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从开放现场总线技术NetLinx到集成架构

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jiang_0514
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发表于:2009/3/31 12:18:37
#0楼
1  引言

   当今,现场总线技术和产品正处于一个方兴未艾的时期。各种现场总线技术层出不穷,而基于现场总线的所谓现场总线控制系统FCS也正日益成为业界讨论的热点。各大主流厂商也都在不遗余力地推广自己所推崇的总线技术,咨询机构、行业用户在选择适合自己行业应用的解决方案时也不可避免地面临这种“乱花渐欲迷人眼”的局面。那么,什么是这种现象背后的巨大的驱动力量?用户又如何区分,做出适合自己应用需求的选择呢?本文力图从分析现场总线技术中的一些基本概念出发,来阐述罗克韦尔自动化公司的开放现场总线体系NetLinx的核心理念,并说明其在集成架构(Integrated Architecture)中的地位和作用,以及这一开创性架构能够为行业用户带来的价值。

2  现场总线技术发展的核心驱动力

   传统的自动化技术今天正面临着前所未有的挑战。国际知名研究机构Forrester Research在2000年针对50家全球运作的企业的调查结果显示,在回答“什么是你全球经营最大的问题”时,38%的企业将“工厂生产缺乏透明度”列为第一位,其次分别是“需求预测的不准确性”(36%)和“缺乏沟通和交流”(24%)。很显然,企业所反应出来的主要问题都与有效获取生产过程中的相关信息有关。人们自然的估计是,这至少与企业内部生产控制中的网络系统,主要是现场总线技术的应用水平有关。今天,你很难预期一个在生产系统上尚处于“设备孤岛”阶段的企业达到高效率的数据共享。
   不过严格说来,生产数据在企业内部以及企业成员单位之间的有效共享,则应当是依赖于一个涵盖了控制平台、网络通讯、以可视化为代表的数据共享机制的完整的自动化基础设施,即所谓的集成架构(Integrated Architecture)。但是勿庸置疑,现场总线技术在其中发挥着十分重要的作用。大家在随后的例子中就会发现,现场总线的基本理念,会渗透到控制系统设计中,并给整个系统的性能带来很大的不同。

3  现场总线网络服务解析

   尽管总线产品的类型多种多样,但是归根到底必须要根据总线自身的特点,结合到具体控制系统,结合到具体的行业和应用要求,实现特定的功能。撇开各种总线的具体的技术规范,考虑这样的一个问题:今天,人们究竟在利用现场总线实现什么样的功能?事实上,总线的应用不外乎如下几种情况:
  连接网络I/O,
  连接智能现场设备,
  上位监控HMI,
  底层设备诊断,
  网络浏览、设备定位,
  程序上载、下载,
  系统和设备组态。
   实际上,所有这些功能都可以用三个“C”来概括,即Control(实时控制)、Collect(数据采集)和Configure(系统组态)。
   Control:典型的包括远程I/O控制、智能型设备如变频器实时网络控制、控制器之间通过网络实现的互锁功能等。典型特点是:数据成组,数据块大小有限但是强调快速、可重复、确定性的通讯。典型地开关量信号5~10毫秒、模拟量40~200毫秒刷新等。某些通过实时总线连接的就地操作员(EOI)站也可归为这一类通讯。
Collect:通过网络完成的数据采集和发送。如上位HMI完成数据采集和监视控制(SCADA),同时也包括系统诊断信息的提取等。典型特点是数据通讯量大,要求周期性或者应系统需要实现通讯,典型刷新时间500~1 000毫秒。
   Configure:通过网络完成就地和远程设备以及系统的设置、组态,程序的上载、下载等任务,包括提供路由支持,实现网络设备的定位或者状态浏览功能。典型特点是通讯任务为人为型、突发型,数据传送量非常大(最新的控制器程序大小多为几百K甚至数兆字节),任务完成时间从几十秒到数分钟甚至更长的时间。

4  传统现场总线解决方案的局限性

   事实上,上述三个“C”恰好可以完整描述人们对工业网络典型的功能要求。而且通常这三种功能是从顶层到底层,随时随地、贯穿始终的。很难想象,底层丰富的诊断数据如果不能方便地在整个网络架构中提取和共享,这种诊断的实际意义有多大。但是很显然,这三种网络功能(Services)在数据传送量、实时性要求、发生特性上都有着极大的区别,甚至可以说将其融合在一根总线上存在本质上的冲突和矛盾。如何解决这一矛盾?我们的问题是:
   (1)  是否可以通过提高总线波特率解决这些矛盾?
   (2)  三层网络本身存在纵向集成问题,如何跨越不同的网络层次完整集成这些功能?
   (3)  是否可以使用某种代理(Proxy)或者网关来实现这些功能?
   (4)  什么是真正可行的解决方案?
   是否可以通过提高网络波特率解决这些问题呢?答案是否定的。其根本原因在于,影响网络吞吐量(Throughput)的三个要素中,除了波特率,还包括协议的效率和通讯的模式。用以太网(典型1 500字节长)去处理位元(bit)信息显然效率不高。其实核心的要素是网络通讯模式对网络带宽的使用效率和不同网络服务的优先级处理问题。毕竟,网络波特率即便大幅提升,终究有一定限制,是有限的资源。
此外,如何跨越不同层次的网络实现集成的通讯服务?现在大家普遍认同的一点,就是典型的三层网络结构,即信息层、控制层、设备层。如何实现从信息层到底层工业设备的透明访问?传统的控制系统很难实现这一要求,其原因在于:
   (1)  三层网络没有通用的路由服务支持,必须借助于控制器或者网关设备完成不同层次之间的信息传递;
   (2)  传统的主从模式的网络是基于轮询或者主从扫描方式工作的,控制器必须要占用其宝贵的处理能力来管理通讯,同时用户必须调用相应的功能块,或编写特定的路由表来完成通讯的任务。这样不仅加重了处理器的负荷,影响系统实时控制性能,而且非专业人员很难达到底层的深度透明访问。这也就是传统系统只能提供有限诊断,甚至网络的浏览也只能限定在静态访问的原因。

   5  NetLinx解决方案核心技术分析

   罗克韦尔自动化则基于用户需求,创新性地解决了这些问题,从而使网络通讯和数据共享提升到了一个全新的境界。其中的关键技术包括:
   (1)  采用创新的、效率和实时性更高的Producer/Consumer(生产者/消费者)模式来取代传统的主从Source/Destination(源/目的)模式。开放现场总线技术EtherNet/IP(IEEE 802.3)、ControlNet(IEC61158,EN50170)、DeviceNet(IEC62026,EN 50325,中国国标 GB/T 1858.3)、FF(IEC61158,EN50173)都是采用生产者/消费者技术的典型代表。罗克韦尔自动化现场总线体系结构就构筑在这些开放总线产品的基础之上,如图1所示。



图1  罗克韦尔自动化开放现场总线结构示意图

   (2)  各层总线采用同一个应用层协议CIP(Common Industrial Protocol,通用工业协议,又称“控制与信息协议”),其结构如图2所示。CIP协议的控制部分用以进行实时I/O数据传送和互锁。信息处理部分用以进行报文信息的交换,如对等的通讯、报警、组态、操作员显示站以及故障诊断等。CIP 协议突出网络效率,可在同一介质上实现实时控制、设备组态以及数据采集等工作(完美集成三个“C”的功能),而这一切即便在今天,在其它的通讯系统中仍是不可想象的。另外,CIP是一个与介质无关的技术,这使得人们未来在其他的底层通讯技术之上很容易加载这种通讯协议。



