和方案，這也是智能儀表的優(yōu)點(diǎn)之一。本文根據(jù)多年的工作經(jīng)驗(yàn)，以浙江中控ECS-100系列DCS 為基礎(chǔ)，通過智能儀表與DCS 的通訊，介紹了HART 和MODBUS 兩種通訊協(xié)議智能儀表在實(shí)驗(yàn)裝置的成功應(yīng)用。

1 智能儀表的優(yōu)點(diǎn)

與傳統(tǒng)儀表相比，智能儀表體積縮小、重量減輕、功耗低、響應(yīng)快，整機(jī)的性能有很大提高，具有高精度、高性能、多功能、測量范圍寬的特點(diǎn)，在測量過程自動(dòng)化、數(shù)據(jù)處理及功能多樣化、遠(yuǎn)程通訊等方面與傳統(tǒng)儀表相比，優(yōu)勢明顯。

智能儀表的廣泛應(yīng)用正是由于其突出的技術(shù)優(yōu)勢和特點(diǎn)[1]。例如高精度，一般都在±0.1%～±0.2%，有的還能到達(dá)±0.075%；二是功能強(qiáng)，智能儀表除了具備基本的功能，比如信號類型選擇、顯示方式等，還可以進(jìn)行開方、溫壓補(bǔ)償及各種復(fù)雜的運(yùn)算；三是測量范圍寬，以變送器為例，普通變送器的量程比有限，一般為6、7，最多不超過10，而智能變送器的量程比很大，有40、50、100，甚至400。正負(fù)遷移量可調(diào)范圍廣，適用范圍寬，增強(qiáng)了通用性和互換性，能最大化覆蓋備件，減少庫存，降本增效。

智能儀表最大的亮點(diǎn)在于在線操作。日常應(yīng)用較多的是利用手持終端連接儀表，既可在現(xiàn)場調(diào)整，也可以在控制室將手操器連接到儀表回路，完成一些基本操作。本文介紹上位系統(tǒng)（DCS）管理，帶有HART 或MODBUS 通訊協(xié)議的儀表遠(yuǎn)程通訊到DCS，在DCS 組態(tài)，進(jìn)行零點(diǎn)及量程的調(diào)校、變更，查看儀表自診斷的故障結(jié)果、實(shí)時(shí)狀態(tài)等諸多信息。

2 HART協(xié)議智能儀表的應(yīng)用

2.1 HART協(xié)議

它是指可尋址遠(yuǎn)程傳感器高速通道的開放通信協(xié)議，在HART 協(xié)議[2]通信中主要的變量和控制信息由4mA ～20mA 傳送，另外的測量、過程參數(shù)、設(shè)備組態(tài)、校準(zhǔn)、診斷信息通過HART 協(xié)議訪問。通過手持終端或上位系統(tǒng)在線對儀表進(jìn)行遠(yuǎn)程組態(tài)，提供更多的實(shí)況、狀態(tài)等管理信息。尤其是通過上位系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場儀表的管理，可以減少日常維護(hù)維修工作量,提高工作效率，提高現(xiàn)場儀表的自動(dòng)化管理水平，同時(shí)降低現(xiàn)場作業(yè)頻次，在一定程度上減少了室外作業(yè)的安全風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 信號連接

本公司采用的是浙江中控的ECS-100DCS，輸入卡件為FW351H、8 路點(diǎn)點(diǎn)隔離的HART 電流信號輸入卡[3]，能夠?qū)Ψ螲ART 協(xié)議的智能儀表進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。符合HART 協(xié)議的信號進(jìn)入卡件后，被分為兩路：一路為4mA ～20mA 電流信號，一路是HART 信號。電流信號傳送主要的變量和控制信息，HART 信號經(jīng)卡件處理后，通過RS-485/以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換，進(jìn)入操作員站，監(jiān)控人員可以通過HART 協(xié)議訪問測量、過程參數(shù)、設(shè)備組態(tài)、校準(zhǔn)、診斷等信息，實(shí)現(xiàn)管控一體化。

