两种通讯协议智能仪表在化工试验装置的成功应用

2023-10-25朱桂霞

仪器仪表用户 2023年11期

朱桂霞

（中海油化工与新材料科学研究院（北京）有限公司，北京 102209）

0 引言

智能仪表的高稳定性、高可靠性、高精度、测量范围宽，一直是其区别于常规仪表的优点，而且其维护维修的灵活性，更适宜于在线长周期运行。在一般的生产过程中，有时并不需要仪表性能很高，只要运行稳定，测量相对准确就可以了。但试验装置不同，试验的目的是数据提取，通过数据来分析试验是否达到要求，因此对测量数据的质量较常规要求要高，另外根据试验任务的不同，采用的原料、实验方案也会发生变化。这就要求仪表测量范围宽泛，组态灵活，以适应不同介质和方案，这也是智能仪表的优点之一。本文根据多年的工作经验，以浙江中控ECS-100系列DCS 为基础，通过智能仪表与DCS 的通讯，介绍了HART 和MODBUS 两种通讯协议智能仪表在实验装置的成功应用。

1 智能仪表的优点

与传统仪表相比，智能仪表体积缩小、重量减轻、功耗低、响应快，整机的性能有很大提高，具有高精度、高性能、多功能、测量范围宽的特点，在测量过程自动化、数据处理及功能多样化、远程通讯等方面与传统仪表相比，优势明显。

智能仪表的广泛应用正是由于其突出的技术优势和特点[1]。例如高精度，一般都在±0.1%～±0.2%，有的还能到达±0.075%；二是功能强，智能仪表除了具备基本的功能，比如信号类型选择、显示方式等，还可以进行开方、温压补偿及各种复杂的运算；三是测量范围宽，以变送器为例，普通变送器的量程比有限，一般为6、7，最多不超过10，而智能变送器的量程比很大，有40、50、100，甚至400。正负迁移量可调范围广，适用范围宽，增强了通用性和互换性，能最大化覆盖备件，减少库存，降本增效。

智能仪表最大的亮点在于在线操作。日常应用较多的是利用手持终端连接仪表，既可在现场调整，也可以在控制室将手操器连接到仪表回路，完成一些基本操作。本文介绍上位系统（DCS）管理，带有HART 或MODBUS 通讯协议的仪表远程通讯到DCS，在DCS 组态，进行零点及量程的调校、变更，查看仪表自诊断的故障结果、实时状态等诸多信息。

2 HART协议智能仪表的应用

2.1 HART协议

它是指可寻址远程传感器高速通道的开放通信协议，在HART 协议[2]通信中主要的变量和控制信息由4mA ～20mA 传送，另外的测量、过程参数、设备组态、校准、诊断信息通过HART 协议访问。通过手持终端或上位系统在线对仪表进行远程组态，提供更多的实况、状态等管理信息。尤其是通过上位系统进行现场仪表的管理，可以减少日常维护维修工作量,提高工作效率，提高现场仪表的自动化管理水平，同时降低现场作业频次，在一定程度上减少了室外作业的安全风险。

2.2 信号连接

本公司采用的是浙江中控的ECS-100DCS，输入卡件为FW351H、8 路点点隔离的HART 电流信号输入卡[3]，能够对符合HART 协议的智能仪表进行数据采集。符合HART 协议的信号进入卡件后，被分为两路：一路为4mA ～20mA 电流信号，一路是HART 信号。电流信号传送主要的变量和控制信息，HART 信号经卡件处理后，通过RS-485/以太网转换，进入操作员站，监控人员可以通过HART 协议访问测量、过程参数、设备组态、校准、诊断等信息，实现管控一体化。

DCS 的智能管理系统为SAMS[4]，其硬件部分为HART协议网桥，软件部分是SAMS 智能设备管理系统软件，通过该软件，可方便快捷的组态、校准及检查现场的智能设备。

FW351H 卡件的JP3、JP4 跳线可以选择RS-485 通讯线的引出方式，JP5、JP6 跳线选择卡件在RS-485 上是作为普通节点还是终端节点。通过设置，选择正确的RS-485接线方式，实现HART 的通信。

2.3 在试验装置的应用实例

本公司的高酸原油脱酸实验装置，设计有ABCDEF 6种试验方案，对应6 种流程组合，随着实验方案的切换仪表也需要进行相应调整，因此本装置仪表基本选择了带有HART 协议的智能仪表，而且开工初期，动态平稳需要一段时间，调整比较频繁，此时HART 协议仪表的实时在线组态就显示出了其优越性。