图2  基于CIP协议的开放现场总线体系示意图

   (3)  创新的控制系统设计。罗克韦尔自动化全新集成控制和通讯平台ControlLogix系统创新性地将Producer/Consumer技术引入到其底板ControlBus的设计中,构造了独特的透明底板技术,即在任何一点,以任何方式(点对点串口、以太网、ControlNet、拨号网络、无线接入等)只要接入系统,就可以访问到从顶层(以太网)到底层(DeviceNet网络)的任何一点、任何一台设备完整的控制、组态和诊断信息,即完整的通讯功能实现,而且所有这一切无需处理器参与,无需任何编程,而且对系统正常的实时控制不会造成任何影响,可以具体到控制系统模块中的每一个点,深入到车间现场任何一台智能总线设备,实现完全动态、实时的、完整的信息访问。图3给出了一个全透明系统访问的实例,即一个实际的饮料生产企业,过程处理、包装和仓储管理子系统通过以太网相连。现在工程师在中控室打开RSLinx网络通讯软件,即可透明访问到系统中任何一个节点设备,包括现场连接在DeviceNet网络上的伺服控制器、I/O、变频器等所有设备,可以方便地实现包括系统诊断、组态、控制调节等完整的网络功能。大大提高了系统调试、运行和维护的效率。
   (4)  利用罗克韦尔软件强大的软件实力,采用创新的FacktoryTalk技术,通过公共的数据名空间(NameSpace),方便地在整个企业的范围内共享实时、诊断信息等数据,同时提供成熟的实时数据库和企业关系型数据库事务管理软件RSSQL,在企业生产管理层面提供模块化的MES(制造业执行系统)软件,完成从生产排程管理,设备效率分析,物料跟踪,批次处理到流程仿真等全过程的生产管理,并且能够和企业ERP系统方便地接口,真正实现企业范围内的完整数据共享方案。



图3  基于Logix和NetLinx的全透明系统访问

6  集成架构的优势

   从前边的分析即可看出,现场总线技术对控制系统的影响不仅限于改变了系统拓扑的面貌,而且在更深入的层面上影响着控制系统的性能,甚至其设计理念。更为重要的是,总线体系不会在一夜之间形成,更不会在短时间内改变,而作为控制系统基础的现场总线技术一定会在更为深远、更为长期的意义上影响着控制系统的性能与发展。罗克韦尔自动化从1994年发明并公开化DeviceNet技术开始,将其对先进现场总线技术的深刻理解贯彻到整个现场总线技术体系中,并创造性地运用到其集成控制平台Logix技术上,造就了独一无二的集成架构技术(Integrated Architecture)和优越的系统性能。
   高效率透明三层网络体系NetLinx技术提供了从互联网到车间底层透明贯通的完整的数据通讯功能,结合创新的透明底板技术,系统网络同一层次之间,跨越不同层次,任何一点接入,都可以实现无缝、透明的数据访问,用户可以自如地对系统任何一个节点设备随时随地进行实时控制、数据采集、系统组态和远程诊断。而且网络性能可设定、可预知、可确保、可调节。
   同时,配合FactoryTalk企业实时数据交换技术,系统内的实时数据可以在企业内部一次定义,即可高效共享,为控制、诊断等实时数据在企业范围内的透明共享奠定了基础。成熟的数据库事务管理软件在实时数据库和关系型数据库之间搭起了一座可靠的桥梁,为使用模块化的MES系统RSBizWare套件,以及和ERP系统之间接口,提供了成熟、可靠、开放化的解决方案。
   由此看来,NetLinx、FactoryTalk,RSSQL三者在不同层面上环环相扣,构造了一个工厂和企业数据从底到顶,无缝集成,结构开放、方便透明的一个企业数据访问基础架构,完成了现代企业内部纵向的集成,解决了工厂生产不透明地问题,使得企业在竞争中易于建立基础优势。
   同时,在横向层面上,罗克韦尔自动化创造性地将这种集成理念贯穿到其新一代控制平台Logix系统的设计中,用同一个操作内核,统一的开发软件(Logix5000),覆盖了顺序控制(传统PLC)、过程控制(传统DCS)、批次处理(传统DCS)、传动控制、运动控制(配合集成驱动技术Kinetix)、安全控制(SIL2 ESD系统等),完成了控制平台的横向集成,在系统设计、项目实施、运行维护、人员培训、系统集成、备件支持等环节上,都可以大大减少用户成本,也因此被自动化技术领先研究机构ARC誉为面向下一代的PAC(Programmable Automation Controller,可编程自动化控制器)系统的典范。更为重要的是,罗克韦尔自动化今天已经基本完成了Logix技术的整合,是成熟的PAC系统技术。而且Logix系统的规模完全可伸缩,跨越从几十点到数万点的系统,满足用户不同控制应用和预算的需求。
   与此相适应,罗克韦尔自动化在界面技术方面进一步整合,推出了全新可视化技术ViewAnyWare,即使用一个开发软件RSView Studio,可以完成企业级(RSView SE监控版)到车间级(RSView ME机器版)的组态,实现画面、标签的重用互换,并针对Logix平台开发了直接标签引用(Direct Tag Referencing)技术,使得HMI系统可以直接引用Logix控制器中的标签而无需繁杂的导入过程,并且和控制器中的标签同步变化,避免了频繁更改可能带来的错误。



图4  基于现场总线技术的集成架构

   综上所述,Logix/Kinetix、NetLinx、ViewAnyWare、FactoryTalk、RSBizWare,从横向到纵向,构成了一个紧密集成、结构清晰而又开放化的基于现场总线技术的集成架构(如图4所示),在性能、综合成本、成熟性方面都存在巨大的优势,必将为自动化系统带来崭新的面貌。
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#1楼
基于RS-485网络的分布式水下机器人控制系统

1  概述

   以往的水下机器人控制系统,特别是自治水下机器人控制系统,多采用集中式控制方式来实现机器人的控制,即由主控计算机实现对所有传感器和设备的数据采集及控制,因而主控计算机的任务繁重,效率也低。一旦主控计算机出现故障,整个控制系统将会瘫痪,系统的可靠性低;由于主控计算机的数据采集通道以及水密电缆的芯数是有限的,很难随意的增加设备或传感器,因此系统的可扩展性差。随着电子技术、传感器技术、通讯技术的发展,水下机器人能搭载的传感器越来越多,完成的使命也日趋复杂,传统的集中式控制方法无法满足水下机器人控制系统发展的需求。
   针对控制系统研究及其它关键技术研究工作,新近笔者完成了水下机器人试验平台的研制工作。试验平台具有开放式的架构,可任意增加或减少所携带的传感器和设备,进行各种关键技术研究。其控制系统采用基于RS-485总线的分布式水下机器人控制系统,系统实现了模块化、灵活性和开放性。
采用总线形式的分布式控制方法具有模块化、可扩展性强、组态灵活、可靠性高等优点。在水下机器人控制系统中引入分布式控制还有如下特点:
  可以将主控计算机的一部分任务分散到各个网络节点来实现,主控计算机任务减轻;
  一旦主控计算机出现故障,故障应急节点可以直接对机器人进行控制,使其浮出水面,这样就极大的提高了水下机器人的安全性;
  各节点间的信息交换是直接进行的,无须通过主控计算机这道瓶颈,大大提高了信息交互的效率,而且也提高了系统的可靠性;
  增减传感器或设备节点时,只须将其接入总线网络中,无须对主控计算机硬件进行更改;
  采用总线网络形式后每个节点的连线只有电源线和数据线,大大减少了水密电缆的数量和芯数,也大大减少了水密接插头漏水和线路故障的概率。
   当前控制总线技术的发展速度很快,种类亦很多,应用较广的有:RS-485总线、CAN总线、FF总线、Profibus总线、LONWORKS总线等。由这些总线组成的控制网络各有特色。RS-485总线具有结构简单、组网容易、造价低廉等优点,已经在工业控制中得到了广泛应用,也适用于组成水下机器人分布式控制系统。