DCS 的智能管理系統(tǒng)為SAMS[4]，其硬件部分為HART協(xié)議網(wǎng)橋，軟件部分是SAMS 智能設(shè)備管理系統(tǒng)軟件，通過該軟件，可方便快捷的組態(tài)、校準(zhǔn)及檢查現(xiàn)場的智能設(shè)備。

FW351H 卡件的JP3、JP4 跳線可以選擇RS-485 通訊線的引出方式，JP5、JP6 跳線選擇卡件在RS-485 上是作為普通節(jié)點(diǎn)還是終端節(jié)點(diǎn)。通過設(shè)置，選擇正確的RS-485接線方式，實(shí)現(xiàn)HART 的通信。

2.3 在試驗(yàn)裝置的應(yīng)用實(shí)例

本公司的高酸原油脫酸實(shí)驗(yàn)裝置，設(shè)計(jì)有ABCDEF 6種試驗(yàn)方案，對應(yīng)6 種流程組合，隨著實(shí)驗(yàn)方案的切換儀表也需要進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，因此本裝置儀表基本選擇了帶有HART 協(xié)議的智能儀表，而且開工初期，動(dòng)態(tài)平穩(wěn)需要一段時(shí)間，調(diào)整比較頻繁，此時(shí)HART 協(xié)議儀表的實(shí)時(shí)在線組態(tài)就顯示出了其優(yōu)越性。

以減壓塔為例，減壓塔是脫酸裝置的重要設(shè)備，其塔底液位是及其重要的控制參數(shù)。液位測量采用了3051 高溫智能型雙法蘭差壓式液位變送器，輸出HART 信號。液位信號進(jìn)入室內(nèi)DCS 系統(tǒng)后，RS-485 信號引出方式選擇從機(jī)籠母板后的RS-485 端子引出，端子板采用TB351-IU，與FW351H 相匹配。FW351H 的JP1 跳為“單卡”，同時(shí)SW1 的“3”撥碼撥為“OFF”，JP3、JP4 跳2-3 腳，使得RS-485 信號引出方式為從機(jī)籠母板后的RS-485 端子引出。進(jìn)入DCS 后，通過SAMS 管理軟件，對變送器進(jìn)行組態(tài)，組態(tài)完成后，該液位的即時(shí)測量值、過程參數(shù)、設(shè)備設(shè)置、校準(zhǔn)、診斷等信息通過HART 協(xié)議就可以訪問，而且在DCS 上實(shí)時(shí)顯示。

通過DCS 上這些信息，在工藝調(diào)整的每個(gè)階段，儀表參數(shù)可以隨時(shí)調(diào)整[5]。如果試驗(yàn)任務(wù)不同，采用的原料發(fā)生變化，如國內(nèi)原油/加拿大油砂瀝青切換時(shí)，可隨時(shí)調(diào)整介質(zhì)參數(shù)，以便正確測量，指導(dǎo)試驗(yàn)。此外，運(yùn)行過程中可以預(yù)防維護(hù)，一旦出現(xiàn)偏差或者報(bào)警，可以實(shí)時(shí)查看更為詳細(xì)的信息，初步判斷故障類型，維修人員攜帶正確的工具到現(xiàn)場去，有的放矢，提高了維護(hù)效率。

3 MODBUS協(xié)議智能儀表的應(yīng)用

3.1 MODBUS通訊

MODBUS 是一個(gè)工業(yè)通訊系統(tǒng)，是建立在RS232C、RS 485 或RS 422 數(shù)據(jù)通訊接口協(xié)議基礎(chǔ)之上，在支持本協(xié)議的設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)通訊的一種通訊技術(shù)。它可以應(yīng)用于各種數(shù)據(jù)采集和過程監(jiān)控，MODBUS 通訊協(xié)議在智能儀表中應(yīng)用也占了較大的比例。

以艾默生質(zhì)量流量計(jì)為例，其輸出信號有3 種：電流信號、脈沖信號和MODBUS 通信。用電流信號、脈沖信號作為輸出時(shí)，DCS 只能接收一種測量信號，如果采用MODBUS 通信，在接受質(zhì)量流量的同時(shí)，還可以實(shí)時(shí)讀取密度、流體溫度、累計(jì)流量、體積流量、故障信息等，把這些信號利用起來可以減少儀表的數(shù)量，節(jié)省大量電纜、安裝材料和安裝費(fèi)用，同時(shí)也減少了設(shè)備上的安裝開孔。因此，使用MODBUS 通訊使得質(zhì)量流量計(jì)的功能發(fā)揮到最大，尤其是使用在介質(zhì)、工況多變的場合，其先進(jìn)性更能得到體現(xiàn)。