以减压塔为例，减压塔是脱酸装置的重要设备，其塔底液位是及其重要的控制参数。液位测量采用了3051 高温智能型双法兰差压式液位变送器，输出HART 信号。液位信号进入室内DCS 系统后，RS-485 信号引出方式选择从机笼母板后的RS-485 端子引出，端子板采用TB351-IU，与FW351H 相匹配。FW351H 的JP1 跳为“单卡”，同时SW1 的“3”拨码拨为“OFF”，JP3、JP4 跳2-3 脚，使得RS-485 信号引出方式为从机笼母板后的RS-485 端子引出。进入DCS 后，通过SAMS 管理软件，对变送器进行组态，组态完成后，该液位的即时测量值、过程参数、设备设置、校准、诊断等信息通过HART 协议就可以访问，而且在DCS 上实时显示。

通过DCS 上这些信息，在工艺调整的每个阶段，仪表参数可以随时调整[5]。如果试验任务不同，采用的原料发生变化，如国内原油/加拿大油砂沥青切换时，可随时调整介质参数，以便正确测量，指导试验。此外，运行过程中可以预防维护，一旦出现偏差或者报警，可以实时查看更为详细的信息，初步判断故障类型，维修人员携带正确的工具到现场去，有的放矢，提高了维护效率。

3 MODBUS协议智能仪表的应用

3.1 MODBUS通讯

MODBUS 是一个工业通讯系统，是建立在RS232C、RS 485 或RS 422 数据通讯接口协议基础之上，在支持本协议的设备之间实现双向数据通讯的一种通讯技术。它可以应用于各种数据采集和过程监控，MODBUS 通讯协议在智能仪表中应用也占了较大的比例。

以艾默生质量流量计为例，其输出信号有3 种：电流信号、脉冲信号和MODBUS 通信。用电流信号、脉冲信号作为输出时，DCS 只能接收一种测量信号，如果采用MODBUS 通信，在接受质量流量的同时，还可以实时读取密度、流体温度、累计流量、体积流量、故障信息等，把这些信号利用起来可以减少仪表的数量，节省大量电缆、安装材料和安装费用，同时也减少了设备上的安装开孔。因此，使用MODBUS 通讯使得质量流量计的功能发挥到最大，尤其是使用在介质、工况多变的场合，其先进性更能得到体现。

3.2 MODBUS通讯组态

ECS-100DCS 的FW248 多串口多协议通信接口卡[6]，提供标准的MODBUS 协议，可实现质量流量计与DCS 系统的通讯，达到数据在DCS 系统中的共享。

每一块FW248 卡件有6 个串口，4 个RS232/485，2 个RS232，每个串口最多可以驱动32 台设备。MODBUS 通讯组态主要包括以下方面：一是串口参数组态，包括波特率、校验方式等；二是命令组态，例如读、写寄存器等；三是读数或取数模块，将命令执行后的数据读写到数据缓冲区。

3.2.1 FW248设置

FW-248 通讯接口卡，提供标准的MODBUS 协议与第三方智能设备进行通讯，利用SCControl 的图形化编程语言对通讯参数、协议进行组态。

FW-248 硬件组态与主控卡组态方法一致，在“主机设置”界面中完成，可放置I/O 机笼右侧的16 个卡槽任意位置，占用两个槽位，其配对端子板为TB-248。拨码开关SW42 用于设置FW-248 的网络地址。

FW-248 通讯组态主要由以下几个部分组成：

一是对串口的通讯参数组态。串口通信方式是通过GW_SETCOM 模块设置，包括波特率Baud（1200kbps ～19200kbps）、数据位DataBit（5 位、6 位、7位、8 位）、校验方式Verify（无校验、奇校验、偶校验、MARK、SPACE）、停止位StopBit（1 位、2 位）的设置。

二是命令组态。包括具体的MODBUS 通讯协议[7]，是通过GW_MODBUS_RTU 主机模块、GW_MODBUS_SLAVE从机模块来设置的。MODBUS RTU 主机模式中Func 引脚是定义功能码；Slave 引脚是定义从站地址，也就是要与其通讯的从站地址；Mum 为所要读、写的数据个数。

三是读数或取数设置。将要读取到的数据写到自定义位号或将自定义位号的数据写到命令缓冲区。其实只需记住GW_GETMORE 和GW_SETMORE 两个模块，就能满足对大多数数据的操作。这两个模块中的Serial 定义数据在命令缓冲区中的顺序（从0 开始）；DataType 定义了自定义变量的类型（1-自定义1 字节；2-自定义2 字节；4-自定义4 字节；8-自定义8 字节）；VarId 定义自定义变量ID号，Num 定义连续存取个数。

3.2.2 MODBUS通讯组态

MODBUS 串口设置[8]：波特率9600kps，8 位数据位，1 个停止位，无奇偶校验位；MOUBUS 从站地址为10，MODBUS 主站向MODBUS 从站发送32 个2 字节数据。

