HART智能仪表在线监控系统的设计与实现

1 智能仪表的广泛应用

    随着过程控制技术和智能仪表的发展，DCS已经在石油、化工、钢铁、冶金和电力等领域得到广泛的应用，实现了企业生产操作的高度自动化。智能传感器技术的发展和微电子技术的成熟，也为充分发挥DCS的优越性提供了可靠的保证。

    基于HART协议的智能仪表已经在DCS中得到广泛应用。如何最大限度地利用先期制造生产的自动化系统的昂贵投资，在已有智能仪表设备和 DCS的基础上，在不影响原有DCS正常工作的情况下，构成企业智能仪表的在线诊断和管理系统，并向局域网发布实时智能仪表信息，让实时过程管理扩展到现场信息系统的每个领域，已经成为自动化领域有待解决的技术课题。针对企业现场生产的实际，能满足上述需要的在线诊断和管理系统显得尤为必要。本文将探讨一种在线诊断管理系统的设计和实现方法。

2 系统体系结构

    该系统主要由智能仪表、HART协议通讯装置、HART服务器通讯软件（包括COM 服务器软件和OPC服务器软件）、数据库、上位机管理软件（包括应用服务器和客户端）组成。智能仪表主要是指基于HART协议的仪表，常见类型有差压变送器、压力变送器、阀门定位器、流量计等。HART协议通讯装置负责采集和传输智能仪表的数字信号，通过亚当模块传送给上位机的RS一232串口，由COM 服务器软件对该数据进行解析，并通过 sQL Server数据库对采集数据进行实时存储，其他自动化系统可以通过OPC通讯服务器软件对现场仪表的数据进行远程访问。应用服务器主要功能是对现场智能仪表进行组态与监控，提供可视化用户界面，方便用户操作。客户端负责在网络上发布现场智能仪表的监控信息，连接情况等。系统体系结构如图1所示。

3 HART协议通讯装置

3．1 HART协议通讯装置概述

    HART协议通信装置在不影响现有DCS正常运行的前提下将现场HART智能仪表的数字信号从模拟信号中剥离，完成仪表基本信息和过程变量的读取，并通过RS一232传送给上位机；同时支持上位机常用特殊命令的转发，读取仪表的特殊命令信息并返回给上位机。HART协议通信装置和HART协议通信服务器软件配合完成对现场HART智能仪表的信息读取、命令转发。并提供足够的接口组件，方便应用服务器软件的开发和扩展。可以根据HART协议通信服务器软件提供的接口，自定义开发应用服务器软件的界面和功能，实现对HART智能仪表的组态和监控。

    HART协议通信装置的主体部分是安装于端子板支架上的若干块HART协议网桥（本文以20块网桥为例进行说明），通过RS一485总线连接并与上位机进行通讯，网桥地址可以选择0～30的任意值，但不可重复。20块网桥默认地址为按安装位置顺序1～20。

    每块HART协议网桥可以采集12路HART信号，因此HART协议通信装置可以实现与240台HART智能仪表的独立通信。符合HART协议的信号经HART网桥处理后，通过RS一485通讯线并经RS一485／RS-232转换器转换为RS一232信号进入计算机。20块HART 协议网桥采用24 v／1 A电源统一供电，RS一485／RS一232转换器采用24 v／o．5 A 电源独立供电。HART协议通信装置的系统连接示意图如图2所示。

3．2 HART协议网桥FW581

    FW581的原理框图如图3所示。硬件电路主要包括：中央处理器（CPU）、HART调制解调器（Modem）及耦合电路、与现场仪表的信号选择及隔离电路、RS一485接口电路、WDT电路等几个部分。

    FW581分为两层，通过两组排针相连接。上层板包括DC—DC模块、CPU模块、RS一485接口模块、地址设置模块、指示灯等。上层板的 CPU模块和RS一485接口模块放在板子的背面，这使得FW581更加美观和安全。下层板的两对RS一485总线接口是对等并接的，方便同一RS一 485总线上多块FW581的接线。

    FW581的RS一485通讯信号必须通过RS一485／RS一232转换器，转换成RS一232信号后，才能和上位管理软件通讯。通讯速率为19．2 Kbps。

    FW581可以采用冗余的两路24 V电源供电。两对RS一485总线接口对等并接，方便多块FW581的接线。上层板有4个指示灯用于显示 FW581的工作状态；拨键开关用于设置FW581的地址。FW581地址的设置通过上层板上的SW4Ol拨键开关实现。拨键开关上的“1”是最低位；“8”是最高位；“ON”一侧表示逻辑1；反之是逻辑o。地址设置符合二进制编码，因此拨键开关直接显示卡件的二进制地址。将二进制数转变成十进制数后，就是卡件的十进制地址。

