趙萬翔，郭東林，薛峰，楊季

(天華化工機(jī)械及自動化研究設(shè)計(jì)院有限公司，蘭州 730060)

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HART通信協(xié)議在同位素儀表中的應(yīng)用

趙萬翔，郭東林，薛峰，楊季

(天華化工機(jī)械及自動化研究設(shè)計(jì)院有限公司，蘭州 730060)

摘要：通過HART通信協(xié)議，可以實(shí)現(xiàn)同位素儀表參數(shù)的遠(yuǎn)程控制、操作，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)儀表一體化。針對HART通信技術(shù)在工業(yè)同位素儀表中的應(yīng)用，從設(shè)計(jì)要求、電路結(jié)構(gòu)、運(yùn)算程序等方面作了介紹和分析。開發(fā)設(shè)計(jì)的新型同位素儀表，測量穩(wěn)定、運(yùn)行可靠，達(dá)到了開發(fā)設(shè)計(jì)的目的。

關(guān)鍵詞：HART通信協(xié)議同位素儀表放射源探測器

1HART通信協(xié)議的工作原理

HART通信協(xié)議采用的是半雙工的通信方式，有三層模型結(jié)構(gòu)： 物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。為了實(shí)現(xiàn)模擬通信和數(shù)字通信同時(shí)進(jìn)行而又互不干擾，HART通信協(xié)議采用頻移鍵控技術(shù)(FSK)，即在4～20mA模擬信號上疊加1個(gè)頻率信號，進(jìn)行雙向數(shù)字通信。頻率信號采用 Be11202國際標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)據(jù)傳輸率為1.2Mbit/s。由于FSK信號的平均值為0，不影響傳送給控制系統(tǒng)的模擬信號，保證了與現(xiàn)有模擬系統(tǒng)的兼容性，其工作原理如圖1所示，1200Hz代表邏輯“1”，2200Hz代表邏輯“0”，信號幅值0.5mA。

圖1　HART通信協(xié)議工作原理示意

2同位素儀表

2.1工作原理

同位素儀表又稱放射性儀表，它依據(jù)射線穿過物質(zhì)時(shí)的衰減原理，對密閉容器內(nèi)或開放場所里的工業(yè)生產(chǎn)參數(shù)進(jìn)行在線測量。射線衰減符合Beer-Lambert 定律：

I=I0e-μ ρ d

(1)

式中：I0——未經(jīng)物料衰減時(shí)的射線強(qiáng)度；I——經(jīng)過物料衰減后的射線強(qiáng)度；μ——物料的吸收系數(shù)；ρ——物料密度；d——射線穿過物料的距離。

由于同位素儀表的測量是非接觸式的，無需在被測設(shè)備上開孔、打眼并進(jìn)行改造，因而在高溫、高壓、易燃、易爆、劇毒、強(qiáng)腐蝕、高黏度、多粉塵等惡劣環(huán)境下的測量中，具有常規(guī)儀表無可替代的優(yōu)勢。

2.2儀表結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)的同位素儀表由放射源、探測器和二次表組成。放射源和探測器安裝在被測設(shè)備兩側(cè)，二次表安裝于控制室里，二次表和探測器之間用專用電纜連接。探測器測到的信號經(jīng)二次表處理后，將4～20mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號送往DCS。同位素儀表在投入使用前，有許多參數(shù)需要進(jìn)行設(shè)置、標(biāo)定，所有操作均是在二次表上完成。

2.3發(fā)展趨勢

近年來，隨著儀表技術(shù)的不斷進(jìn)步，儀表測量正朝著探測器和二次表一體化的方向發(fā)展，同位素儀表也不例外。國外許多代表性廠家的產(chǎn)品已經(jīng)走在了前列。目前，許多用戶都按照新的一體化儀表格局設(shè)計(jì)，即控制室不留二次表安裝位置?，F(xiàn)場儀表，包括同位素儀表只送出4～20mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號給DCS。涉及儀表校驗(yàn)和標(biāo)定等參數(shù)的讀、寫，通過手操器或PC進(jìn)行遠(yuǎn)程操作，如圖2所示。