2  基于RS-485总线的水下机器人控制系统结构

   图1为水下机器人试验平台控制系统结构框图。控制系统由若干功能节点组成,每个功能节点都具有RS-485接口,这些节点连接在一起构成了试验平台的RS-485网络。



图1  水下机器人试验平台控制系统结构

试验平台的RS-485网络由一个主控节点和多个分节点组成。主控节点采用体积小、功耗低的PC/104总线计算机,主要完成水下机器人的运动控制、路径规划、使命执行、数据记录等任务。而RS-485网络的各分节点主要完成数据采集、设备控制、电机驱动、硬件故障检测、漏水检测等任务,每个分节点的控制都是由AT90系列单片机(AVR单片机)来实现的,具有体积小、功耗低、灵活方便、系统易扩展等优点,每个节点在RS-485网络上都有一个唯一的地址供识别。RS-485网络的最大节点数为128,对水下机器人的控制系统来说是足够的。

3  RS-485网络的硬件组成

   水下机器人RS-485网络的硬件主要由主节点(自动驾驶计算机)和各个分节点(AVR单片机节点)组成。
主节点由自动驾驶计算机和RS-485网卡组成。其结构如图2所示。



图2  主节点结构

RS-485网卡的主要功能为:
  实现RS-232与RS-485之间的硬件电平转换;
 实现自动驾驶计算机串口低波特率(33.6Kbps)与RS-485网络高波特率(250Kbps)的转换;
  具有发送和接收9位地址字节能力;
  具有线路侦听和自动避障功能,并通过握手信号与自动驾驶计算机接口。



图3  电机控制节点硬件原理框图

   RS-485网络分节点的硬件主要由AVR单片机、RS-485驱动以及外围控制电路等组成。图3是电机控制节点的硬件原理框图。图中的AVR单片机需要控制多个电机的启停及运转,并检测电机电流、电压以及密封舱的温度、漏水等信号,这些信息通过RS-485网络与自动驾驶计算机节点进行交互。

4  RS-485网络通讯协议

   RS-485分布式数据采集和控制网络与其他计算机网络相似,采用分层结构设计,以降低软件设计的复杂程度,使其可读性和可维护性更强。其底层协议是为更高层协议提供特定的服务,而屏蔽其服务的实现细节。根据OSI的7层标准网络体系结构模型,结合水下机器人数据采集与控制网络中数据量小、实时性强的特点,采用其结构模型中的3层:物理层、数据链路层和应用层。
   (1)  物理层采用RS-485的电气特性,利用平衡差分信号来传输数据。
   (2)  数据链路层接受应用层来的数据,并进行处理打包,产生校验码,按一定格式组成数据帧进行传输;同时,接收来自底层的数据,对数据进行校验、解包,转化成应用层能够识别的数据。
数据链路层所传输的帧格式为:



    目的地址表示由哪个节点来接收此帧数据,可以由一个节点接收,也可以由若干个节点同时接收;源地址指明了此帧数据的来源;信息长度是本帧信息的字节数;信息类型指明了本帧信息的用途,是命令还是信息、是否需要返回响应数据等;信息0~信息n是具体的数据,采用二进制码形式,1路模拟量占用2个字节,8路开关量占用1个字节;数据帧的最后字节为校验和。
   目的地址字节的数据长度为9位,而其余字节的数据长度为8位,这样分节点只有在接收到符合自己地址的信息后才接收数据,从而避免了AVR单片机串口接收数据时造成的频繁中断。
   例如电机控制节点的信息帧内容有:打开/关闭电机、各个电机的输入给定值、电机运行状态、电机故障状态、漏水检测状态、电机电流、PWM舱温度、电机工作电压等。
   (3)  应用层接收数据链路层送来的数据,同时向数据链路层发送数据。在主计算机节点的QNX实时操作系统中封装了应用层的库函数接口,这样上层程序可以直接操作底层的设备,而不必关心具体的硬件细节以及通讯协议。例如想获得当前罗盘数据,只需调用函数get_tcm2_compass()即可。

5  RS-485网络通讯方式

   水下机器人试验平台的RS-485网络采用主节点轮巡和分节点自主发送相结合的方式,具有通讯线路侦听、自动避障等功能。
   各分节点在正常时采用触发机制的通讯方式,即主节点向分节点发出命令,分节点根据命令进行响应,这样主节点可以方便的调度对各分节点进行采样的周期以及是否对某一暂时不使用的节点进行采样,避免几个节点同时向网络发送数据造成网络阻塞和非实时性,这样可以精确的保证通信的实时性并且提高了效率。
   为了保证水下机器人的安全,网络中的各分节点应具有自主发送功能,即在水下密封舱漏水、电压异常、密封舱温度压力异常等紧急情况下,应及时向主节点报告;另外,两个分节点之间如果要进行信息交换,可以通过线路侦听,待线路空闲时再传送数据,跳过了主控计算机这道瓶颈;当主控计算机死机或故障时,具有应急功能的分节点可以与电机驱动节点直接通信,控制机器人的上浮运动,待机器人浮出水面后,无线电模块直接接收GPS模块的位置信息并向母船发送。要实现上述功能,主节点和各分节点RS-485接口电路应具有通讯线路侦听和自动避障功能,具体实现方法:某节点在发送数据前首先检测RS-485网络上是否有数据,如果检测到网络上没有数据时,先发送一个地址字节,同时检查其接收的字节与发送的字节是否一致,如一致则继续发送,如不一致,说明其它节点也在发送数据,造成了数据冲突,这时可以停止发送,延时随机的一小段时间再进行上述的步骤,实际应用表明,当RS-485网络的波特率为250Kbps时,网络运行顺畅,未出现过网络阻塞现象。

6  应用效果

   本文所述的基于RS-485网络的分布式水下机器人控制系统,在试验平台上实现并已投入使用,经水池试验应用,证明所设计的水下机器人RS-485网络性能稳定、工作可靠、指令响应速度快,在故障、漏水等应急情况下能迅速采取措施,浮出水面并发送位置信息,完全满足水下机器人自治航行的实时性和高可靠性要求。

参考文献:
[1]  阳宪惠. 现场总线技术及其应用[M]. 北京: 清华大学出版社, 1999.
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基金会现场总线功能块原理及应用

1  量程标定参数
   现场总线控制系统从输入设备得到测量数据经过运算后由输出设备执行,其中有些环节使用工程单位比较方便,但有些环节使用百分数比较方便。基金会制定的标定参数决定了变量的量程范围、工程单位及小数点右边显示几位。例如浮点数标定参数有DS-68的数据结构(见表1)。

