鍋爐信息系統的改進

閆桂良 韓金亭 張海濤 東營市供熱管理處，山東東營

鍋爐信息系統的改進

閆桂良 韓金亭 張海濤 東營市供熱管理處，山東東營

現場總線；變送器

引言

現場總線技術是目前在自動檢測和控制行業發展最快的技術。目前我們鍋爐系統使用的變送器是采用單片機對數字化的傳感器信號進行非線性修正，溫度補償等處理的變送器。每一個這樣的變送器都需要一對專門的傳輸導線將其信號傳輸到控制室或計算機。采用現場總線技術，所有的現場傳感器或變送器只需公用一對傳輸導線連接到控制室的計算機，大大簡化了整個系統的布線和設計。技術人員的工作由傳統的設計布線處理傳感器的匹配轉變到對計算機的編程或使用現有的軟件。目前，各種遠傳智能測控模塊也可以多個模塊接在一對傳輸導線上連接至計算機，但這并不是現場總線，因為傳輸導線上掛接的事模塊而不是傳感器或變送器。如果多個智能變送器直接掛接在一對傳輸導線上在與計算機相連無需任何模塊，這樣的變速器才是傳感器和變速器的發展方向。

一 方案

目前使用的傳感器或變送器采用4～20m A二線制標準，它具有簡單響應快等優點，但在一對線上只能傳輸單一的信息而且精度不高，而數字通信則有分時公用同一電纜傳輸多個信息且精度高的優點。因此采用現場總線數字通信取代目前的系統是發展的必然。目前有多種現場總線標準，比如：HART, Bitbus, Canbus等。由于不同的標準各有特點，又擁有各自的用戶群。根據目前鍋爐系統的現狀H A R T總線比較適合。HART協議是利用數字信號直接傳輸模擬量的先驅，采用的公司比較多，事實上已成為現場總線協議的標準。HART 總線與我們現行的4～20標準兼容，即HART變送器既能當成現場總線儀表也可作為4～20mA的二線制變送器使用，極大方便了使用和改造。同時還可以通過手持終端再線調整智能變送器參數。由于HART智能變送器具有上述的多樣靈活性，越來越得到廣泛的使用。

二 工作原理

HART協議采用頻移鍵控FSK原理，它是基于Bell202通信標準，數字信號用2個頻率表示：1200Hz代表邏輯“1”，2200Hz代表邏輯“0”。這兩種信號的正弦波信號疊加在直流模擬信號上傳送，因此模擬信號和數字信號可以同時進行。由于FSK通信的平均值為0，因此4～20mA信號不受影響。HART協議的數據傳輸率為1200bps。變送器采用智能變送器。傳感器經過輸入信號調理電路處理后送入A/D轉換器轉換成數字信號，此數字信號在經過單片機處理，包括：量程設置、零點設置、非線性修正輸出控制等，處理后的信號經D/ A轉換器轉換成4～20mA的模擬量。

三 實現

1工作方式

HART現場總線系統采用主從式工作方式。主機為一臺PC，從機為一臺或多臺遵守HART協議的現場總線變送器。當從機只有一臺時，即點對點方式，此時啟動D/A轉換器，可繼續使用傳統的4～20mA信號進行模擬傳送，而測量，調整數據用數字方式傳輸，模擬信號不受影響，仍可按正常方式用于控制目的。從機為多臺時，4～20mA信號作廢，每臺變送器的工作電流均為4mA，由于每一臺從機都有唯一的編號，所以主機能分別對每一臺從機進行操作，此時所有的測量，調整信號均用數字信號傳輸。

