兩種通訊協議智能儀表在化工試驗裝置的成功應用

朱桂霞

（中海油化工與新材料科學研究院（北京）有限公司，北京 102209）

0 引言

智能儀表的高穩定性、高可靠性、高精度、測量范圍寬，一直是其區別于常規儀表的優點，而且其維護維修的靈活性，更適宜于在線長周期運行。在一般的生產過程中，有時并不需要儀表性能很高，只要運行穩定，測量相對準確就可以了。但試驗裝置不同，試驗的目的是數據提取，通過數據來分析試驗是否達到要求，因此對測量數據的質量較常規要求要高，另外根據試驗任務的不同，采用的原料、實驗方案也會發生變化。這就要求儀表測量范圍寬泛，組態靈活，以適應不同介質和方案，這也是智能儀表的優點之一。本文根據多年的工作經驗，以浙江中控ECS-100系列DCS 為基礎，通過智能儀表與DCS 的通訊，介紹了HART 和MODBUS 兩種通訊協議智能儀表在實驗裝置的成功應用。

1 智能儀表的優點

與傳統儀表相比，智能儀表體積縮小、重量減輕、功耗低、響應快，整機的性能有很大提高，具有高精度、高性能、多功能、測量范圍寬的特點，在測量過程自動化、數據處理及功能多樣化、遠程通訊等方面與傳統儀表相比，優勢明顯。

智能儀表的廣泛應用正是由于其突出的技術優勢和特點[1]。例如高精度，一般都在±0.1%～±0.2%，有的還能到達±0.075%；二是功能強，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，還可以進行開方、溫壓補償及各種復雜的運算；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。正負遷移量可調范圍廣，適用范圍寬，增強了通用性和互換性，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在于在線操作。日常應用較多的是利用手持終端連接儀表，既可在現場調整，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（DCS）管理，帶有HART 或MODBUS 通訊協議的儀表遠程通訊到DCS，在DCS 組態，進行零點及量程的調校、變更，查看儀表自診斷的故障結果、實時狀態等諸多信息。

2 HART協議智能儀表的應用

2.1 HART協議

它是指可尋址遠程傳感器高速通道的開放通信協議，在HART 協議[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、設備組態、校準、診斷信息通過HART 協議訪問。通過手持終端或上位系統在線對儀表進行遠程組態，提供更多的實況、狀態等管理信息。尤其是通過上位系統進行現場儀表的管理，可以減少日常維護維修工作量,提高工作效率，提高現場儀表的自動化管理水平，同時降低現場作業頻次，在一定程度上減少了室外作業的安全風險。

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 路點點隔離的HART 電流信號輸入卡[3]，能夠對符合HART 協議的智能儀表進行數據采集。符合HART 協議的信號進入卡件后，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 信號經卡件處理后，通過RS-485/以太網轉換，進入操作員站，監控人員可以通過HART 協議訪問測量、過程參數、設備組態、校準、診斷等信息，實現管控一體化。

DCS 的智能管理系統為SAMS[4]，其硬件部分為HART協議網橋，軟件部分是SAMS 智能設備管理系統軟件，通過該軟件，可方便快捷的組態、校準及檢查現場的智能設備。

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 上是作為普通節點還是終端節點。通過設置，選擇正確的RS-485接線方式，實現HART 的通信。

2.3 在試驗裝置的應用實例

本公司的高酸原油脫酸實驗裝置，設計有ABCDEF 6種試驗方案，對應6 種流程組合，隨著實驗方案的切換儀表也需要進行相應調整，因此本裝置儀表基本選擇了帶有HART 協議的智能儀表，而且開工初期，動態平穩需要一段時間，調整比較頻繁，此時HART 協議儀表的實時在線組態就顯示出了其優越性。

以減壓塔為例，減壓塔是脫酸裝置的重要設備，其塔底液位是及其重要的控制參數。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。液位信號進入室內DCS 系統后，RS-485 信號引出方式選擇從機籠母板后的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籠母板后的RS-485 端子引出。進入DCS 后，通過SAMS 管理軟件，對變送器進行組態，組態完成后，該液位的即時測量值、過程參數、設備設置、校準、診斷等信息通過HART 協議就可以訪問，而且在DCS 上實時顯示。

