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        計(jì)量?jī)x表數(shù)據(jù)自動(dòng)采集在化工裝置中的優(yōu)化應(yīng)用

        2015-06-09 02:58:06
        化工科技 2015年4期
        關(guān)鍵詞:采集器儀表通訊

        尚 楠

        (浙江大學(xué) 電氣工程學(xué)院,浙江 杭州 310027)

        隨著信息技術(shù)的發(fā)展,越來越多諸如ERP、綜合統(tǒng)計(jì)等信息系統(tǒng)在化工企業(yè)得到廣泛應(yīng)用,為企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)管理提供了有力支持,但這些信息系統(tǒng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源于計(jì)量?jī)x表的數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)的可靠性直接影響企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)。北方某化工企業(yè)所屬16個(gè)生產(chǎn)廠的計(jì)量數(shù)據(jù),絕大部分靠人工抄表錄入,由于人為因素影響較多,外供計(jì)量?jī)x表經(jīng)常出現(xiàn)計(jì)量糾紛,尤其是特一級(jí)的物料,如果能夠?qū)x表輸出進(jìn)行改造,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)采集,并將數(shù)據(jù)發(fā)送至上層信息管理系統(tǒng),勢(shì)必能夠解決化工裝置中計(jì)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性瓶頸問題,增加企業(yè)的管理水平和創(chuàng)效水平。

        1 目前化工裝置的儀表數(shù)據(jù)采集問題

        1.1 數(shù)據(jù)采集為手工錄入方式

        企業(yè)所屬16個(gè)生產(chǎn)廠大部分儀表采用人工錄入方式,這種方式難以保證數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性和可靠性。

        1.2 計(jì)量?jī)x表輸出支持協(xié)議各異

        經(jīng)過調(diào)研,企業(yè)目前儀表輸出類型有4種。

        (1) 帶HART協(xié)議輸出的計(jì)量?jī)x表;

        (2) 帶有RS485輸出和電流輸出的計(jì)量?jī)x表;

        (3) 有4~20 mA電流輸出但無(wú)通訊協(xié)議的計(jì)量?jī)x表;

        (4) 脈沖輸出但無(wú)通訊功能的計(jì)量?jī)x表。

        經(jīng)統(tǒng)計(jì),支持HART協(xié)議的有266臺(tái),支持485協(xié)議的24臺(tái);無(wú)協(xié)議4~20 mA輸出49臺(tái);無(wú)協(xié)議脈沖輸出3臺(tái),如果使用常規(guī)采集實(shí)現(xiàn)方式,采用不同接口方式接入采集設(shè)備并需要有針對(duì)性對(duì)接口驅(qū)動(dòng)進(jìn)行開發(fā),驅(qū)動(dòng)軟件編制和接口改造難度及工作量相當(dāng)大。

        另外,盡管部分儀表支持HART,但因廠家、型號(hào)、版本的差異,對(duì)HART命令有各自的定義和擴(kuò)展,而且這種擴(kuò)展的技術(shù)規(guī)范不公開,需對(duì)各類儀表進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、命令選取和數(shù)據(jù)定義后才能進(jìn)行有針對(duì)性地軟件開發(fā);同樣,對(duì)MODBUS協(xié)議來說,不同廠家的地址編碼、數(shù)據(jù)格式不同,驅(qū)動(dòng)軟件須按廠家提供地址參數(shù)表和數(shù)據(jù)格式進(jìn)行編寫和測(cè)試。對(duì)于有其它協(xié)議的計(jì)量?jī)x表,需要廠家支持,否則需要反編譯逆向分析后開發(fā)。由此看來,傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集實(shí)現(xiàn)難度、軟件開發(fā)和接口連接復(fù)雜,需要更新升級(jí)方能實(shí)現(xiàn)。

        2 采集系統(tǒng)改造內(nèi)容

        2.1 建設(shè)新型數(shù)據(jù)采集結(jié)構(gòu)

        為了摒棄人工錄入,實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單有效的數(shù)據(jù)自動(dòng)采集,作者提出了一種新的實(shí)現(xiàn)方案,既對(duì)支持各類通信協(xié)議的計(jì)量?jī)x表進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議轉(zhuǎn)換,統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為MODBUS協(xié)議,通過RS485總線連接,上層采用數(shù)據(jù)采集設(shè)備,實(shí)現(xiàn)對(duì)總線上的計(jì)量?jī)x表進(jìn)行輪詢采集數(shù)據(jù),存儲(chǔ)處理后傳輸給上層數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器,為業(yè)務(wù)系統(tǒng)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