表1  浮点数标定参数的数据结构DS-68



   标定参数分布在输入、输出功能块及转换器块和计算功能块中,如表2。
PID功能块使用PV_SCALE参数将误差信号转换成百分比,通过计算得出同样是百分比的输出信号,同时可以使用OUT_SCALE参数将它转换回工程单位数值;AI功能块使用XD_SCALE参数决定从输入转换器块得到的数值的工程单位;AO功能块使用XD_SCALE参数将SP值转换成输出转换器块得到的工程单位的数值,同时它也是反馈读出值的工程单位。表2是和标定有关的参数分布。

表2  有关标定的参数分布


       注1:*、**:取值需要互相匹配的参数对。
       注2:有连接关系的参数双方也必须有相同的标定范围。
2  错误状态的参数处理和激活
   当功能块被检查出不正常情况,例如有不能使用的输入信号或在指定的时间内通信仍然不能完成;或用户在资源块设定了错误状态,于是模块将进入一种特殊的状态,此时输出块可能采取一些安全的动作,这种特殊的状态称“错误状态”。它有三种产生的途径:
(1)  由功能块自身检查出的错误
   某些功能块可以组态成为当发现一个不能使用的输入(如上讲中质量“坏”的数据)时或在指定的时间(FSTATE_TIME)内仍然不能完成通信就送出一个初始的错误状态(IFS)。
(2)  传递初始的错误状态(错误产生在上游的功能块)
   支持串级控制的功能块有一个特殊的处理,就是把错误状态传递到下游的功能块直到输出块。
(3)  使用资源块激活错误状态
   资源块的错误状态参数可以强制所有该设备内的输出功能块立刻进入错误状态。
当错误状态激活后输出功能块可以被组态为“冻结”在错误状态发生前的最后值或预先设置的某个值(如全开或全关)。这些功能说明,基金会现场总线不仅能对系统和设备进行随时自诊断,而且在它发现错误时可以自动采取必要的安全保护动作。
3  报警和事件参数
   报警和更新事件称作警报,它表达检测到功能块应用内部重要的事件发生。功能块可以把这个事件报告接口设备或其他现场设备。报警不仅指变量和极限之间的比较,还包括功能块执行时发现的软件硬件故障引起的块报警。
   更新事件表示一个静态参数被改变,仅此时接口设备才读这个静态参数,和动态参数相比,这类参数极少改变。
有关报警的参数有:
(1)  报警参数(X_ALM)
   浮点数报警参数数据结构为DS-71,见表3。

表3  浮点数报警参数数据结构DS-71



(2)  报警极限参数X_LIM
当数值达到或大于极限时,一个模拟报警发生了。报警状态一直维持到数值小于极限值减去报警回差。只要设定报警极限值是正负无穷(INF)就等于关闭了报警。
(3)  报警回差参数ALARM_HYS
为清除报警条件,PV和OUT要小于报警极限一定的值称报警回差。报警回差以PV/OUT的量程的百分比来表示。
(4)  警报优先权参数X_PRI
警报优先权参数指一个报警或事件的重要性优先权。优先权可以是:
0-1=该警报不作为公告发布,自动确认。优先权大于1属于较重要警报,则必须报告。
(5)  报警摘要参数ALARM_SUM
这个参数摘要同一个功能块的多达16个报警状态。
(6)  块报警参数BLOCK_ALM
块报警被用于组态、硬件、连接错误或块内的系统问题。因为它是字符串,所以可以表示多种错误。
(7)  更新事件参数UPDATE_EVT
功能块更新事件参数是为捕捉向功能块内一个静态参数写入的动态信息。静态参数每改变一次,本参数值加1,和ST_REV参数类似。
4  仿真参数
所有输入输出功能块都有仿真参数SIMULATE或SIMULATE_D(开关量)、SIMULATE_P(脉冲)。它们包括值、状态和一个使能(激活)开关。这个开关在I/O功能块、转换器块和硬件通道间起切换作用。这使得现场总线系统可以在操作站对系统进行仿真调式,大大节省了系统调试工作量。
当仿真条件开关使能,转换器块或输入(出)通道被切断。仿真的值和状态被送给输入功能块(或回读参数)。状态可以用来仿真转换器错误。仿真使能时资源块在块错误状态。这提示系统处在不能进行按照正常算法的运行条件下。

表4  仿真使能和禁止时的作用




浮点数仿真参数有DS-82数据结构见表5。

表5  浮点数仿真参数数据结构DS-82




为了满足对系统各种复杂性能的组态需要,有些参数无法用简单的表达来确定,这些参数包括一系列可选的值用来表达不同的含义。人们称之为选项参数。其中有些选项参数为许多功能块共同使用,它们是:
(1)  IO_OPTS选项参数
此参数用于I/O特性的设置,例如是否将输入输出离散变量进行逻辑反相、错误状态时输出要达到的值、AI功能块的小信号切除功能被使能、一旦错误状态激活,设定目标模式是手动(Man)等。
(2)  CONTROL_OPTS选项参数
此参数用于控制特性的设置,例如可以设定旁路,旁路时控制策略不能实现闭环控制、允许设定值SP跟踪过程变量PV、当目标和现实模式是手动(Man)不对输出进行限制等。
(3)  STATUS_OPTS选项参数
此参数用于对参数状态(质量)的处理,例如原始输入参数(IN)的状态如果是坏(BAD),设定输出参数(OUT)是初始错误状态、把有“不确定”状态参数用作“好”或“坏”值、如果IN坏,目标模式到手动、如果传感器信号被高或低限制,设它输出的状态为“坏”等。
选项参数都是两个字节的“位串”,各位分别表达不同的选择。还有一些选项参数仅仅用于某一个功能块,再此就不予以详细介绍。
6 通道组态参数
通道组态参数用于多通道I/O设备,它和设备特性有关,例如:
(1)  固定I/O设备
如变送器、多通道温度输入模块、开关量模块等。可参考有关设备厂商使用手册。
(2)  可组态I/O设备
主要指插卡模块结构的控制设备,它们的I/O卡件的种类和数量都不是固定的。可参考有关设备厂商使用手册。
7  功能块和参数表达
   功能块一般的表达首先是一个逻辑框图,逻辑图有可连接的输入输出端子(参数)并形象地用图形表示信号的连接关系和处理算法。功能块除了上面提到的参数外还有各自特有算法的有关参数,所以将有一段对功能块算法的描述。参数表前6项见表6。

表6  功能块参数列表形式
(E:列举参数;na:无单位位串;RO:只读;D:动态;S:静态;N:非易失)




   上面列举的6个参数被规定为通用参数,对每个块都适用,所以后面介绍功能块参数时将省略这6个参数以节省篇幅。这里先对它们做如下介绍:
ST_REV 本功能块相关静态数据版本级别,每当静态参数属性被改变或重写一次,此参数值将被加1。它起跟踪静态参数属性改变的作用。
TAG_DESC 为用户描述功能块的用途方便,最长32个字符,不参与功能块运行。
STRATEGY 用于方便识别块的分组(0-65535),此数据也不被块检查和处理。
ALERT_KEY 这是一个工厂辨识号码(1-255),这个信息用于主系统对报警进行分类等等,不影响功能块运行。
MODE_BLK 块模式参数,用户最常用的重要参数,见第一讲内容。
BLOCK_ERR 表示多种块的软硬件相关的错误状态,它们是:0=其他(低位LSB);1=块组态错误;2=连接组态错误;3=仿真激活;4=本地跨越LO;5=设备失效安全设定;6=设备需要立刻维护;7=输入错误/PV有坏状态;8=输出错误;9=存储器错误;10=失去静态数据;11=失去NV数据;12=回读检查错误;13=设备现在需要维护;14=上电;15=O/S(高位MSB)。
1  量程标定参数
   现场总线控制系统从输入设备得到测量数据经过运算后由输出设备执行,其中有些环节使用工程单位比较方便,但有些环节使用百分数比较方便。基金会制定的标定参数决定了变量的量程范围、工程单位及小数点右边显示几位。例如浮点数标定参数有DS-68的数据结构(见表1)。