通過DCS 上這些信息，在工藝調整的每個階段，儀表參數可以隨時調整[5]。如果試驗任務不同，采用的原料發生變化，如國內原油/加拿大油砂瀝青切換時，可隨時調整介質參數，以便正確測量，指導試驗。此外，運行過程中可以預防維護，一旦出現偏差或者報警，可以實時查看更為詳細的信息，初步判斷故障類型，維修人員攜帶正確的工具到現場去，有的放矢，提高了維護效率。

3 MODBUS協議智能儀表的應用

3.1 MODBUS通訊

MODBUS 是一個工業通訊系統，是建立在RS232C、RS 485 或RS 422 數據通訊接口協議基礎之上，在支持本協議的設備之間實現雙向數據通訊的一種通訊技術。它可以應用于各種數據采集和過程監控，MODBUS 通訊協議在智能儀表中應用也占了較大的比例。

以艾默生質量流量計為例，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，DCS 只能接收一種測量信號，如果采用MODBUS 通信，在接受質量流量的同時，還可以實時讀取密度、流體溫度、累計流量、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量，節省大量電纜、安裝材料和安裝費用，同時也減少了設備上的安裝開孔。因此，使用MODBUS 通訊使得質量流量計的功能發揮到最大，尤其是使用在介質、工況多變的場合，其先進性更能得到體現。

3.2 MODBUS通訊組態

ECS-100DCS 的FW248 多串口多協議通信接口卡[6]，提供標準的MODBUS 協議，可實現質量流量計與DCS 系統的通訊，達到數據在DCS 系統中的共享。

每一塊FW248 卡件有6 個串口，4 個RS232/485，2 個RS232，每個串口最多可以驅動32 臺設備。MODBUS 通訊組態主要包括以下方面：一是串口參數組態，包括波特率、校驗方式等；二是命令組態，例如讀、寫寄存器等；三是讀數或取數模塊，將命令執行后的數據讀寫到數據緩沖區。

3.2.1 FW248設置

FW-248 通訊接口卡，提供標準的MODBUS 協議與第三方智能設備進行通訊，利用SCControl 的圖形化編程語言對通訊參數、協議進行組態。

FW-248 硬件組態與主控卡組態方法一致，在“主機設置”界面中完成，可放置I/O 機籠右側的16 個卡槽任意位置，占用兩個槽位，其配對端子板為TB-248。撥碼開關SW42 用于設置FW-248 的網絡地址。

FW-248 通訊組態主要由以下幾個部分組成：

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

二是命令組態。包括具體的MODBUS 通訊協議[7]，是通過GW_MODBUS_RTU 主機模塊、GW_MODBUS_SLAVE從機模塊來設置的。MODBUS RTU 主機模式中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、寫的數據個數。

三是讀數或取數設置。將要讀取到的數據寫到自定義位號或將自定義位號的數據寫到命令緩沖區。其實只需記住GW_GETMORE 和GW_SETMORE 兩個模塊，就能滿足對大多數數據的操作。這兩個模塊中的Serial 定義數據在命令緩沖區中的順序（從0 開始）；DataType 定義了自定義變量的類型（1-自定義1 字節；2-自定義2 字節；4-自定義4 字節；8-自定義8 字節）；VarId 定義自定義變量ID號，Num 定義連續存取個數。

3.2.2 MODBUS通訊組態

MODBUS 串口設置[8]：波特率9600kps，8 位數據位，1 個停止位，無奇偶校驗位；MOUBUS 從站地址為10，MODBUS 主站向MODBUS 從站發送32 個2 字節數據。

ECS-100 MODBUS 主站程序如圖1 所示。

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

其中：①GW_SETCOM 模塊是設置串口通訊協議的，在這里定義通訊雙方的波特率、數據位、停止位和奇偶校驗位；②MODBUS RTU 主機設置模塊，在其中設置了從站地址、功能碼、所要讀/寫的數據起始位和讀取的數據數量；③GW_GETCMDINFO 模塊的功能是獲取命令診斷數據，DataQuality 引腳為數據質量碼，當連續3 次通訊正常時置為1，當連續3 次通訊異常時置為0。DCS 的地址是從0 開始編址，而MODBUS 編址是從1 開始，在此應該注意二者地址的對應關系。