4 HART通信服务器软件

    与HART协议通信装置配套的HART通信服务器软件，包括COM 服务器和OPC服务器。COM 服务器实现与HART 网桥的串行通讯，向HART网桥下发对仪表基本信息和过程变量的读取命令，接收并处理HART网桥传上来的仪表过程变量和报警信息；并且支持向下转发特殊的HART协议命令，实现对现场HART仪表的组态和监控。OPC服务器将现场HART仪表信号传输到OPC服务器工作站。HART Server通讯服务器接口说明见表 1所列。

    HART 协议的命令共包括三种[1]：通用命令，普通命令和特殊命令。通用命令对所有遵循HART协议的智能设备都适用，主要由读制造厂商和设备类型、读主变量值和单位、读动态变量值和主变量电流等；普通命令对大多数HART智能设备都通用，但不是全部，用于常用操作。主要有读选择的过程变量、写主变量量程值、非主变量超限等。特殊命令由具体的HART设备生产厂商针对具体应用而定。COM 服务器提供的大多数组件接口都是基于通用命令，对于普通命令和特殊命令可以通过HartTrans组件的Transfunc接口来直接下发和解析。

5 上位机管理软件的结构和功能

    某石化企业的中控室中，有1台HART仪表通讯柜，1台服务器，2台PC机，各类HART智能仪表200多台。随着企业现代化管理制度建立的逐步深入，通过HART手操器对智能仪表进行组态和监测已经显得很低效。采用基于Windows—NT平台的SID智能仪表在线诊断与在线管理系统，充分发挥智能仪表的数字通讯和智能化功能，通过网络实现现场实时智能仪表的远程管理、操作和维护，直观全面地反映现场实时设备的状态信息和过程信息。

5．1 软件结构

    智能仪表在线诊断与在线管理系统采用目前较为流行的服务器／客户机（Server／Client）模式，多个客户端可以共享服务器的实时信息，用户可以通过服务器远离现场对智能仪表进行检测和维护。这种模式的特点是专业性强，安全性好，交互能力强。COM 通讯服务器采集数据后，存人指定的数据库中，由应用服务器从数据库中读取实时信息，然后通过客户端进行网络发布。但是采用这种结构也有一定的缺陷，就是不易维护，集成困难。如果应用服务器的仪表视图发生改变，为了保证客户端与应用服务器的仪表视图保持一致性，由客户端直接通过网络下载视图数据进行视图更新，从而避免了客户端软件升级所带来的繁琐。

5．2 软件的主要功能

    根据管理要求，智能仪表在线诊断与在线管理系统应具备的主要功能：现场设备视图模块，能根据智能仪表的生产厂商、设备类型和设备位号组织视图，也能按控制回路组织设备，便于用户了解每台设备的具体位置，还能按设备的网络连接情况组织视图，便于用户了解设备在哪台转换器的哪个接口上；设备访问功能模块主要完成和智能仪表的通讯，获取智能仪表的参数，对智能仪表进行组态，检测设备的实时状态信息；记录审查模块：记录操作人员对现场设备所做的修改操作，包括操作内容的旧值和新值，操作的时间和操作的原因，记录现场设备的报警状态，包括报警的设备、报警的时问和报警的内容，便于管理人员及时做出准确的决策。

5．3 传输HART命令的特殊通道

    COM 服务器已经很好地解决了与一些智能仪表的通讯，但如果智能仪表遵循的HART协议为特殊命令，则必须通过COM 服务器提供的特殊通道才能正常通讯，也就是HartTrans组件的Transfunc函数。从智能仪表采集上来的数据，最初是二进制的代码。这就需要根据数据链路层的帧格式与IEEE 754标准把数据转化成十进制。但各个HART命令的格式各不相同，所以需要对每条命令进行单独的解析。以1号通用命令为例进行说明。当1 号命令通过特殊通道下发到仪表后，返回的数据如下。

    表2中，s表示尾数的符号，1为负，0为正；E表示指数，与十进制数127的差值以二进制补码形式表示；M 表示尾数；上述浮点数的值通过把2的无偏移指数次方与24位尾数相乘得到。24位尾数由一个假设的最高位1，后跟一个小数点，和尾数的23位组成。

V= S1.M × 2E一127

    最后5 个字节组成的二进制数为00111100 01001101 11000111 01011110，经过转化后的十进制值约为12．559 413 9％ ，通过仪表显示读取的值为12．559 ，基本相同。

5．4 COM 服务器的轮巡时间

    在智能仪表在线诊断与管理系统软件运行之前，必须要进行COM 服务器初始化，目的是为了获取当前HART协议通讯装置中正在正常工作的 HART 网桥和现场在线的智能仪表，共轮巡2次。经过实验和推算，在2O个网桥正常工作并且每个网桥满载（每个网桥挂接12台智能仪表，共240台智能仪表）的情况下，COM 服务器的初始化约为7 min，如果智能仪表的数量更多，则COM服务器的初始化事件会更加长一些。

6 结束语

    HART协议通讯装置稳定性好，上位机软件操作简单，大大改善了传统仪表管理模式的低效，进一步提高了企业的自动化程度和办公效率。