ECS-100 MODBUS 主站程序如图1 所示。

图1 ECS-100 DCS系统MODBUS主站通讯组态Fig.1 MODBUS Master station communication configuration of ECS-100 DCS system

其中：①GW_SETCOM 模块是设置串口通讯协议的，在这里定义通讯双方的波特率、数据位、停止位和奇偶校验位；②MODBUS RTU 主机设置模块，在其中设置了从站地址、功能码、所要读/写的数据起始位和读取的数据数量；③GW_GETCMDINFO 模块的功能是获取命令诊断数据，DataQuality 引脚为数据质量码，当连续3 次通讯正常时置为1，当连续3 次通讯异常时置为0。DCS 的地址是从0 开始编址，而MODBUS 编址是从1 开始，在此应该注意二者地址的对应关系。

（1）桩西中、古生界潜山在经历了挤压应力到张性断裂的交替变化后，其发育的负反转构造主要有截断取直型负反转、单条冲断系负反转和复杂冲断系的局部负反转3种构造样式。

ECS-100 DCS 系统作为MODBUS 从站程序时，组态程序如图2 所示。

图2 ECS-100 DCS系统MODBUS从站通讯实例Fig.2 Example of MODBUS slave communication in ECS-100 DCS system

其中：①GW_SETCOM 模块是设置串口通讯协议的；②GW_MODBUS_SLAVE 模块为MODBUS 从站模块，定义MODBUS 从站地址；③GW_GETCMDINFO 模块的功能是获取命令诊断数据。

通过ECS-100 DCS 系统主站和从站可以看到，与MODBUS 主站不同的是MODBUS 从站中没有定义功能码，这是因为作为从站，它只需定义与MODBUS 主站的网络协议和MODBUS 从站的地址，只需把所需要通讯的数据写在自定义变量中，等MODBUS 主站来读/写数据。

组态完成并调试成功后，就可以通过MODBUS 通讯读取现场智能仪表中的数据[9]，实现数据在DCS 系统中的共享。

3.3 在试验装置的应用实例

质量流量计的MODBUS 通讯应用，在本公司得到了充分体现，尤其是在溶剂脱碳组合装置实验过程起到了重要作用。公司新型重油脱碳组合装置为国内首套满足C3/C5两种不同溶剂的脱碳组合试验装置，先后进行了C3、C5以及加拿大油砂沥青加工试验。

由于是试验装置，随着试验方案的变化，原料组分经常变化，产品收率也是随时调整，数据的提取就显得格外重要，尤其是流量仪表直接关系到进出装置的物料平衡、操作负荷，影响到试验结果的最终评价。几次试验均取得了丰富的操作数据，数据的取得离不开仪表精准测量，尤其是质量流量计通讯的应用，对指导操作起到了关键作用。

在初始设计阶段，流量仪表选用的双转子流量计，由于装置规模小，因而各仪表口径小、量程小，加之介质多变、粘稠，导致基本不能测量，影响了工艺操作，尤其是进出装置的物料。由于没有测量数据，无法对结果进行分析，无法做物料平衡，所以在停工改造时经过反复考察，先后排除了孔板流量计、靶式流量计等常规仪表，选用了适合测量高粘度流体，量程比大的质量流量计[10]。将进出装置物料的测量由双转子流量计改为质量流量计，分别是原料进装置1 台、产品出装置3 台。

事实证明，在进行溶剂组合生产的过程中，通过DCS对质量流量计各参数的读取，指导了工艺的操作。如一段时间内脱油沥青出装置流量波动很大，工艺人员认为操作无问题，怀疑是仪表测量不准，仪表维护人员通过查阅DCS 各参数趋势，发现密度发生了变化，随即告知操作人员，应该是工艺条件发生了变化，介质存在气液两相，导致测量波动，操作人员及时进行了调整，产品随后趋于平稳。由于几台流量计都进行了与DCS 的通讯，因而在保证了能源计量的同时，给工艺生产提供了关键指导。

溶脱组合试验成功后，脱酸装置的几条侧线流量也改为经济型质量流量计。由于本公司几套装置都是工业化试验装置，加工的原油种类多，方案多变，在最初的设计中，脱酸侧线流量采用了普通的孔板。但是在实际开工过程中，由于原油种类、试验方案的变化，导致介质密度、粘度等影响测量的重要参数不断变化，量程变化很大，因而给测量带来了滞后以及误差，采用带有MODBUS 通讯协议的质量流量计后，因为其量程比宽，适应渣油等比较恶劣的工况，测量精度高，投用后，效果非常好。在实测参数的指导下，工艺人员及时调整操作，产品合格，达到了试验要求。