（1）樁西中、古生界潛山在經歷了擠壓應力到張性斷裂的交替變化后，其發育的負反轉構造主要有截斷取直型負反轉、單條沖斷系負反轉和復雜沖斷系的局部負反轉3種構造樣式。

ECS-100 DCS 系統作為MODBUS 從站程序時，組態程序如圖2 所示。

圖2 ECS-100 DCS系統MODBUS從站通訊實例Fig.2 Example of MODBUS slave communication in ECS-100 DCS system

其中：①GW_SETCOM 模塊是設置串口通訊協議的；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據。

通過ECS-100 DCS 系統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，這是因為作為從站，它只需定義與MODBUS 主站的網絡協議和MODBUS 從站的地址，只需把所需要通訊的數據寫在自定義變量中，等MODBUS 主站來讀/寫數據。

組態完成并調試成功后，就可以通過MODBUS 通訊讀取現場智能儀表中的數據[9]，實現數據在DCS 系統中的共享。

3.3 在試驗裝置的應用實例

質量流量計的MODBUS 通訊應用，在本公司得到了充分體現，尤其是在溶劑脫碳組合裝置實驗過程起到了重要作用。公司新型重油脫碳組合裝置為國內首套滿足C3/C5兩種不同溶劑的脫碳組合試驗裝置，先后進行了C3、C5以及加拿大油砂瀝青加工試驗。

由于是試驗裝置，隨著試驗方案的變化，原料組分經常變化，產品收率也是隨時調整，數據的提取就顯得格外重要，尤其是流量儀表直接關系到進出裝置的物料平衡、操作負荷，影響到試驗結果的最終評價。幾次試驗均取得了豐富的操作數據，數據的取得離不開儀表精準測量，尤其是質量流量計通訊的應用，對指導操作起到了關鍵作用。

在初始設計階段，流量儀表選用的雙轉子流量計，由于裝置規模小，因而各儀表口徑小、量程小，加之介質多變、粘稠，導致基本不能測量，影響了工藝操作，尤其是進出裝置的物料。由于沒有測量數據，無法對結果進行分析，無法做物料平衡，所以在停工改造時經過反復考察，先后排除了孔板流量計、靶式流量計等常規儀表，選用了適合測量高粘度流體，量程比大的質量流量計[10]。將進出裝置物料的測量由雙轉子流量計改為質量流量計，分別是原料進裝置1 臺、產品出裝置3 臺。

事實證明，在進行溶劑組合生產的過程中，通過DCS對質量流量計各參數的讀取，指導了工藝的操作。如一段時間內脫油瀝青出裝置流量波動很大，工藝人員認為操作無問題，懷疑是儀表測量不準，儀表維護人員通過查閱DCS 各參數趨勢，發現密度發生了變化，隨即告知操作人員，應該是工藝條件發生了變化，介質存在氣液兩相，導致測量波動，操作人員及時進行了調整，產品隨后趨于平穩。由于幾臺流量計都進行了與DCS 的通訊，因而在保證了能源計量的同時，給工藝生產提供了關鍵指導。

溶脫組合試驗成功后，脫酸裝置的幾條側線流量也改為經濟型質量流量計。由于本公司幾套裝置都是工業化試驗裝置，加工的原油種類多，方案多變，在最初的設計中，脫酸側線流量采用了普通的孔板。但是在實際開工過程中，由于原油種類、試驗方案的變化，導致介質密度、粘度等影響測量的重要參數不斷變化，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 通訊協議的質量流量計后，因為其量程比寬，適應渣油等比較惡劣的工況，測量精度高，投用后，效果非常好。在實測參數的指導下，工藝人員及時調整操作，產品合格，達到了試驗要求。

4 結束語

儀表的精確測量，保證了試驗數據的實時準確提取，如C3/C5 組合裝置，最終各項試驗成功，丙烷臨界溶劑回收率達到90.9%，戊烷溶劑臨界回收率達到88%，達到國內先進水平，特別是戊烷裝置的開工運行，為重質油及油砂的改質、運輸提供了工藝基礎，填補了國內溶脫工藝工業化生產裝置的技術空白。

帶有HART 或MODBUS 協議的智能儀表功能齊全，應用靈活，因此可以在試驗裝置廣泛應用。尤其是在對測量數據要求高、介質特殊，不適合常規儀表的場合，充分應用智能儀表的通訊功能，實現多參數監控，實時在線調整組態，對指導試驗、數據提取起到關鍵作用。