2變送器的構成

變送器是由傳感器和智能變送部分組成。變速器又包含大規模集成電路單片機 A/D 和D/A轉換器等。對不同的變送器，其傳感器各不相同，輸出的模擬信號也不相同但要求傳感器部分的耗電不得超過1mA。智能變送部分關鍵是解決低功耗問題。由于HART數字通訊的要求，有0.5mA的正弦波疊加在4mA電流上，因此整個智能變送器的硬件電路必須保證在3.5mA的工作電流下還能正常工作。傳感器部分將消耗1mA左右的電流。因此智能變送部分耗電在2.5mA內。在如此小的電流使CPU、A/D、D/A、還能正常工作。因此智能變送器的核心是低功耗技術。因此，可以采用某些大公司為兼容4～20mA的智能變送器設計了專用A/D轉換器，如MAXIM公司的MAX1400和AD公司的AD7714。其共同點是將增益可調的儀表放大器、多路轉換器和A/D轉換器集成在1個芯片中，功耗在幾百μ A左右；單片機選用PIC16C73。它具有功耗低、運行速度快、功耗強等特點。采用長字節指令，所有指令均為單字長，除跳轉為雙周期指令均為單周期（4個時鐘周期）指令。內含看門狗、8級硬件堆棧、192×8RAM、32上定時器、2個捕捉器、5路8位A/D轉換器、SPI/I2共用的同步串行口、1個異步發送/接收串口USART、多種中斷功能，包括B口RB4～RB7輸入電平變化中斷。

3應用中的問題及解決

3.1 電纜太長，智能變送器現場不通訊。分析其原因電纜電容大于HART通訊設備允許的最大電容。H A R T通訊頻率較高（1～2KHz）要求網絡的T=RC不大于0.65μs。因此HART通訊設備及網絡的最大電容限制了通訊最大距離。可見由于電纜緣故，使網絡時間常數太大，導致通訊嚴重失真，而無法通訊，但對模擬信號無影響。

最大電纜長度M=(160000-Cmaster)/ Ccable

160000-根據HART通訊網絡允許的時間常數計算而得的常數，反映通訊網絡允許的最大電容：P F

Cmaster-控制系統或HART濾波器的電容：P F

Ccable-電纜分布電容：PF

因此網絡的時間常數 T=RC=(0.025*650) *(400*650)/1000000=4.2μs 〉0.65

可見由于電纜緣故，使網絡時間常數太大，導致通訊嚴重失真，而無法通訊，但對模擬信號無影響，改用2.5sq的交聯電纜（Cmster為90PF/M）即可解決。改用2. 5sq的交聯電纜（Cmster為90PF/M）即可解決。

3.2 變頻器載波干擾。智能變送器現場不通訊，甚至變送器誤指示0，檢查現場電壓均正常，并聯0.1μ F電容雖不能通訊，但指示正確，可以確認這是線路干擾問題。分析原因2KHz左右高頻電磁干擾影響HART通訊器的信號，使變送器產生錯誤信號。變頻器的載波頻率取決于其型號及容量，一般為2.0-16K H z（根據負荷組態）。HITACHIJ300-110HF95(VT)和150HF5（VT）型載波頻率大都組態設置為2KHz與H A R T通訊頻率十分接近，這個“0”信號頻率附近的雜波影響變送器，使它不能正確響應信號，甚至按此信號錯誤地轉為電流輸出或其他錯誤操作方式，采取增大儀表電纜與動力電纜的距離的改造措施。壓力變送器E+H，P M C-133型，配備變頻器，投用后，指示偏低，變頻器停下，恢復正常；ST3000經常出現輸出信號大幅步波動，經仔細觀察，發現該現象類似于用SFC通訊器調整變送器參數后確認后，便送器重新初始化的狀態。分析其原因是變頻器所產生的強電磁場及電機頻繁啟停的尖峰脈沖干擾，導致智能變送器自動復位，試在變送器的信號端上并接100V,4.7μ f電容問題得以解決；超聲波流量計，突然指示異常：指示值亂跳，輸出電流也隨之變化，或隔一段時間指示就回零。分析其原因是變頻器干擾。解決措施將電纜變為屏蔽電纜，將屏蔽層與探頭電纜屏蔽層一同接地，信號線與地之間跨接電容無效的情況下，試將探頭負端與屏蔽層一同接地，儀表恢復正常。

3.3 回路電阻影響，測量小信號時儀表指示正常，隨著測量信號的增大儀表輸出開始波動，撤回車間校驗正常，經反復查找原因，發現回路電阻過大所致。可采用以下方案解決。采用內阻較小安全柵，信號線以減少回路內阻。若存在不經濟或存在困難，可把DCS供電改為外接電源供電，但為保證電路安全和與SFC的通訊須在回路串接一電阻，其值大小和導線電阻之和不小于250歐姆，這樣可提高閉環電路的供電壓，保證了表頭電壓大于11V。

四 結束語

本文重點介紹了系統的硬件部分，還需要內部驅動軟件和通信軟件與之匹配。

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.13.066