表1  浮点数标定参数的数据结构DS-68



   标定参数分布在输入、输出功能块及转换器块和计算功能块中,如表2。
PID功能块使用PV_SCALE参数将误差信号转换成百分比,通过计算得出同样是百分比的输出信号,同时可以使用OUT_SCALE参数将它转换回工程单位数值;AI功能块使用XD_SCALE参数决定从输入转换器块得到的数值的工程单位;AO功能块使用XD_SCALE参数将SP值转换成输出转换器块得到的工程单位的数值,同时它也是反馈读出值的工程单位。表2是和标定有关的参数分布。

表2  有关标定的参数分布


       注1:*、**:取值需要互相匹配的参数对。
       注2:有连接关系的参数双方也必须有相同的标定范围。
2  错误状态的参数处理和激活
   当功能块被检查出不正常情况,例如有不能使用的输入信号或在指定的时间内通信仍然不能完成;或用户在资源块设定了错误状态,于是模块将进入一种特殊的状态,此时输出块可能采取一些安全的动作,这种特殊的状态称“错误状态”。它有三种产生的途径:
(1)  由功能块自身检查出的错误
   某些功能块可以组态成为当发现一个不能使用的输入(如上讲中质量“坏”的数据)时或在指定的时间(FSTATE_TIME)内仍然不能完成通信就送出一个初始的错误状态(IFS)。
(2)  传递初始的错误状态(错误产生在上游的功能块)
   支持串级控制的功能块有一个特殊的处理,就是把错误状态传递到下游的功能块直到输出块。
(3)  使用资源块激活错误状态
   资源块的错误状态参数可以强制所有该设备内的输出功能块立刻进入错误状态。
当错误状态激活后输出功能块可以被组态为“冻结”在错误状态发生前的最后值或预先设置的某个值(如全开或全关)。这些功能说明,基金会现场总线不仅能对系统和设备进行随时自诊断,而且在它发现错误时可以自动采取必要的安全保护动作。
3  报警和事件参数
   报警和更新事件称作警报,它表达检测到功能块应用内部重要的事件发生。功能块可以把这个事件报告接口设备或其他现场设备。报警不仅指变量和极限之间的比较,还包括功能块执行时发现的软件硬件故障引起的块报警。
   更新事件表示一个静态参数被改变,仅此时接口设备才读这个静态参数,和动态参数相比,这类参数极少改变。
有关报警的参数有:
(1)  报警参数(X_ALM)
   浮点数报警参数数据结构为DS-71,见表3。

表3  浮点数报警参数数据结构DS-71



(2)  报警极限参数X_LIM
当数值达到或大于极限时,一个模拟报警发生了。报警状态一直维持到数值小于极限值减去报警回差。只要设定报警极限值是正负无穷(INF)就等于关闭了报警。
(3)  报警回差参数ALARM_HYS
为清除报警条件,PV和OUT要小于报警极限一定的值称报警回差。报警回差以PV/OUT的量程的百分比来表示。
(4)  警报优先权参数X_PRI
警报优先权参数指一个报警或事件的重要性优先权。优先权可以是:
0-1=该警报不作为公告发布,自动确认。优先权大于1属于较重要警报,则必须报告。
(5)  报警摘要参数ALARM_SUM
这个参数摘要同一个功能块的多达16个报警状态。
(6)  块报警参数BLOCK_ALM
块报警被用于组态、硬件、连接错误或块内的系统问题。因为它是字符串,所以可以表示多种错误。
(7)  更新事件参数UPDATE_EVT
功能块更新事件参数是为捕捉向功能块内一个静态参数写入的动态信息。静态参数每改变一次,本参数值加1,和ST_REV参数类似。
4  仿真参数
所有输入输出功能块都有仿真参数SIMULATE或SIMULATE_D(开关量)、SIMULATE_P(脉冲)。它们包括值、状态和一个使能(激活)开关。这个开关在I/O功能块、转换器块和硬件通道间起切换作用。这使得现场总线系统可以在操作站对系统进行仿真调式,大大节省了系统调试工作量。
当仿真条件开关使能,转换器块或输入(出)通道被切断。仿真的值和状态被送给输入功能块(或回读参数)。状态可以用来仿真转换器错误。仿真使能时资源块在块错误状态。这提示系统处在不能进行按照正常算法的运行条件下。

表4  仿真使能和禁止时的作用




浮点数仿真参数有DS-82数据结构见表5。

表5  浮点数仿真参数数据结构DS-82




为了满足对系统各种复杂性能的组态需要,有些参数无法用简单的表达来确定,这些参数包括一系列可选的值用来表达不同的含义。人们称之为选项参数。其中有些选项参数为许多功能块共同使用,它们是:
(1)  IO_OPTS选项参数
此参数用于I/O特性的设置,例如是否将输入输出离散变量进行逻辑反相、错误状态时输出要达到的值、AI功能块的小信号切除功能被使能、一旦错误状态激活,设定目标模式是手动(Man)等。
(2)  CONTROL_OPTS选项参数
此参数用于控制特性的设置,例如可以设定旁路,旁路时控制策略不能实现闭环控制、允许设定值SP跟踪过程变量PV、当目标和现实模式是手动(Man)不对输出进行限制等。
(3)  STATUS_OPTS选项参数
此参数用于对参数状态(质量)的处理,例如原始输入参数(IN)的状态如果是坏(BAD),设定输出参数(OUT)是初始错误状态、把有“不确定”状态参数用作“好”或“坏”值、如果IN坏,目标模式到手动、如果传感器信号被高或低限制,设它输出的状态为“坏”等。
选项参数都是两个字节的“位串”,各位分别表达不同的选择。还有一些选项参数仅仅用于某一个功能块,再此就不予以详细介绍。
6 通道组态参数
通道组态参数用于多通道I/O设备,它和设备特性有关,例如:
(1)  固定I/O设备
如变送器、多通道温度输入模块、开关量模块等。可参考有关设备厂商使用手册。
(2)  可组态I/O设备
主要指插卡模块结构的控制设备,它们的I/O卡件的种类和数量都不是固定的。可参考有关设备厂商使用手册。
7  功能块和参数表达
   功能块一般的表达首先是一个逻辑框图,逻辑图有可连接的输入输出端子(参数)并形象地用图形表示信号的连接关系和处理算法。功能块除了上面提到的参数外还有各自特有算法的有关参数,所以将有一段对功能块算法的描述。参数表前6项见表6。

表6  功能块参数列表形式
(E:列举参数;na:无单位位串;RO:只读;D:动态;S:静态;N:非易失)