        設(shè)計(jì)方案的數(shù)據(jù)采集結(jié)構(gòu)分為二層,第一層為協(xié)議轉(zhuǎn)換層,實(shí)現(xiàn)計(jì)量?jī)x表數(shù)據(jù)采集。通過對(duì)各種計(jì)量?jī)x表數(shù)據(jù)采集輸出信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換,將其連接在全區(qū)域的RS485總線上,并通過MODBUS協(xié)議與數(shù)據(jù)采集器建立連接;第二層數(shù)據(jù)采集層,實(shí)現(xiàn)采集器數(shù)據(jù)采集及傳遞。通過對(duì)數(shù)據(jù)采集器編程并通過TCP/IP協(xié)議與上層數(shù)據(jù)采集服務(wù)器連接,實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)儀表的數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)采集結(jié)構(gòu)見圖1。

        2.2 計(jì)量?jī)x表數(shù)據(jù)采集接口協(xié)議轉(zhuǎn)換

        實(shí)際業(yè)務(wù)中,需要現(xiàn)場(chǎng)計(jì)量?jī)x表采集的數(shù)據(jù)不僅有儀表量程、瞬時(shí)流量、溫度等19個(gè)瞬時(shí)量,同時(shí)部分計(jì)量數(shù)據(jù)是瞬時(shí)量采集進(jìn)入DCS后進(jìn)行累積計(jì)算。根據(jù)企業(yè)計(jì)量?jī)x表的4種輸出信號(hào),優(yōu)化設(shè)計(jì)方案統(tǒng)一了這4種儀表輸出信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn),將它們轉(zhuǎn)換為支持RS485標(biāo)準(zhǔn)的MODBUS通訊協(xié)議,RS485最大傳輸距離約為1 219 m,支持光纜傳輸、光纜通訊且具有傳輸距離長(zhǎng)、抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn),因此全區(qū)域使用RS485總線。

        (1) 有HART協(xié)議和電流輸出計(jì)量?jī)x表協(xié)議轉(zhuǎn)換

        對(duì)于支持HART協(xié)議的計(jì)量?jī)x表,配置HART協(xié)議轉(zhuǎn)換器用于協(xié)議轉(zhuǎn)換。儀表的4~20 mA輸出通過安全柵轉(zhuǎn)換為電流輸出,一路接到 DCS/記錄儀,另一路送至流量累計(jì)儀中。而HART信號(hào)經(jīng)過HART 協(xié)議轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為RS485信號(hào),然后通過屏蔽雙絞線連到RS485總線網(wǎng)絡(luò),將數(shù)據(jù)傳送到數(shù)據(jù)采集器中。累計(jì)量通過流量累計(jì)儀采集、計(jì)算和傳遞,連接方式見圖2。

        圖2 有HART協(xié)議和電流輸出計(jì)量?jī)x表

        圖2中HART-710為協(xié)議轉(zhuǎn)換器,作為主設(shè)備通過HART協(xié)議采集現(xiàn)場(chǎng)儀表的實(shí)時(shí)輸出和計(jì)量參數(shù)。同時(shí)也作為從設(shè)備響應(yīng)上層數(shù)據(jù)采集器的請(qǐng)求,將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)MODBUS-RTU數(shù)據(jù)格式后傳遞到數(shù)據(jù)采集器中。

        (2) 具有RS485接口和電流輸出計(jì)量?jī)x表數(shù)據(jù)采集

        對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)帶有RS485接口和支持MODBUS協(xié)議的計(jì)量?jī)x表,使用屏蔽雙絞電纜將信號(hào)引至控制室RS485總線網(wǎng)絡(luò)上。如果該儀表的通訊接口是非RS485串行接口,使用串行接口轉(zhuǎn)換器將該接口轉(zhuǎn)換為RS485接口?,F(xiàn)場(chǎng)計(jì)量?jī)x表的4~20 mA輸出,通過安全柵轉(zhuǎn)換為2路電流輸出,其中一路電流通過端子接到 DCS/記錄儀中,另一路電流送至具有RS485接口的流量累計(jì)儀中,連接方式見圖3。

