应用于在线分析仪表的多通讯系统设计

王祎

（ 上海仪电（集团）有限公司，上海 200233 ）

0 引言

随着工业发展水平的不断提高，工艺流程日趋复杂，成分分析变得越来越重要。采用在线分析仪表可对工艺系统的关键成分进行精准监视和控制，避免手动取样分析时间滞后现象。目前，在线分析仪表已广泛应用于工业生产中，对原材料、半成品、中间产品及生产过程中各个环节的各类组分实施自动、连续测量和指示，随时给操作人员提供操作依据，甚至直接进行生产控制，使得生产环节的效率和安全性明显提升[1-2]。

1 应用现状

在线分析仪表的传统应用是对工艺原材料、工艺过程物料组分和最终产品进行连续取样分析，将数据传输至集中离散控制系统（DCS）[3]。现代化学工艺过程的最优化控制要求使得传统通讯模式面临以下挑战：分析仪表的数据可靠性以及在线分析数据的有效率亟需提高；通讯方式缺少灵活性，除硬接线输出外，不具有Modbus通讯功能，无冗余输出；或虽具有Modbus输出功能，但Modbus地址无法自由改变；不具有OPC（Open Platform Communications，开放平台通信）、Profibus等通讯选项；须在现场才能对在线分析系统的质量是否符合预期进行验证（local validation）；无法远程控制某些重要硬件（如标定气体控制阀）并进行远程标定（remote calibration），难以确保硬件从设计到维护、校验及测量的准确性；不具备数据加工能力，对第三方仪表数据的整合和处理的高效性欠缺。

因此，研究可实现数据采集和分析控制的在线分析仪表多通讯系统具有重要意义[4-9]。基于以上不足和现代优化控制的要求，设计一种系统具备以下优势：

1）具备基本的硬接线输入、输出通讯，自带Modbus TCP/IP 通讯输出；

2）具备Modbus RTU、Profibus通讯选项；

3）具备OPC通讯选项，以OPC为通讯语言与下游数据采集处理系统进行通讯；

4）硬接线输出可PLC（硬线外部输入/输出程序可编程模块Extension Input/Output）直接通讯，远程PLC控制可选择形象化人机操作界面（HMI： Remote PLC Human Machine Interface）；

5）分析仪表系统硬件可选择性强，软件系统可根据该分析仪表分析模块升级改变的需要灵活进行本地或远程升级；

6）通过远程AMADAS系统或者数据采集系统的远端电脑DAS进行数据加工、整合和处理第三方仪表数据、远程标定气检验（Remote Validation）、远程标定气标定（Remote Calibration），以及远程采样探头、过滤器的吹扫维护等功能，提高系统的准确性、有效性与可靠性。

2 系统架构及功能设计

系统架构及功能设计见图1。

设计的多通讯系统包括分析仪表自带通讯系统、外部通讯系统，以及不同通讯方式的组合运用。分析仪表自带通讯系统使分析仪表自身通过多种类型的接口与外部系统通讯，包括用于远程控制和维护应用的以太网接口（TCP/IP协议）、RS485或RS232接口（可选择Modbus或 Profibus协议）。结合不同外部通讯模式：

1）硬线模拟数据输入/输出与外延PLC系统的组合；

2）使用数据采集系统（DAA）采集以上通讯系统基础数据作为连续分析控制数据，经处理后的数据传输至集中离散控制系统（DCS）或最终用户存储器（CEM-DAS或环保监控部门）。

表示硬线通讯模式，通过硬线形式传送毫安电流与干结点信号，具有可靠性强、检查方便的优势，缺点是成本高，数据硬件安装工作量大，单对电缆信息传输效率低。上述架构描述了外延分析仪表将信号整合到本机IO模块，传输至DCS的传统通讯模式。

2.1 分析仪表自带通讯系统设计

2.1.1 硬线通讯

硬线通讯示意见图2。输入/输出板的附属接口在系统控制器上，最多可支持5块输入/输出板安装在电气模块或输入/输出底板模块，输入/输出板都均拥有处理器。

设计三种类型的输入/输出板：

1）模拟信号输入/输出板：2路模拟信号输入，2路模拟信号输出，2路数字信号输入，2路数字信号输出；

2）数字信号输入/输出板：4路数字信号输入，4路数字信号输出；

3）8路模拟信号输出板。

2.1.2 Modbus TCP/IP通讯[10]

TCP/IP数据通讯系统基于TCP/IP协议实现，具有数据通讯的实时性、通讯过程的稳定性和信息储存的安全性等特点，为局域网内的用户提供了更为方便、快捷、安全的通信平台。

