基于HART協議的AMS系統在煤氣化裝置的應用

要艷靜 劉 鵬

(航天長征化學工程股份有限公司電控室)

基于HART協議的AMS系統在煤氣化裝置的應用

要艷靜 劉 鵬

(航天長征化學工程股份有限公司電控室)

介紹智能設備管理系統的結構、組態與功能，給出HART協議的模型與網絡結構。實際應用結果表明：智能設備管理系統對現場設備的在線監測和預防性維護，提高了煤氣化裝置的安全性與經濟性。

智能設備管理系統 煤氣化裝置 在線診斷 預防性維護 HART協議

隨著工業技術的不斷發展，化工行業使用的各類智能儀表不斷更新，不同類型的設備功能差異較大，需要專用的設備管理工具對它們進行管理。煤氣化裝置中智能儀表設備數量大、種類多，任何一個設備故障，都可能導致裝置緊急停車，造成巨大的安全危害與經濟損失。因此，設備狀態的“健康”安全穩定是煤氣化裝置平穩運行的前提和保證，而對設備的實時監控、及時診斷和正確檢修則是維持設備運行狀態穩定的有效手段。傳統的設備維護需要等到設備出現異常或工作一定年限后才進行，不利于裝置的安全經濟運行。為此，筆者提出在煤氣化裝置DCS系統中集成智能設備管理(Asset Management Solutions,AMS)系統，采用基于HART協議的智能儀表，實現對智能設備的在線監測、診斷和預防性維護。

1 AMS系統

AMS系統將智能化設備與現代管理相結合，形成了一種有效的管理智能設備集成方案。AMS系統智能變送器、智能閥門定位器等智能儀表具有在線集中組態、調試、校驗管理、診斷及數據庫事件紀錄等功能，為預防性和前瞻性維修提供診斷工具和判斷依據，并及時跟蹤設備配置和參數變更，實現了實時資產優化和校準管理，確保工廠高效運行，降低了意外停機風險[1]。

1.1 AMS系統結構

AMS系統結構示意圖如圖1所示。AMS系統通過網絡接口與DCS系統相連，實現對現場智能設備的集中統一管理。

圖1 AMS系統結構示意圖

1.2 組態

AMS系統的組態有兩種方式，即通過無線網絡和有線網絡兩種方式進行組態。實現的功能如下：

a. AMS系統可以連接并組態現場智能設備；

b. AMS系統數據庫自動記錄參數修改時間，做到有據可查；

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

1.3 狀態監測與診斷

AMS系統可在線實時監測每塊智能設備的“健康”狀況，并提供故障原因診斷，如冷啟動、存儲器故障及傳感器故障等。用戶可根據智能設備的重要性進行分組，按不同組別分別監測和診斷設備的運行狀況，并設置報警。當有警報時，AMS系統提供聲光報警，同時數據庫自動記錄該報警事件和內容。

1.4 閥門管理

系統通過對采用HART協議的智能閥門定位器進行數字通信，實現閥門的自動調試、故障診斷、運行特性診斷、摩擦力分析及閥門流通特性優化等功能[2]。煤氣化裝置的閥門種類數量繁多，對閥門進行在線監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 開車調試功能

AMS系統可顯示智能設備的連接位置，結合DCS系統，可實現設備回路的檢查工作。此功能可在裝置開車準備階段快速檢查回路接線情況，并對回路進行聯鎖測試，提供智能設備投運狀況報告。AMS系統能夠幫助調試人員完成煤氣化裝置的開車準備工作，減少接線檢查工作量，提高回路檢查準確率。

1.6 標定管理

測量儀表在開始使用或使用一段時間后需要進行標定，以保證其測量精度。傳統的標定操作繁復、工作量大。采用AMS系統，能夠設置標定程序并下載到標定器中，當儀表維護人員攜帶標定器在現場對儀表進行標定時，標定測試結果可直接上傳至AMS系統，自動生成標定文檔，極大地減少了維護工作量。

1.7 數據庫管理

AMS系統中的數據庫自動記錄所有與智能設備相關的事件和報警，因此保證數據庫的安全才能保證AMS系統的正常運行。

2 HART協議

在工廠實行智能設備管理，首先要求管理系統以過程測量儀表、閥門等現場儀表的實時信息為基礎，在現場智能設備和網絡之間實現雙向數字通信[3]。其次要求工廠管理是以開放標準為基礎的過程管理信息系統，即所用的智能儀表應得到工業標準的技術支持。因此，HART通信協議是較為理想的選擇[4,5]。