圖2　一體化探測器遠(yuǎn)程操作示意

HART通信協(xié)議作為智能儀表中應(yīng)用最廣泛的通信標(biāo)準(zhǔn)，自然成為同位素儀表開發(fā)的首選，國外主要廠家的產(chǎn)品基本也都采用HART協(xié)議進(jìn)行通信。

3HART通信協(xié)議在同位素儀表中的應(yīng)用

3.1電路設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的目的是借助于HART通信功能，去掉二次表，實(shí)現(xiàn)同位素儀表二次表和探測器的一體化。一體化的儀表探測器送出4～20mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號給DCS，HART通信頻率信號即搭載在2根4～20mA電流信號線上進(jìn)行傳輸。操作有兩種方式： 一是通過HART手操器進(jìn)行操作；二是通過PC電腦加HART Modem方式進(jìn)行操作。電路結(jié)構(gòu)如圖3所示，一體化儀表主要有2塊電路板，其中單片機(jī)MCU、電流輸出、HART通信單元集成在1塊電路板上，電源電路和信號處理電路集成在另1塊電路板上。

圖3　HART通信協(xié)議功能電路設(shè)計(jì)示意

3.2運(yùn)算程序

同位素儀表的數(shù)學(xué)運(yùn)算有線性和指數(shù)兩種模式。以同位素料位計(jì)的多點(diǎn)標(biāo)定為例，其過程分為計(jì)數(shù)的采集、整理和運(yùn)算三個(gè)步驟。運(yùn)算以探測器接收來的計(jì)數(shù)率N和料位高度H為對應(yīng)關(guān)系：

1) 首先判斷N值介于Nj和Nj+1之間。

2) 兩點(diǎn)取直線計(jì)算：

(2)

式中：Hj——低料位，對應(yīng)計(jì)數(shù)率Nj+1；Hj+1——高料位，對應(yīng)計(jì)數(shù)率Nj。

3) 兩點(diǎn)取對數(shù)計(jì)算：

(3)

其他標(biāo)定及運(yùn)算方式可以類推，標(biāo)定后的數(shù)據(jù)，還可以根據(jù)工藝反饋的結(jié)果作出修正。

3.3應(yīng)用結(jié)果

HART通信協(xié)議應(yīng)用于同位素儀表后，實(shí)現(xiàn)了儀表一體化、遠(yuǎn)程操作的目的。兩種操作方式，無論是手操器方式，還是PC電腦加HART Modem方式，都通過可視的操作界面進(jìn)行操作，界面呈菜單點(diǎn)擊方式。

應(yīng)用效果在實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用中都得到了驗(yàn)證，其功能設(shè)計(jì)齊全、操作便利。研發(fā)成型的 1臺樣機(jī)在某石化現(xiàn)場和國外儀表同步考察，記錄的測量曲線和國外儀表基本一致，顯示儀表測量穩(wěn)定、運(yùn)行可靠，達(dá)到了開發(fā)設(shè)計(jì)的目的。

4結(jié)束語

長期以來，國產(chǎn)同位素儀表技術(shù)水平上處于落后狀態(tài)，致使國內(nèi)大型裝備的測量一直被國外產(chǎn)品壟斷。通過開發(fā)HART通信協(xié)議在同位素儀表上的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了儀表一體化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)儀表的遠(yuǎn)程控制和操作，縮小國產(chǎn)同位素儀表與國際主流儀表間的差距。開發(fā)過程中，MCU單元采用主流芯片，功能強(qiáng)大、性能穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)，也能滿足工業(yè)同位素儀表測量的多用途需求。在大量應(yīng)用現(xiàn)場，國產(chǎn)同位素儀表今后將有條件參與到和國外產(chǎn)品的招投標(biāo)競爭中去，并可直接替代國外產(chǎn)品使用，對于促進(jìn)工業(yè)同位素儀表的國產(chǎn)化，減少對國外產(chǎn)品的依賴，都有重要意義。

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作者簡介：趙萬翔(1966—)，男，蘭州人，1988年畢業(yè)于蘭州大學(xué)原子核物理專業(yè)，獲學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)工作于天華化工機(jī)械及自動化研究設(shè)計(jì)院有限公司，任教授級高級工程師。

中圖分類號：TN915.04

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號：1007-7324(2016)02-0069-02

稿件收到日期： 2015-12-22。