HART信號采集系統在乙烯裝置中的應用

李建立 肖麗娟 謝常青

(1.中國石油獨山子石化公司乙烯廠，新疆 克拉瑪依 833600；2.中國石油廣東石化公司，廣東 揭陽 515200)

現代化工企業儀表系統的智能化管理已經成為發展趨勢，目前許多新建化工項目都普遍引入資產管理系統(Asset Management System，AMS)，該系統是對智能儀表及智能閥門定位器等設備實行在線組態、診斷、校驗和歷史事件記錄管理的一體化方案，使現場儀表的維護更加方便可靠。中國石油獨山子石化公司化工新區乙烯裝置的AMS系統采用橫河公司的PRM(Plant Resource Manager)軟件對裝置的所有智能儀表進行管理，將現場各種智能儀表設備的信息數據綜合在一起并保存在中央數據庫中。乙烯裝置的所有儀表全部選用HART智能儀表，分別進入DCS、SIS和成套包系統，將這些進入不同系統儀表的HART信號進行采集并送至PRM系統進行統一管理是筆者重點闡述的內容。

1 HART協議在裝置中的作用①

HART(Highway Addressable Remote Transducer)協議是一種現場總線技術，被稱為可尋址遠程傳感器高速通道開放通信協議，采用標準Bell202頻移鍵控信號以1 200bit通信，以低電平加載于4～20mA模擬信號上。允許模擬信號和數字信號同時在4～20mA一對導線上傳送，從而增加了遠傳數字通信的功能。HART智能變送器既可以接入DCS，又可以通過總線通信組成完整的現場總線控制系統(FCS)，同時還可以通過手操器在線調整變送器參數。

每一個HART儀表的數字信號中平均能提供35～40項信息。要充分利用這些信息，唯一的條件就是要與HART儀表建立連續的、長期的通信聯系。如果只是偶爾用手持器與HART儀表進行短時間的通信，那么HART協議的潛能是無法發揮出來的。在新區乙烯裝置中，利用HART協議的優勢主要有兩個方面：

a. 便于儀表和控制回路的調試。HART儀表都能提供儀表本身的信息，包括型號、測量范圍、制造廠名稱、材料及工位號等，因此在需要對某臺儀表進行調試時不需要到現場用375手操器進行操作，只需打開PRM程序，通過HART協議將儀表的各項信息引入PRM程序，在控制室內就可以完成該臺儀表的組態，而且還可以給HART儀表輸出一個指定的模擬信號，然后觀察控制回路的動作，以確定控制回路是否能正常工作，也可以利用這種方法來啟動報警或安全聯鎖系統，確認這些系統的動作是否正確。從而極大地減少現場儀表的調試時間。

b. 利用HART協議實現儀表伴熱狀態監測。地處我國北方的化工企業的儀表系統冬天普遍需要伴熱，伴熱系統的好壞直接影響儀表測量的準確性甚至威脅到裝置的平穩運行。由于新區乙烯裝置現場儀表全部選用HART智能儀表，筆者充分利用HART信號采集功能實現現場智能儀表表體溫度采集，實現對儀表伴熱系統的監測與報警。

2 在線維護和在線診斷

通過HART協議將儀表信號引入PRM軟件平臺，可以實現在線維護和在線診斷功能，修改組態量程，甚至進行閥門的調校工作，實現精確的資產管理。當一臺儀表經過維護后重新投入使用，PRM數據庫會在一個周期內自動更新，其內容包括具體的維護方法和最近一次的維護時間。利用PRM來跟蹤儀表的狀態并預見將要發生的故障，提醒維護人員做前瞻性的維護，前瞻性維護相對于傳統的定期維護也更有效率。

3 HART信號的采集

3.1 DCS中的HART信號采集

乙烯裝置采用的是CENTUM CS3000 DCS，選用的模擬量輸入卡件型號為AAI143，這種類型的卡件本身支持HART信號采集功能。DCS中的HART信號采集在DCS中完成I/O通道組態的基礎上，只需要組態HART采集的通道和HART采集參數，所以DCS的HART信號采集比SIS的HART信號采集簡單。DCS的HART信號采集結構如圖1所示。模擬量信號進入卡件AAI143后，由卡件進行信號采集，然后由控制器CP451引出的兩根網線BUS1和BUS2連至交換機L2SW，再由交換機把HART信號送至DCS AMS系統，進行HART設備的管理。

圖1 DCS系統的HART信號采集結構

3.2 SIS系統中的HART信號采集

由于SIS系統的I/O卡件不帶HART信號采集功能，所以無法采集到進SIS系統的HART儀表信號。乙烯裝置的SIS系統HART信號采集采用了梅特勒-托利多公司的HART信號采集卡板BPHM64，其兩路供電POWER1和POWER2互為冗余(均為24V(DC))。該HART信號采集板通過20芯HART連接電纜接收模擬輸入ETP(Externa Termination Panel)板送來的模擬信號。

BPHM64 HART信號采集板帶有MTL4841 HART通信模塊和MTL4842 HART信號接口模塊，從AI ETP板過來的模擬量信號被采集到MTL4842 HART信號接口模塊，通過MTL4841通信模塊，將HART協議轉換為RS485通信協議，然后通過研華RS485轉TCP/ICP轉換器將RS485通信協議轉換成TCP/IP協議，最后通過交換機(SWITCH1)將HART信號送至AMS系統，進行HART設備管理，建立一個網絡。利用RPM通信服務HART轉MODBUS通信程序(AMS0444)，再通過MODBUS通信到DCS，實現SIS儀表伴熱參數在DCS中的顯示。

乙烯裝置的SIS系統HART信號采集采用的是一個MTL4841通信模塊帶4個MTL4842信號接口模塊，而一個MTL4842可以支持現場16個HART儀表的信號采集，所以乙烯裝置的一個HART信號采集板最多可以支持現場64個HART儀表的信號采集。SIS系統的HART信號采集結構如圖2所示。

圖2 SIS系統中的HART信號采集結構

3.3 成套機組系統中的HART信號采集

乙烯裝置的裂解氣、乙烯和丙烯壓縮機是廠區重要設備，其HART信號采集顯得尤為重要。由于成套機組系統I/O卡件也不帶HART信號采集功能，所以無法采集到進成套機組系統的HART儀表信號。裂解氣壓縮機HART信號終端板的型號為F1-PHF-110469，KFD0-HMS16為HART多工器從站，其作用是與終端板相連并與主站通信。KFD2-HMM16為HART多工器主站，Nport5430為RS485轉TCP/ICP轉換器，EDS-205為交換機。

由于裂解氣壓縮機的HART信號采集方式和乙烯壓縮機和丙烯壓縮機的信號采集方式相同，在此以裂解氣壓縮機為例，介紹其HART信號的采集方式。從HART信號終端板采集到的HART信號通過HART專用連接電纜至KFD0-HMS16HART多工器從站，然后通過KFD2-HMM16HART多工器主站，將HART協議轉換為RS485通信協議，然后通過Nport5430 RS485轉TCP/ICP轉換器轉換成TCP/IP協議，最后通過EDS-205交換機將HART信號送至DCS AMS系統。其中裂解氣壓縮機的HART信號采集結構如圖3所示。

圖3 裂解氣壓縮機的HART信號采集結構

4 結束語

化工儀表的智能化和總線化的前提之一就是統一的信號傳輸協議。HART協議自1983年成為開放協議至今，已成為過程自動化領域的事實標準。而HART儀表也以其強大的功能，進一步證實了基于該協議的智能儀表管理系統的良好發展前景。筆者提供的幾種HART信號采集方法，為類似系統的設計提供了很好的借鑒。