1）Modbus TCP/IP本地通讯

Modbus TCP/IP本地通讯见图3。以本机自带以太网接口直接通讯，但通讯距离有限，最大通讯距离为1.2km，通常用于现场测试个人电脑维护用途。

2）Modbus TCP/IP通过光电转换器实现远程传输

Modbus TCP/IP通过光电转换器实现远程传输示意图见图4。组态时，如分析仪表数据接受工作站Modbus通讯表与分析仪表自带通讯表不一致，则分析仪表数据接受工作站电脑读取分析仪表OPC信号进行数据再加工，此时需在工作站电脑中安装OPC软件，从而获取OPC数据，经工作站进一步转化为Modbus数据。

2.1.3 Modbus RTU通讯转换

Modbus通讯硬件示意见图5。由Modbus TCP/IP通讯网口外加Modbus Gateway转换而得。Modbus RTU有多种数据传输模式，如Modbus RS485、RS422、RS232，以硬线连接方式可有三线制、五线制，按供电模式有分无源以及有源两种。

2.1.4 Profibus 通讯（现场总线协议）

使用于非防暴区的现场总线网络连接示意见图6，可与RS485的通讯模式整合。

2.2 外部通讯系统设计

采用数据采集系统（DAA，Data Access Arrangement)，一种计算机远程人机操作界面系统，通常不具备存储器功能的子系统，用于接受、处理来自在线分析仪表的即时数据，平均数据，分析数据可靠性，加工数据，将处理后的数据传至DCS、CEM-DAS存储器，或将数据分享至分析仪表管理和数据系统（AMADAS）及公共网络系统。

另外，采用分析仪表管理和数据系统（AMADAS，Analyzer Management and Data Acquisition System），作为在线分析仪系统远程维护工作站，监视、维护、确定和改善在线过程分析仪的性能，提高维护效率。通过实时数据采集，自动从分析仪表/数据采集系统收集实时测量数据和故障警报，分析仪表管理和监视的用户界面，显示实时分析仪表状态（如正常、故障、维护等）；自动统计分析仪表数据，在统计质量控制（SQC）图表上绘制有效性结果与实验室比较结果，执行有效性检查、预防性与预测性维护，提供分析仪表维护和验证活动的文档；支持线样验证、参考验证等各种验证方法，支持自动验证、手动验证、进度表验证和线路样本验证等各种验证执行模式，统计分析验证结果；改善提高分析仪表性能，准确评估并显示分析仪KPI，如可用性、可重复性和问题频率，提高在线分析效率；提供分析仪性能分析KPI、SQC图表和报告等各种工具，可视化分析仪表性能；通过远程人机操作界面(Remote HMI)远程进行标定气检查(validation)、标定气标定(Calibration)、仪表空气填充吹扫储气罐并吹扫采样探头过滤器(purge sample probe filter with instrument air)等远程操作。

CEM-DAS 用于连续排放监测的数据采集和处理系统 (Data acquisition and handling system for continuous emission monitoring)，CEM-DAS具有厂区各台DAA的汇总、统计、管理与数据存储功能，系统时间与各DAA同步。

2.3 系统通讯设计关键考虑点

1）分析成分单一、输出组分少，可采用硬线模拟信号和硬线数字信号输出，不带DAS；

2）分析成分多、外部数据输入较多，采用硬线通讯和Modbus通讯相结合的方式；

3）有环保认证监控要求的应用场景一般应包含DAS数据采集系统，可实现干湿浓度换算，应具备必要的远程维护功能和数据可靠性分析统计功能；

4）实现远程标定气检验（Remote Validation）等较复杂功能时，需利用分析仪表自带功能块（Function Block）编辑功能进行内部控制编程组态或满足远程操作扩展功能，灵活实现本地操作和远程操作的完美结合。单纯远程维护时可采用AMADAS系统[11]。

3 典型连续温室气体排放在线分析监控系统CEMs

典型连续温室气体排放在线分析监控系 统 CEMs（System for Continuous Emission Monitoring）可通过两种模式来实施[12-14]。

模式一：分析仪表数据和第三方设备通过数据采集输入/输出模块(DAHS IO)平行接入DAA(Data Access Arrangement)或 DAHS Server。

