HART信号采集系统在乙烯装置中的应用

李建立 肖丽娟 谢常青

(1.中国石油独山子石化公司乙烯厂，新疆 克拉玛依 833600；2.中国石油广东石化公司，广东 揭阳 515200)

现代化工企业仪表系统的智能化管理已经成为发展趋势，目前许多新建化工项目都普遍引入资产管理系统(Asset Management System，AMS)，该系统是对智能仪表及智能阀门定位器等设备实行在线组态、诊断、校验和历史事件记录管理的一体化方案，使现场仪表的维护更加方便可靠。中国石油独山子石化公司化工新区乙烯装置的AMS系统采用横河公司的PRM(Plant Resource Manager)软件对装置的所有智能仪表进行管理，将现场各种智能仪表设备的信息数据综合在一起并保存在中央数据库中。乙烯装置的所有仪表全部选用HART智能仪表，分别进入DCS、SIS和成套包系统，将这些进入不同系统仪表的HART信号进行采集并送至PRM系统进行统一管理是笔者重点阐述的内容。

1 HART协议在装置中的作用①

HART(Highway Addressable Remote Transducer)协议是一种现场总线技术，被称为可寻址远程传感器高速通道开放通信协议，采用标准Bell202频移键控信号以1 200bit通信，以低电平加载于4～20mA模拟信号上。允许模拟信号和数字信号同时在4～20mA一对导线上传送，从而增加了远传数字通信的功能。HART智能变送器既可以接入DCS，又可以通过总线通信组成完整的现场总线控制系统(FCS)，同时还可以通过手操器在线调整变送器参数。

每一个HART仪表的数字信号中平均能提供35～40项信息。要充分利用这些信息，唯一的条件就是要与HART仪表建立连续的、长期的通信联系。如果只是偶尔用手持器与HART仪表进行短时间的通信，那么HART协议的潜能是无法发挥出来的。在新区乙烯装置中，利用HART协议的优势主要有两个方面：

a. 便于仪表和控制回路的调试。HART仪表都能提供仪表本身的信息，包括型号、测量范围、制造厂名称、材料及工位号等，因此在需要对某台仪表进行调试时不需要到现场用375手操器进行操作，只需打开PRM程序，通过HART协议将仪表的各项信息引入PRM程序，在控制室内就可以完成该台仪表的组态，而且还可以给HART仪表输出一个指定的模拟信号，然后观察控制回路的动作，以确定控制回路是否能正常工作，也可以利用这种方法来启动报警或安全联锁系统，确认这些系统的动作是否正确。从而极大地减少现场仪表的调试时间。

b. 利用HART协议实现仪表伴热状态监测。地处我国北方的化工企业的仪表系统冬天普遍需要伴热，伴热系统的好坏直接影响仪表测量的准确性甚至威胁到装置的平稳运行。由于新区乙烯装置现场仪表全部选用HART智能仪表，笔者充分利用HART信号采集功能实现现场智能仪表表体温度采集，实现对仪表伴热系统的监测与报警。

2 在线维护和在线诊断

通过HART协议将仪表信号引入PRM软件平台，可以实现在线维护和在线诊断功能，修改组态量程，甚至进行阀门的调校工作，实现精确的资产管理。当一台仪表经过维护后重新投入使用，PRM数据库会在一个周期内自动更新，其内容包括具体的维护方法和最近一次的维护时间。利用PRM来跟踪仪表的状态并预见将要发生的故障，提醒维护人员做前瞻性的维护，前瞻性维护相对于传统的定期维护也更有效率。

3 HART信号的采集

3.1 DCS中的HART信号采集

乙烯装置采用的是CENTUM CS3000 DCS，选用的模拟量输入卡件型号为AAI143，这种类型的卡件本身支持HART信号采集功能。DCS中的HART信号采集在DCS中完成I/O通道组态的基础上，只需要组态HART采集的通道和HART采集参数，所以DCS的HART信号采集比SIS的HART信号采集简单。DCS的HART信号采集结构如图1所示。模拟量信号进入卡件AAI143后，由卡件进行信号采集，然后由控制器CP451引出的两根网线BUS1和BUS2连至交换机L2SW，再由交换机把HART信号送至DCS AMS系统，进行HART设备的管理。

图1 DCS系统的HART信号采集结构

3.2 SIS系统中的HART信号采集

由于SIS系统的I/O卡件不带HART信号采集功能，所以无法采集到进SIS系统的HART仪表信号。乙烯装置的SIS系统HART信号采集采用了梅特勒-托利多公司的HART信号采集卡板BPHM64，其两路供电POWER1和POWER2互为冗余(均为24V(DC))。该HART信号采集板通过20芯HART连接电缆接收模拟输入ETP(Externa Termination Panel)板送来的模拟信号。

BPHM64 HART信号采集板带有MTL4841 HART通信模块和MTL4842 HART信号接口模块，从AI ETP板过来的模拟量信号被采集到MTL4842 HART信号接口模块，通过MTL4841通信模块，将HART协议转换为RS485通信协议，然后通过研华RS485转TCP/ICP转换器将RS485通信协议转换成TCP/IP协议，最后通过交换机(SWITCH1)将HART信号送至AMS系统，进行HART设备管理，建立一个网络。利用RPM通信服务HART转MODBUS通信程序(AMS0444)，再通过MODBUS通信到DCS，实现SIS仪表伴热参数在DCS中的显示。

乙烯装置的SIS系统HART信号采集采用的是一个MTL4841通信模块带4个MTL4842信号接口模块，而一个MTL4842可以支持现场16个HART仪表的信号采集，所以乙烯装置的一个HART信号采集板最多可以支持现场64个HART仪表的信号采集。SIS系统的HART信号采集结构如图2所示。

图2 SIS系统中的HART信号采集结构

3.3 成套机组系统中的HART信号采集

乙烯装置的裂解气、乙烯和丙烯压缩机是厂区重要设备，其HART信号采集显得尤为重要。由于成套机组系统I/O卡件也不带HART信号采集功能，所以无法采集到进成套机组系统的HART仪表信号。裂解气压缩机HART信号终端板的型号为F1-PHF-110469，KFD0-HMS16为HART多工器从站，其作用是与终端板相连并与主站通信。KFD2-HMM16为HART多工器主站，Nport5430为RS485转TCP/ICP转换器，EDS-205为交换机。

由于裂解气压缩机的HART信号采集方式和乙烯压缩机和丙烯压缩机的信号采集方式相同，在此以裂解气压缩机为例，介绍其HART信号的采集方式。从HART信号终端板采集到的HART信号通过HART专用连接电缆至KFD0-HMS16HART多工器从站，然后通过KFD2-HMM16HART多工器主站，将HART协议转换为RS485通信协议，然后通过Nport5430 RS485转TCP/ICP转换器转换成TCP/IP协议，最后通过EDS-205交换机将HART信号送至DCS AMS系统。其中裂解气压缩机的HART信号采集结构如图3所示。

图3 裂解气压缩机的HART信号采集结构

4 结束语

化工仪表的智能化和总线化的前提之一就是统一的信号传输协议。HART协议自1983年成为开放协议至今，已成为过程自动化领域的事实标准。而HART仪表也以其强大的功能，进一步证实了基于该协议的智能仪表管理系统的良好发展前景。笔者提供的几种HART信号采集方法，为类似系统的设计提供了很好的借鉴。