3.2 MODBUS通訊組態(tài)

ECS-100DCS 的FW248 多串口多協(xié)議通信接口卡[6]，提供標(biāo)準(zhǔn)的MODBUS 協(xié)議，可實(shí)現(xiàn)質(zhì)量流量計(jì)與DCS 系統(tǒng)的通訊，達(dá)到數(shù)據(jù)在DCS 系統(tǒng)中的共享。

每一塊FW248 卡件有6 個(gè)串口，4 個(gè)RS232/485，2 個(gè)RS232，每個(gè)串口最多可以驅(qū)動(dòng)32 臺設(shè)備。MODBUS 通訊組態(tài)主要包括以下方面：一是串口參數(shù)組態(tài)，包括波特率、校驗(yàn)方式等；二是命令組態(tài)，例如讀、寫寄存器等；三是讀數(shù)或取數(shù)模塊，將命令執(zhí)行后的數(shù)據(jù)讀寫到數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。

3.2.1 FW248設(shè)置

FW-248 通訊接口卡，提供標(biāo)準(zhǔn)的MODBUS 協(xié)議與第三方智能設(shè)備進(jìn)行通訊，利用SCControl 的圖形化編程語言對通訊參數(shù)、協(xié)議進(jìn)行組態(tài)。

FW-248 硬件組態(tài)與主控卡組態(tài)方法一致，在“主機(jī)設(shè)置”界面中完成，可放置I/O 機(jī)籠右側(cè)的16 個(gè)卡槽任意位置，占用兩個(gè)槽位，其配對端子板為TB-248。撥碼開關(guān)SW42 用于設(shè)置FW-248 的網(wǎng)絡(luò)地址。

FW-248 通訊組態(tài)主要由以下幾個(gè)部分組成：

一是對串口的通訊參數(shù)組態(tài)。串口通信方式是通過GW_SETCOM 模塊設(shè)置， 包括波特率Baud（1200kbps ～19200kbps）、數(shù)據(jù)位DataBit（5 位、6 位、7位、8 位）、校驗(yàn)方式Verify（無校驗(yàn)、奇校驗(yàn)、偶校驗(yàn)、MARK、SPACE）、停止位StopBit（1 位、2 位）的設(shè)置。

二是命令組態(tài)。包括具體的MODBUS 通訊協(xié)議[7]，是通過GW_MODBUS_RTU 主機(jī)模塊、GW_MODBUS_SLAVE從機(jī)模塊來設(shè)置的。MODBUS RTU 主機(jī)模式中Func 引腳是定義功能碼；Slave 引腳是定義從站地址，也就是要與其通訊的從站地址；Mum 為所要讀、寫的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)。

三是讀數(shù)或取數(shù)設(shè)置。將要讀取到的數(shù)據(jù)寫到自定義位號或?qū)⒆远x位號的數(shù)據(jù)寫到命令緩沖區(qū)。其實(shí)只需記住GW_GETMORE 和GW_SETMORE 兩個(gè)模塊，就能滿足對大多數(shù)數(shù)據(jù)的操作。這兩個(gè)模塊中的Serial 定義數(shù)據(jù)在命令緩沖區(qū)中的順序（從0 開始）；DataType 定義了自定義變量的類型（1-自定義1 字節(jié)；2-自定義2 字節(jié)；4-自定義4 字節(jié)；8-自定義8 字節(jié)）；VarId 定義自定義變量ID號，Num 定義連續(xù)存取個(gè)數(shù)。

3.2.2 MODBUS通訊組態(tài)

MODBUS 串口設(shè)置[8]：波特率9600kps，8 位數(shù)據(jù)位，1 個(gè)停止位，無奇偶校驗(yàn)位；MOUBUS 從站地址為10，MODBUS 主站向MODBUS 從站發(fā)送32 個(gè)2 字節(jié)數(shù)據(jù)。