2.1 HART協議結構

HART協議是一種適用于現場智能儀表和控制主設備之間的通信協議，是目前使用較廣泛的智能儀表通信協議，具有完整的技術支持，覆蓋了壓力、差壓、流量、液位、調節閥、成分分析及記錄儀等智能現場設備。

HART協議模型如圖2所示，采用3層模型結構，第1層物理層、第2層數據鏈路層和第7層應用層。

圖2 HART協議模型

2.2 HART協議的網絡結構

HART協議的網絡結構有點對點連接和多點連接兩種方式。

在點對點連接方式(圖3)中，傳統的4～20mA信號只能傳遞一個過程變量，另外的過程變量、配置參數和其他類型的設備數據采用HART協議的數字方式傳輸。4～20mA信號對HART信號沒有任何影響，依舊可以按照通常的方式加以控制。煤氣化裝置的HART設備即采用點對點連接方式。

圖3 HART協議點對點連接方式

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

圖4 HART協議多點連接方式

HART協議為現場智能儀表提供了最佳的解決方案，既可保留傳統的4～20mA模擬信號，又可與現場智能儀表進行雙向數字通信，擴展了控制系統的性能。

本煤氣化裝置選擇帶有HART協議的智能變送器、智能閥門定位器等智能型現場儀表設備，作為AMS系統的支持，實現設備的在線管理。

3 AMS系統在煤氣化裝置上的實施

某項目含兩套煤氣化裝置、500余臺HART智能變送器、100余臺HART智能定位器和其他智能設備。維護人員需要消耗大量的時間和精力對智能設備進行檢修維護，確保設備的正常運行。而煤氣化裝置對生產過程的安全性和某些工藝參數的測量要求甚高，若能有效預防閥門、流量計等設備發生故障，則能大幅降低事故率，提高安全性。同時，若能通過設備狀況的在線監測來避免某些關鍵過程變量出現異常，如通過監測氣化爐壓力變送器數據，防止氣化爐壓力過高，則可避免由此導致的裝置緊急停車，提高經濟性。

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

圖5 AMS系統主界面

AMS系統可與DCS系統同時運行。AMS系統主機通過以太網和數據高速通路的通信連接設備HDL，將請求/響應HART命令發送給控制器，控制器接收命令后將命令傳送給輸入輸出卡件，并發送給現場HART智能儀表設備。現場設備接收命令后，依據HART協議規范，將命令響應信息發送給控制器，然后由HDL送入AMS主機的數據庫[6]，從而實現AMS系統對現場設備的監視和組態(圖6)。

圖6 AMS設備監視和組態畫面

4 結束語

AMS系統實現方便，通過對煤氣化裝置的變送器、閥門等設備進行在線監測、故障診斷、報警監視和預防性維護，極大地簡化了設備的調試和維護工作，節省了大量人力物力。同時也極大地保證了設備運行的可靠性，提高了裝置的自動化程度，有利于裝置的安全穩定運行，降低了維護成本。因此，在煤氣化裝置中同時應用DCS系統和AMS系統，能夠有效提高裝置運行的安全性和經濟性。

[1] 鐘國華.智能設備管理系統AMS應用簡介[J].化學工程與裝備,2009,(5):217～219.

[2] 謝碧蓉,向賢兵,高倩霞,等.AMS智能設備管理系統的應用[J].重慶電力高等專科學校學報,2013,18(6):59～62.

[3] 趙萬翔,郭東林,薛峰,等.HART通信協議在同位素儀表中的應用[J].石油化工自動化,2016,52(2):69～70.

[4] 謝峰.基于HART協議的智能設備管理系統的研究與開發[D].西安:西安電子科技大學,2011.

[5] 王精娟,段妮妮,王婷婷,等.HART信號采集系統在催化主風機組中的應用[J].化工自動化及儀表,2012,39(7):129～131.

[6] 張旭東,凌志浩.基于HART協議的實時設備管理系統[J].華東理工大學學報(自然科學版),2001,27(5):514～517.

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，從事自控設計工作，yaoyanjingaa@163.com。