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(lái)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(lái)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(chǎng)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(wèn)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(wèn)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(chǎng)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(guò)調(diào)研，企業(yè)目前儀表輸出類(lèi)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(kāi)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(chǎng)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(kāi)，需對(duì)各類(lèi)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(kāi)發(fā)；同樣，對(duì)MODBUS協(xié)議來(lái)說(shuō)，不同廠(chǎng)家的地址編碼、數(shù)據(jù)格式不同，驅(qū)動(dòng)軟件須按廠(chǎng)家提供地址參數(shù)表和數(shù)據(jù)格式進(jìn)行編寫(xiě)和測(cè)試。對(duì)于有其它協(xié)議的計(jì)量?jī)x表，需要廠(chǎng)家支持，否則需要反編譯逆向分析后開(kāi)發(fā)。由此看來(lái)，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集實(shí)現(xiàn)難度、軟件開(kāi)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(lèi)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(guò)RS485總線(xiàn)連接，上層采用數(shù)據(jù)采集設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)總線(xiàn)上的計(jì)量?jī)x表進(jìn)行輪詢(xún)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(guò)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(xiàn)上，并通過(guò)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(guò)對(duì)數(shù)據(jù)采集器編程并通過(guò)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(jiàn)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(xiàn)。

(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(guò)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(guò)HART 協(xié)議轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為RS485信號(hào)，然后通過(guò)屏蔽雙絞線(xiàn)連到RS485總線(xiàn)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(guò)流量累計(jì)儀采集、計(jì)算和傳遞，連接方式見(jiàn)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(guò)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(xiàn)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(guò)安全柵轉(zhuǎn)換為2路電流輸出，其中一路電流通過(guò)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(jiàn)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(guò)網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)上傳，連接方式見(jiàn)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(guò)網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)上傳，連接方式見(jiàn)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(guò)MODBUS-TCP協(xié)議與數(shù)據(jù)采集服務(wù)器連接,底層通過(guò)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(fǎng)問(wèn),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(guò)MODBUS-RTU協(xié)議對(duì)底層設(shè)備進(jìn)行輪詢(xún)?cè)L問(wèn)，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?xún)?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(fǎng)問(wèn)接口及客戶(hù)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(kāi)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(lái)看，采集過(guò)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(lái)上層監(jiān)控管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)來(lái)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(méi)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(lài)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(wèn)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(mén)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(kāi)發(fā)，維護(hù)更加簡(jiǎn)潔方便

針對(duì)不同輸出類(lèi)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(kāi)發(fā)，傳統(tǒng)的接口程序開(kāi)發(fā)不但工作繁重，標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，而且上線(xiàn)運(yùn)行后維護(hù)難度大，此次是對(duì)不同類(lèi)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(lèi)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(chǎng)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(shuō)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。

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