        圖3 有RS485接口和電流輸出計(jì)量?jī)x表

        (3) 電流輸出但無(wú)通訊協(xié)議的計(jì)量?jī)x表

        對(duì)于不支持MODBUS或HART通訊協(xié)議但有4~20 mA電流輸出的計(jì)量?jī)x表,使用流量累計(jì)儀完成包括瞬時(shí)量、累計(jì)量等數(shù)據(jù)采集工作,并通過網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)上傳,連接方式見圖4。

        圖4 有電流輸出但無(wú)通訊協(xié)議的計(jì)量?jī)x表

        (4) 脈沖輸出但無(wú)通訊功能的計(jì)量?jī)x表

        脈沖信號(hào)送至帶有RS485接口的流量累計(jì)儀,流量累計(jì)儀完成包括瞬時(shí)量、累計(jì)量等數(shù)據(jù)采集工作,并通過網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)上傳,連接方式見圖5。

        圖5 脈沖輸出但無(wú)通訊功能的計(jì)量?jī)x表

        3 數(shù)據(jù)采集器

        數(shù)據(jù)采集器負(fù)責(zé)區(qū)域內(nèi)的計(jì)量?jī)x表的各種數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)。通過MODBUS-TCP協(xié)議與數(shù)據(jù)采集服務(wù)器連接,底層通過光電隔離的RS485串行接口與現(xiàn)場(chǎng)支持MODBUS-RTU協(xié)議的智能儀表、流量累計(jì)儀、HRT710等設(shè)備組成RS485網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接。將收到的底層設(shè)備數(shù)據(jù)封裝成符合MODBUS-TCP協(xié)議的數(shù)據(jù)包,并實(shí)時(shí)響應(yīng)數(shù)據(jù)采集服務(wù)器的數(shù)據(jù)請(qǐng)求。

        3.1 數(shù)據(jù)采集接口設(shè)計(jì)

        接口軟件采用MODBUS-RTU協(xié)議對(duì)底層智能設(shè)備數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問,將獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)范處理,映射到組態(tài)文件規(guī)定的空間。接口軟件對(duì)數(shù)據(jù)采集服務(wù)器提供MODBUS TCP/IP服務(wù),當(dāng)數(shù)據(jù)服務(wù)器有數(shù)據(jù)請(qǐng)求時(shí),接口軟件將映射空間的數(shù)據(jù)按照標(biāo)準(zhǔn)MODBUS-TCP協(xié)議提供給數(shù)據(jù)采集服務(wù)器。

        3.2 底層設(shè)備的數(shù)據(jù)采集

        接口軟件根據(jù)組態(tài)文件的掃描策略,通過MODBUS-RTU協(xié)議對(duì)底層設(shè)備進(jìn)行輪詢?cè)L問,根據(jù)組態(tài)功能對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)范,規(guī)范后的數(shù)據(jù)映射到組態(tài)文件規(guī)定的內(nèi)存空間。當(dāng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)小于16點(diǎn)以下時(shí),實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的刷新周期在0.8s以內(nèi),非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集按照組態(tài)策略進(jìn)行。數(shù)據(jù)采集器采集到底層數(shù)據(jù)后,由于數(shù)據(jù)為原始數(shù)據(jù)流,數(shù)據(jù)采集器還需對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,處理函數(shù)為配置文件規(guī)定的函數(shù)(函數(shù)處理源代碼略)。

        3.3 采集數(shù)據(jù)上傳

        數(shù)據(jù)采集器響應(yīng)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集服務(wù)器的MODBUS TCP/IP的請(qǐng)求,按照預(yù)先制定的協(xié)議要求,將映射空間的相應(yīng)數(shù)據(jù)發(fā)送給主機(jī),上傳數(shù)據(jù)通訊符合標(biāo)準(zhǔn)的MODBUS TCP/IP 協(xié)議。

        3.4 數(shù)據(jù)緩沖

        接口軟件能夠保存近3 d的歷史數(shù)據(jù),并提供訪問接口及客戶端應(yīng)用。接口軟件能夠識(shí)別上行網(wǎng)絡(luò)的連接狀態(tài),在上行網(wǎng)絡(luò)斷開或故障的情形下,能夠自動(dòng)緩存未傳送的數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)的刷新周期不大于60 s。緩存數(shù)據(jù)的多少以存儲(chǔ)空間的容量為上限。接口軟件能夠識(shí)別靜態(tài)數(shù)據(jù)文件,并能響應(yīng)遠(yuǎn)程服務(wù)器的靜態(tài)數(shù)據(jù)請(qǐng)求,將靜態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)送給數(shù)據(jù)服務(wù)器。