ECS-100 MODBUS 主站程序如圖1 所示。

圖1 ECS-100 DCS系統(tǒng)MODBUS主站通訊組態(tài)Fig.1 MODBUS Master station communication configuration of ECS-100 DCS system

其中：①GW_SETCOM 模塊是設(shè)置串口通訊協(xié)議的，在這里定義通訊雙方的波特率、數(shù)據(jù)位、停止位和奇偶校驗(yàn)位；②MODBUS RTU 主機(jī)設(shè)置模塊，在其中設(shè)置了從站地址、功能碼、所要讀/寫的數(shù)據(jù)起始位和讀取的數(shù)據(jù)數(shù)量；③GW_GETCMDINFO 模塊的功能是獲取命令診斷數(shù)據(jù)，DataQuality 引腳為數(shù)據(jù)質(zhì)量碼，當(dāng)連續(xù)3 次通訊正常時(shí)置為1，當(dāng)連續(xù)3 次通訊異常時(shí)置為0。DCS 的地址是從0 開始編址，而MODBUS 編址是從1 開始，在此應(yīng)該注意二者地址的對應(yīng)關(guān)系。

（1）樁西中、古生界潛山在經(jīng)歷了擠壓應(yīng)力到張性斷裂的交替變化后，其發(fā)育的負(fù)反轉(zhuǎn)構(gòu)造主要有截?cái)嗳≈毙拓?fù)反轉(zhuǎn)、單條沖斷系負(fù)反轉(zhuǎn)和復(fù)雜沖斷系的局部負(fù)反轉(zhuǎn)3種構(gòu)造樣式。

ECS-100 DCS 系統(tǒng)作為MODBUS 從站程序時(shí)，組態(tài)程序如圖2 所示。

圖2 ECS-100 DCS系統(tǒng)MODBUS從站通訊實(shí)例Fig.2 Example of MODBUS slave communication in ECS-100 DCS system

其中：①GW_SETCOM 模塊是設(shè)置串口通訊協(xié)議的；②GW_MODBUS_SLAVE 模塊為MODBUS 從站模塊，定義MODBUS 從站地址；③GW_GETCMDINFO 模塊的功能是獲取命令診斷數(shù)據(jù)。

通過ECS-100 DCS 系統(tǒng)主站和從站可以看到，與MODBUS 主站不同的是MODBUS 從站中沒有定義功能碼，這是因?yàn)樽鳛閺恼荆恍瓒x與MODBUS 主站的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和MODBUS 從站的地址，只需把所需要通訊的數(shù)據(jù)寫在自定義變量中，等MODBUS 主站來讀/寫數(shù)據(jù)。

組態(tài)完成并調(diào)試成功后，就可以通過MODBUS 通訊讀取現(xiàn)場智能儀表中的數(shù)據(jù)[9]，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在DCS 系統(tǒng)中的共享。

3.3 在試驗(yàn)裝置的應(yīng)用實(shí)例

質(zhì)量流量計(jì)的MODBUS 通訊應(yīng)用，在本公司得到了充分體現(xiàn)，尤其是在溶劑脫碳組合裝置實(shí)驗(yàn)過程起到了重要作用。公司新型重油脫碳組合裝置為國內(nèi)首套滿足C3/C5兩種不同溶劑的脫碳組合試驗(yàn)裝置，先后進(jìn)行了C3、C5以及加拿大油砂瀝青加工試驗(yàn)。

由于是試驗(yàn)裝置，隨著試驗(yàn)方案的變化，原料組分經(jīng)常變化，產(chǎn)品收率也是隨時(shí)調(diào)整，數(shù)據(jù)的提取就顯得格外重要，尤其是流量儀表直接關(guān)系到進(jìn)出裝置的物料平衡、操作負(fù)荷，影響到試驗(yàn)結(jié)果的最終評價(jià)。幾次試驗(yàn)均取得了豐富的操作數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的取得離不開儀表精準(zhǔn)測量，尤其是質(zhì)量流量計(jì)通訊的應(yīng)用，對指導(dǎo)操作起到了關(guān)鍵作用。