   上面列举的6个参数被规定为通用参数,对每个块都适用,所以后面介绍功能块参数时将省略这6个参数以节省篇幅。这里先对它们做如下介绍:
ST_REV 本功能块相关静态数据版本级别,每当静态参数属性被改变或重写一次,此参数值将被加1。它起跟踪静态参数属性改变的作用。
TAG_DESC 为用户描述功能块的用途方便,最长32个字符,不参与功能块运行。
STRATEGY 用于方便识别块的分组(0-65535),此数据也不被块检查和处理。
ALERT_KEY 这是一个工厂辨识号码(1-255),这个信息用于主系统对报警进行分类等等,不影响功能块运行。
MODE_BLK 块模式参数,用户最常用的重要参数,见第一讲内容。
BLOCK_ERR 表示多种块的软硬件相关的错误状态,它们是:0=其他(低位LSB);1=块组态错误;2=连接组态错误;3=仿真激活;4=本地跨越LO;5=设备失效安全设定;6=设备需要立刻维护;7=输入错误/PV有坏状态;8=输出错误;9=存储器错误;10=失去静态数据;11=失去NV数据;12=回读检查错误;13=设备现在需要维护;14=上电;15=O/S(高位MSB)。
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#3楼
现场总线与工厂资源管理系统

1  现场总线技术
1.1  现场总线技术及其特点
“现场总线”名词的出现,已有十几年的历史,在现场总线技术诞生的初期,它的主要功能是将当时的可编程逻辑控制器(PLC)以一种较简洁的方式连接起来,后来随着计算机技术和网络技术的发展,逐步发展成为连接工业现场设备和控制室系统的全数字、双向、多站点的通信技术。在过程控制领域内,它就是从控制室延伸到现场测量仪表、变送器和执行机构的数字通信总线。它取代了传统模拟仪表单一的4~20mA传输信号,实现了现场设备与控制室主控设备间的双向、数字化的多信息交换。
目前国内国际的几种常用的具有影响的现场总线和智能仪表有以下几种:基金会现场总线(Foundation Fieldbus)、LonWorks、PROFIBUS、CAN、HART等。
在工业控制领域,现场总线仪表与常规的模拟量仪表相比,有其特有的优势,如:现场总线系统的接线十分简单,一对双绞线或一条电缆上通常可以挂接多个设备,因而可减少安装的费用;现场总线仪表自身能直接执行多种控制计算和报警功能,进一步分散了控制风险;具有数字通讯和诊断能力,提高了系统的精度和可靠性;通讯标准相对统一,同一条总线上可连接多个制造商的产品。
1.2  目前现场总线技术在应用中的定位
由于现场总线设备有以上的优点,目前已经有基于现场总线仪表的现场网络应用到实际生产中。虽然由于目前现场总线仪表内部功能较为简单,这种结构还远远不能达到现有DCS或PLC的控制水平,也不能完成复杂的顺序控制和联锁功能。但有观点认为随着制造技术和通讯技术的发展,未来以现场总线为基础的现场总线控制系统(FCS)将取代现有的DCS和PLC。不过,笔者认为任何应用于商业的技术,都应该是以降低生产成本、提高产品质量为基础的,现场总线的技术发展也不应例外。也许当“FCS”的功能达到目前DCS的控制水平时,那时生产制造商的要求已经不仅仅局限于这些功能了。因此现场总线仪表在未来控制系统中的主要功能,仍然应该是进行信息收集,应该是信息量更多、速度更快、精度更高的数据收集系统,而不是进行中央数据处理,系统中大量信息的处理仍应由功能更强大的中央计算机来完成,就像现有的DCS系统中的现场控制站和操作站一样。
目前现场总线技术存在的合理性在于,它不仅仅能够采集生产中的过程数据,如温度、压力等,还能够通过网络收集各个仪表自身的状态数据,如量程、工作时间、故障情况等,通过这些数据来进行设备远程诊断,可以提高设备维护的效率,有利于进一步降低生产成本。目前已经出现了基于现场总线技术的工厂资源管理系统(PRM,Plant Resource Manager)。
2  工厂资源管理系统
2.1  概述
随着生产工业的竞争日趋激烈,产品成本成为竞争的重要因素,维护成本作为产品成本中的主要部分,也渐渐为生产厂商所关注,成为成本管理的焦点之一。
目前,Foundation Fieldbus(以下简称为FF)和其他现场总线产品已进入推广阶段。这些设备都具有在线获取现场设备各种数据的能力,这就使得现场设备的故障预告和装置的预测维护变成可能。同时,通过在中央控制室使用检查计划时间表、检查备忘录等一系列预测维护工具,不仅能够大幅度的降低维护成本,而且能够增加装置的实际运行时间,提高生产效率。
YOKOGAWA开发的基于现场总线技术的工厂资源管理系统软件包,是对现场设备远程维护和预测维护的一个很好的尝试。
PRM系统的特点包括:在线收集并存储具有数字交互通讯功能仪表设备(如FF设备等)的参数,并集成了一些预测维护的软件工具;提供了多种设备分类方式,以及多种设备维护信息的管理方式,如检查计划时间表、检查备忘录等;允许维护人员及时调整现场设备的参数和相关信息;并且,可以实时的采集针对现场设备的操作信息,如参数整定的具体时间和人员信息等,这些信息也是设备维护的重要参数之一。图1所示,为PRM维护信息显示画面(设备详细信息画面和设备检查备忘录画面)。



图1  设备信息维护画面

2.2  工厂资源管理系统在生产中的位置
工厂资源管理系统的信息来源是位于生产第一线的具有数字通讯能力的智能设备,如现场总线设备等;它的信息处理中心和远程维护终端既可以位于中央控制室,为现场维护人员提供设备的第一手资料,也可以位于生产厂的各个相关的管理部门,如生产管理部门、采购部门等。
如图2所示为PRM在生产管理中的位置。PRM服务器是信息管理和处理中心;PRM客户终端就如同DCS的操作站是生产操作人员的操作平台一样,是维护人员和设备管理人员的维护管理信息平台。



图2  PRM在工厂中的位置

2.3  功能和特点
PRM采用客户/服务器结构。这就允许客户随着系统的扩展和现场设备的增加,随时添加计算机终端作为PRM客户端。同时客户端计算机和服务器通过以太网连接,使得维护终端不再局限于工厂的内部。PRM用来存贮维护信息和设备信息的数据库采用Oracle公司的产品,是一个可以24小时连续运行的大型数据库。
PRM具有良好的兼容性。它不仅仅支持FF设备,还支持Profibus设备、Modbus设备、HART仪表,同时也能管理常规的4~20mA仪表以及其它的现场设备,如泵等。当然PRM功能的发挥,还是要依靠被管理的现场设备的数字通讯能力。FF设备、Profibus设备能提供令人满意的设备信息,用以提高维护效率。同时,PRM对于那些不具备数字通讯能力的现场设备也能进行管理。这就使维护人员能够对所有的现场设备进行集中管理,便于制定一个针对各种设备的最适合的维护计划。
PRM提供多种的远程维护和预测维护功能,具体如下:
设备的维护信息管理。PRM的设备信息管理方式类似于WINDOWS中的资源管理器,并且可以对现场的设备采用三种分类方式进行管理:以生产装置的工序或工段分类以设备的通讯网络类型分类、以及以用户自定义的设备类型分类。图3所示,为以设备的通讯网络类型分类时的PRM设备管理器。
在PRM设备资源管理器中,对每个设备的各种信息也作了归类。表1列出了PRM可以管理的维护信息种类。这些设备信息都能保存在数据库中,同时也能将具体进行设备维护人员的信息,以及进行维护操作的原因等一同记录在数据库中。



图3  PRM设备资源管理器画面

PRM不仅提供了数据的存储,而且提供了新旧参数的比较功能,在设备参数维护画面中,可以同时显示现有的仪表参数和维护人员设定了的参数,如果两个参数不一致,则以红色突显出来,使得设备参数的修改更加方便和安全。