        4 經(jīng)濟(jì)效益

        計(jì)量?jī)x表數(shù)據(jù)自動(dòng)采集實(shí)現(xiàn)方法已經(jīng)在某化工企業(yè)裝置得到應(yīng)用,從運(yùn)行結(jié)果來看,采集過程運(yùn)行穩(wěn)定,采集準(zhǔn)確度、精度較高。這種數(shù)據(jù)自動(dòng)采集方案解決了長(zhǎng)久以來上層監(jiān)控管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)來源的困擾,取得了經(jīng)濟(jì)效益如下。

        (1) 摒棄人工錄入,采用數(shù)據(jù)自動(dòng)采集

        大量化工裝置的計(jì)量數(shù)據(jù)沒有完全實(shí)現(xiàn)自動(dòng)采集,基本為人工錄入,不僅耗費(fèi)大量的時(shí)間和精力,還由于人為因素造成數(shù)據(jù)可靠性不高,實(shí)時(shí)性不強(qiáng),難以給上層管理系統(tǒng)提供可信賴的基礎(chǔ)數(shù)據(jù),這種數(shù)據(jù)自動(dòng)采集方法很好解決這一問題,提高了計(jì)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、實(shí)時(shí)性,能夠?yàn)樯a(chǎn)管理和計(jì)劃統(tǒng)計(jì)部門直接了解企業(yè)當(dāng)前生產(chǎn)和裝置運(yùn)行的狀況,從而便于對(duì)企業(yè)生產(chǎn)和經(jīng)營(yíng)做出正確的指揮和調(diào)度。

        (2) 減少接口開發(fā),維護(hù)更加簡(jiǎn)潔方便

        針對(duì)不同輸出類型的計(jì)量?jī)x表進(jìn)行數(shù)據(jù)自動(dòng)采集,以往需要針對(duì)儀表進(jìn)行接口開發(fā),傳統(tǒng)的接口程序開發(fā)不但工作繁重,標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一,而且上線運(yùn)行后維護(hù)難度大,此次是對(duì)不同類型儀表進(jìn)行輸出轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn),利用數(shù)據(jù)采集設(shè)備進(jìn)行簡(jiǎn)單組態(tài)和標(biāo)準(zhǔn)化編程而實(shí)現(xiàn),方案簡(jiǎn)單且高效。

        (3) 減少儀表設(shè)備更換,節(jié)約資金成本

        隨著化工企業(yè)對(duì)計(jì)量數(shù)據(jù)需求的增加,為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集,需要將計(jì)量?jī)x表更換為統(tǒng)一輸出類型切支持通訊協(xié)議,改造成本較高,參考本次設(shè)計(jì),可以繼續(xù)使用原儀表,靈活增加相應(yīng)的轉(zhuǎn)換設(shè)備即可實(shí)現(xiàn),大大降低設(shè)備投資。

        (4) 減少或取消抄表員,減低人工成本

        隨著計(jì)量數(shù)據(jù)自動(dòng)采集的應(yīng)用,可以減少甚至取消基層單位抄表崗位人員設(shè)置,大大減少用工成本。

        5 結(jié) 論

        方案已經(jīng)在某石化企業(yè)16個(gè)生產(chǎn)廠300余塊計(jì)量?jī)x表數(shù)據(jù)采集中得到實(shí)際運(yùn)用,不但減少了人工抄表的勞動(dòng)強(qiáng)度,而且實(shí)現(xiàn)計(jì)量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集傳遞和應(yīng)用,為后續(xù)計(jì)量統(tǒng)計(jì)報(bào)表的實(shí)時(shí)輸出奠定了基礎(chǔ),同時(shí),數(shù)據(jù)自動(dòng)采集的實(shí)現(xiàn),對(duì)與外單位能源和物料互供計(jì)量糾紛的解決和判定,提供了有說服力的數(shù)據(jù)依據(jù),實(shí)際效果良好。

        此設(shè)計(jì)方案不但為上層信息管理系統(tǒng)應(yīng)用提供高效、準(zhǔn)確、穩(wěn)定的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源,而且具有接口改造簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn),使其成為化工裝置儀表數(shù)據(jù)采集的最佳選擇,并具有一定經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益,更具有推廣價(jià)值。隨著化工裝置自動(dòng)化程度的不斷提高,這種自動(dòng)采集優(yōu)化設(shè)計(jì)將得到更廣泛的應(yīng)用。

        [ 參 考 文 獻(xiàn) ]

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