典型连续温室气体排放在线分析系统流程示意见图7，组成部分包括：在线分析仪表、外延分析仪表、外部状态信号及外延通讯设备。

外延分析仪表包括温度、压力、流量变送器、粉尘仪等第三方仪表设备。

外部状态信号可来自外延分析仪表的各种维护故障信息，也可来自集成系统中的各种工况报警信息，如CEMs机柜温度、吹扫压力、机柜门开启关闭信号、标定气瓶压力报警、冷凝水液位报警、采样探头吹扫状态报警、维护校验状态报警等，状态报警可采用硬线接入输入/输出模块，也可通过CAN Bus与输入/输出模块或PLC模块进行交流。

外部状态信号可进入在线分析仪表自身的模拟/数字输入模块，形成CEMs的待处理信息，整合对外部输出。

外延通讯设备为CEMs信号接受设备，如数据采集系统DAS（CEMs DAS SERVER WITH CONNECT SERVICE 或称 DAHS SERVER），该系统采集数据、加工数据，实现某些远程控制维护任务，如开启远端的标定气阀门，实现远程标定的功能，将加工整合后的数据通过防火墙传送到终端用户伺服器，通过互联网传输至工程师站或政府环保部门。

数据采集系统示意见图8。DAA系统即本文所指的CEMs系统。人机界面（human machine interface，HMI）可显示程序状态，操作员依此监控及控制程序。监控系统采集数据，也可提交命令监控程序的进行。远程终端控制系统（RTU）连接多程序中使用的传感器，采集数据发至监控系统。

模式二：可编程逻辑控制器（programmable logic controller，PLC）充当DAA和远程操作的人机界面，见图9。

在线分析仪表与第三方的在线分析仪表均通过硬线通讯进入PLC通讯模块[15]，PLC模块转化数据为Modbus RTU信号至DCS或下游存储器。系统中，PLC远程控制阀门开启/关闭，DAS操作员通过HMI了解系统状态，根据需求设置显示及记录的警告条件、改变合格测量参数的目标值、调整PLC控制，或暂停正常控制，进行特殊维护。数据同步发送至终端历史记录器（Operational Historian），其架构在商用数据库管理系统，以便追踪趋势并进行分析。PLC利用回授控制提醒维护人员及时介入维护和检查，或环境保护部门介入调查、监视，DAS监控系统可自动对系统采集数据的有效性进行自我评估。

分析仪表标定气体实时远程自动验证功能有以下步骤：

1）“PLC控制CEMS分析仪表验证”（“CEMS ANALYZER VALIDATION BY PLC”）信息在PLC人机界面闪烁。发送“01-XA-00007A信号触点”（“正在进行CEMS验证”）=“ON”至DAS；

2）反向吹扫：a.5次脉冲吹扫；b.100s（默认）持续吹扫；

3）持续打开零点气电磁控制阀（SOV 01-XY-00189）120s，开始零点气验证；

4）关闭零点气电磁控制阀（SOV 01-XY-00189）；

5）持续打开量程气1（NO气体）电磁控制阀（SOV 01-XY-00311）120s，开始NO验证；

6）关闭量程气1（NO气体）电磁控制阀（SOV 01-XY-00311）；

7）持续打开量程气2（SO2气体）电磁控制阀（SOV 01-XY-00188）120s，开始SO2验证；

8）关闭量程气2（SO2气体）电磁控制阀（SOV 01-XY-00188）；

9）持续打开量程气3（NO2&O2气体）电磁控制阀（SOV 01-XY-00187）120s，开始NO2&O2验证；

10）关闭量程气3（NO2&O2气体）电磁控制阀（SOV 01-XY-00187）；

11）分析仪表设置为正常工作模式前，使用样品气持续吹扫整个样品管线120s；

12）“PLC控制CEMS分析仪表验证”（“CEMS ANALYZER VALIDATION BY PLC”）的信息完成自动验证周期后停止闪烁。发送“01-XA-00007A信号触点”（“正在进行CEMS验证”）=“OFF”至DAS。

4 结语

在线分析监控系统具备强大、灵活和多样的通讯模式，兼容传统（硬线输出）和现代（Modbus、Profibus等）通讯模式，安装方便、稳定可靠、选择通用性强。通过配套的数据采集系统（DAA）、集散控制系统（DCS）及分析仪表维护控制系统，最终传输数据至CEMs数据存储服务器（CEM DAS Sever），数据可传输至任何具有互联网的环境保护部门及远程管理工程师。该系统在石化、采矿、环保领域中展示了良好的应用前景。