表1  PRM维护信息分类




(1)  设备诊断和参数整定
•  现场设备诊断功能
设备状态远程监视窗口允许在一个故障发生之后快速的检查设备的状态,减少了现场检查的工作。当设备出现故障时,将产生报警提醒维护人员,同时也能够像查看设备参数一样,观察设备的错误状态信息。这些功能使维护人员能在第一时间获得设备的故障信息,及时分析故障原因、制定相应的对策,以及快速的更换有问题设备,减少因仪表设备故障而导致的生产停顿。
•  现场设备参数调整
PRM针对FF设备集成了远程调校功能。它不仅能对仪表的参数进行显示、比较以及设定,而且还可以将特殊设备的调校方法和顺序记录在“设备描述”中,用以方便维护人员操作。
•  阀门诊断功能
PRM专门针对阀门设计了诊断功能,它通过采集和积累阀门的信息,如使用时间、动作的频度等,用来进行阀门的统计预防维护。统计预防维护不仅仅能提高维护的效率,而且也能通过延长阀门的检修周期来提高工厂的生产效率。同时,积累的信息还能提供给生产操作人员,以寻求更适当的调节方法,提高了阀门的控制精度。在一个生产装置中往往要使用大量的阀门,因此提高阀门的精度将会有助于提高生产的质量和产量。
当然,以上这些功能都需要具有智能通讯功能的现场仪表及阀门来支持,如FF总线仪表等。
(2)  维护检查的记录文档和报表
在维护的过程中,对维护检查工作的结果进行管理,形成一个工作记录,将成为后续工作的一个非常有用的信息源。在PRM中维护人员可以将工作记录写入维护数据库中,使得维护工作记录的便于保存和检索,同时也是预测维护的重要数据之一。
此外,PRM还具有维护工作报告自动生成或协助生成功能。在方便了维护人员的同时,也使得维护工作报告进入数据库进行数字化管理。
(3)  现场设备信息资源共享
PRM允许其它网络(如商务网络)通过与现场总线网络的连接来共享现场设备的信息,当然这种访问需要PRM对访问者的权限进行确认。而且,PRM不仅仅起到现场网络和上位网络的中介作用,而且还能针对不同的需要,将现场信息分类提供。如:将设备参数设定信息提供给生产操作部门;将设备的使用和备件信息提供给采购部门;将设备的诊断信息提供给设备维护部门等等。
通过现场网络、控制网络以及商务网络的相互连接,实现了现场信息的充分共享,使管理人员、决策人员更准确的了解生产的情况,制定更切实的计划和措施,将有助于提高企业的活力。
3  结论和展望
目前,国内大多数生产厂的仪表设备巡检方式,还是依靠仪表人员的经验在现场进行;仪表参数的修改和整定也同样在现场手工完成。对于系统的维护则主要是通过定期的大修来预防和减少生产中设备故障的发生。也许,随着现场总线设备的发展和普及,以及类似PRM的维护系统的出现和改进,传统的维护方式也将随之改变。设备的中央巡检、中央整定将成为基本的操作;通过数据库工具、统计工具对每台关键设备进行预测分析及可靠性评估,将使系统定期的大修成为历史,取而代之的将是针对个别设备的预测维护,大幅度增加装置的有效运行时间,提高企业的生产效率。
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#4楼
HART协议给我们带来了什么?