在初始設(shè)計(jì)階段，流量儀表選用的雙轉(zhuǎn)子流量計(jì)，由于裝置規(guī)模小，因而各儀表口徑小、量程小，加之介質(zhì)多變、粘稠，導(dǎo)致基本不能測量，影響了工藝操作，尤其是進(jìn)出裝置的物料。由于沒有測量數(shù)據(jù)，無法對結(jié)果進(jìn)行分析，無法做物料平衡，所以在停工改造時(shí)經(jīng)過反復(fù)考察，先后排除了孔板流量計(jì)、靶式流量計(jì)等常規(guī)儀表，選用了適合測量高粘度流體，量程比大的質(zhì)量流量計(jì)[10]。將進(jìn)出裝置物料的測量由雙轉(zhuǎn)子流量計(jì)改為質(zhì)量流量計(jì)，分別是原料進(jìn)裝置1 臺、產(chǎn)品出裝置3 臺。

事實(shí)證明，在進(jìn)行溶劑組合生產(chǎn)的過程中，通過DCS對質(zhì)量流量計(jì)各參數(shù)的讀取，指導(dǎo)了工藝的操作。如一段時(shí)間內(nèi)脫油瀝青出裝置流量波動(dòng)很大，工藝人員認(rèn)為操作無問題，懷疑是儀表測量不準(zhǔn)，儀表維護(hù)人員通過查閱DCS 各參數(shù)趨勢，發(fā)現(xiàn)密度發(fā)生了變化，隨即告知操作人員，應(yīng)該是工藝條件發(fā)生了變化，介質(zhì)存在氣液兩相，導(dǎo)致測量波動(dòng)，操作人員及時(shí)進(jìn)行了調(diào)整，產(chǎn)品隨后趨于平穩(wěn)。由于幾臺流量計(jì)都進(jìn)行了與DCS 的通訊，因而在保證了能源計(jì)量的同時(shí)，給工藝生產(chǎn)提供了關(guān)鍵指導(dǎo)。

溶脫組合試驗(yàn)成功后，脫酸裝置的幾條側(cè)線流量也改為經(jīng)濟(jì)型質(zhì)量流量計(jì)。由于本公司幾套裝置都是工業(yè)化試驗(yàn)裝置，加工的原油種類多，方案多變，在最初的設(shè)計(jì)中，脫酸側(cè)線流量采用了普通的孔板。但是在實(shí)際開工過程中，由于原油種類、試驗(yàn)方案的變化，導(dǎo)致介質(zhì)密度、粘度等影響測量的重要參數(shù)不斷變化，量程變化很大，因而給測量帶來了滯后以及誤差，采用帶有MODBUS 通訊協(xié)議的質(zhì)量流量計(jì)后，因?yàn)槠淞砍瘫葘?，適應(yīng)渣油等比較惡劣的工況，測量精度高，投用后，效果非常好。在實(shí)測參數(shù)的指導(dǎo)下，工藝人員及時(shí)調(diào)整操作，產(chǎn)品合格，達(dá)到了試驗(yàn)要求。

4 結(jié)束語

儀表的精確測量，保證了試驗(yàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)準(zhǔn)確提取，如C3/C5 組合裝置，最終各項(xiàng)試驗(yàn)成功，丙烷臨界溶劑回收率達(dá)到90.9%，戊烷溶劑臨界回收率達(dá)到88%，達(dá)到國內(nèi)先進(jìn)水平，特別是戊烷裝置的開工運(yùn)行，為重質(zhì)油及油砂的改質(zhì)、運(yùn)輸提供了工藝基礎(chǔ)，填補(bǔ)了國內(nèi)溶脫工藝工業(yè)化生產(chǎn)裝置的技術(shù)空白。

帶有HART 或MODBUS 協(xié)議的智能儀表功能齊全，應(yīng)用靈活，因此可以在試驗(yàn)裝置廣泛應(yīng)用。尤其是在對測量數(shù)據(jù)要求高、介質(zhì)特殊，不適合常規(guī)儀表的場合，充分應(yīng)用智能儀表的通訊功能，實(shí)現(xiàn)多參數(shù)監(jiān)控，實(shí)時(shí)在線調(diào)整組態(tài)，對指導(dǎo)試驗(yàn)、數(shù)據(jù)提取起到關(guān)鍵作用。