HART协议给我们带来了什么?
厂商: 控制网 作者:
领域:工业以太网 发布时间:2004-01-30 09:59:00 点击数:349
董景辰

1  引言
HART协议自1983年成为开放协议以来已经整整走过20年。鉴于当时的技术状况,具备HART协议通讯能力的现场仪表(以下称HART仪表)比较昂贵,使用量不大。另外,当时能够与HART仪表进行通讯的也只有手持器,能够与HART协议通讯配套的硬件和软件产品很少。因此,用户中逐步形成了一种看法,似乎HART仪表中数字信号的作用仅仅只是进行零点、量程远方整定和故障诊断,其它没有什么用处。
经过近二十年的发展,HART协议已经成为过程自动化领域的一个事实上的标准。现在支持HART协议的仪表制造商超过130家,其中45%在欧洲,43%在北美,12%在亚洲,是目前开放通讯协议中支持厂家最多的协议。通过HART基金会认证的HART仪表品种已经达到近500种。其中,压力仪表61种,温度仪表48种,流量仪表91种,物位仪表84种,分析仪表99种,执行器12种,阀门定位器33种。同时,HART仪表的价格也大幅度地下降,在国内已经与模拟仪表的价格十分接近。HART仪表已经不再是“奢侈品”。支持HART仪表与上位计算机通讯的配套硬件和软件也十分丰富。因此,现在可以在新的形势下重新评估一下HART协议数字信号的作用。为此,HART协议基金会最近发动了一个活动,叫做“释放潜力”(Unleash the Power)。借此引起用户们对HART协议的再次重视。
在当今现场总线技术已经十分火爆的时候,对HART协议的这种评估是否有实际意义呢?事实上,一项先进技术被用户接受是要相当长的时间的。DCS系统从1975年问世到在中国普遍采用几乎花了15年的时间。现场总线技术肯定比HART协议更加完整、更加先进、功能更加丰富,但是它的推广也同样需要时间。而现在在HART仪表已经相当普及的情况下,用户只要花很少的投资,就可以享受到许多实实在在的好处。我们为什么不去做呢?
2  HART协议能够给用户带来什么好处
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、长期的通讯联系。如果只是偶尔用手持器与HART仪表进行短时间的通讯,那么,HART协议的潜力是无法发挥出来的。一旦与HART仪表建立了长期的通讯联系,用户将可以从四个方面获益:
(1)  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,包括仪表的型号、测量范围、制造厂名称、材料、工位号等,因此,调试人员从屏幕上就能知道各个工位上安装的仪表是否是正确的仪表,而不必到现场去一一确认。
HART仪表还能提供仪表组态的量程范围、量程上、下限值。这些组态参数是否与DCS系统中相应的组态参数匹配,这在调试中是很关键的。如果两者不匹配,就会引起控制策略不能正常执行或者引起虚假报警。利用HART仪表的信息就可以很方便地在屏幕上加以确认,并进行参数的重新整定。
调试人员还可以在控制回路调试时,通过HART通讯使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连锁系统,确认这些系统的动作是否正确。
(2)  在系统运行时,协助运行人员做出正确的判断,减少系统意外停车。
在系统运行中出现的报警或异常,无非是过程引起的或者是仪表引起的。HART通讯可以帮助运行人员判断是否有仪表引起异常。由于HART仪表在每一次通讯中都给出仪表的状态信息,因此,运行人员可以非常确切地知道现在有哪些仪表的工作是正常的。从而,他们可以把注意力放到那些提供“故障”信息或者“不确定”信息的仪表上,大大缩小了他们的监视范围。一旦出现报警,他们能够准确地判断是仪表的原因还是过程的原因。
HART仪表还可以对其输出的模拟信号进行验证。当运行人员怀疑某台仪表的模拟信号有问题时,他们可以将其与该仪表的同一个过程变量的数字信号进行比较,来判断信号是否出现了问题。美国有一家炼油厂,因为一台液位变送器的输出信号连接处出现结露而引起部分短路,但运行人员又无法判断信号的可信性,最终造成溢罐,工厂全部停工,直接损失30万美元。如果采用HART仪表,就可以避免这类损失。
在一些安全连锁系统中,还可以直接引入HART仪表的状态信息。一旦仪表出现故障信息,就可以直接触发安全系统动作,不必等到过程发生大的偏差后再报警动作,提高了控制系统的安全性。
(3)  通过网络进行现场仪表的维护管理,大大提高了仪表维护工作的效率。
首先,维护人员可以根据HART仪表的信息建立一个该仪表的“私人”档案。包括仪表的型号、制造厂、使用日期、所在工位、校验日期和结果,采用的特殊材料或者灌冲液体等。
其次,由于HART仪表不断向系统提供仪表自身的状态信息,因此,仪表维修人员对在线仪表的工作状态十分清楚。不像采用模拟仪表时,只能依靠经验和推理来怀疑某台仪表有问题,然后到现场去拆卸,送到仪表车间校验,而结果往往仪表是正常的。现在,维修人员到现场去是有的放矢,不但减少了去现场的次数,而且不会空跑。
如果发现仪表故障信息后,再对仪表进行深一步的询查,还可以从HART仪表的信息中得到更为详细的故障信息,能够初步判断仪表的故障类型。因此,可以携带正确的工具和备件到现场去,避免无谓的来回跑动。
另外还可以根据HART仪表内部的统计信息预测仪表需要维修的日期。这主要用于阀门等有磨损产生的仪表。HART仪表可以对阀杆的动作次数进行统计,可以计算阀杆的累计运动里程数。当这个数字与制造厂提供的部件寿命指标接近时,就表示这台阀门将需要维修。有了这样的预测,工厂可以更合理地配备维修资源,在最合适的时机购买备件,把维修计划制定得更科学。对一些随着时间会发生性能老化的传感器,也可以采用这种预测方法。
(4)  利用HART仪表中的多个过程变量测量值,或者采用多挂接方式,可以节省仪表的数量。
一般,HART仪表可以提供最多四个变量的测量值。把这些信号利用起来可以减少仪表的数量,也可以减少主设备上的仪表安装孔。如果采用多挂接的方式,则可以节省电缆、端子板、配电器等设备的数量。但是一定要注意的是,只有过程对数据更新的速度要求很低的情况下,才能采用这种办法。一般HART仪表在一秒钟内只能通讯1~2次。在多挂接状态下,一个网段上如果挂接15台仪表,则它的信息更新时间大约要10~15秒。
3  如何实现与HART仪表长期、连续的通讯
(1)  通过DCS联接
绝大部分DCS系统在它们比较新的版本中都已经能够直接接收HART数字信号。如Foxboro在2002年5月发表了新的HART协议输入模块,每个模块可以接受8路4~20mA模拟信号和HART协议数字信号。新装置在德国一个石油乙烯工厂得到应用,该厂有2 000台HART仪表和800台HART调节阀。改造只是在原来的I/A系统上更换了新的I/O模块,并更换了软件版本。现在已经可以进行设备的网络管理以及实施前瞻性维护。
Honeywell公司的Experion PKS系统可以提供两种模块,一种是8路输入,一种是8路输出,都是既可以接受4~20mA信号又可以接受HART数字信号。HART的数字信号可以通过ControlNet在控制系统中传输。
ABB则是通过它的Industrial IT来接受HART数字信号的。HART仪表被接入Industril IT系统的I/O子系统,然后通过Profibus,进入控制系统。HART通讯也可以用在ABB的老系统上,例如,Advant、Symphony、Freelance 2000。
西门子开发了大量的HART远方I/O、HART modem、HART接口、HART多路切换器等产品。它的HART I/O可以作为其APACS系统的一部分。
Emerson则把HART作为它Delta-V系统的标准配置,所有I/O模块都能接受HART数字信号。而它的Ovation、Provox和RS3系统也都能接受HART信号。对Provox老系统,需要把I/O模块和I/O端子条升级。对RS3系统则应把I/O的电子部分升级。
(2)  如果工厂已经有DCS系统,而且短期内也没有升级或更换的打算。那么可以选择网关作为把HART信号接入DCS系统的低成本通讯工具。常用的有多路切换器、RS-232串口以及将HART信号转到以太网、Modbus、Profibus的网关。Mactec公司生产的Viator HART PC是一个串行modem,插入PC机后,能够使PC机与HART仪表通讯。通过这种modem可以运行西门子公司的SIMATIC PDM和其他设备管理软件(AMS)。P+F公司则采用把HART信号转为RS-485的多路切换器。通过RS-485传送的HART信号可以被Emerson公司的AMS,Applied Systems Technologies公司的Cornerstone以及P+F公司的PACTware等软件所接收使用。如果将一个主多路切换器和若干个从多路切换器串接在一起,最多可以把7905台HART仪表接入一台PC。
(3)  对一些比较小的系统,还可以采用Moore公司生产的SPA信号分离器。SPA在接受HART仪表的信号后,将其中的HART数字信号分离出来,然后再转换成4~20mA模拟信号或者开关信号,例如将三个辅助过程变量转化成4~20mA,把仪表状态信号和自诊断报警信号转化为开关信号等,再把转换后的模拟信号和开关量信号送入已有控制系统。
4  关于HART Server
还有一个更通用、更灵活的办法可以把HART仪表连入已有的控制系统,那就是通过与OPC兼容的工具软件HART Server。这个方法执行起来很简单,也很便宜。所需要的只不过是一台PC,从HART基金会购买HART Server软件和配备需要的多路切换器或者串口modem。
PC可以是任何机型,只要能够运行Windows 95/98/NT/2000就行。运行HART Server程序时不需要键盘和显示器,所以,它可以做的体积很小,采用工业防护标准的外壳,并设计成低功耗。
HART Server软件可以与HART仪表进行通讯,然后把HART数据转换成OPC数据。这时,就可以和任何内装OPC客户通讯软件包的应用软件实现通讯。实际上,几乎所有的HMI软件,设备管理软件(Asset Management)和软逻辑软件都内装有OPC客户接口,所以HART Server工具可以把几乎所有的应用软件与HART仪表连接起来。通过HART Server,多个用户(系统)可同时访问同一台HART仪表,也可以一个用户同时访问多台HART仪表。它还具有向无线手持设备(如PDA)传送数据的功能。
我国对HART技术的开发是从1996年国家“九?五”科技重大项目攻关开始的。由国内主要的仪表制造企业―上海自仪股份有限公司、四联仪器仪表集团公司、西仪集团公司和北京华控技术有限公司以及国内主要的自动化仪表研究所―上海工业自动化仪表研究所和重庆工业自动化仪表研究所6个企业组织联合开发。攻关的成果有通过HART基金会认证的HART协议通讯软件包、HART温度变送器、HART压力/差压变送器、HART电动执行器、HART阀门定位器、HART电磁流量计、HART/RS-485多路切换开关、HART安全栅等产品以及HART手持器和HART组态软件包。可以说,我国已经掌握了HART协议的核心技术。目前,上海工业自动化仪表研究所、北京华控技术有限公司推出用于压力/差压变送器的HART电子园卡,年销售量接近一万块。上海自仪股份有限公司、西仪集团公司、上海威尔泰股份公司、北京华控技术有限公司都相继推出HART压力/差压变送器产品,四联仪器仪表集团公司和上海自仪股份有限公司推出HART电动执行器和阀门定位器,都有较好的性能价格比。为了确保开发的HART仪表能够实现可互操作,中国仪器仪表行业协会现场总线专委会还专门成立了中国HART仪表登录管理办公室。因此,现在中国已具备了进一步推广HART技术的条件。

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