基于HART协议的AMS系统在煤气化装置的应用

基于HART协议的AMS系统在煤气化装置的应用
要艳静;刘鹏
【摘要】介绍智能设备管理系统的结构、组态与功能,给出HART协议的模型与网络结构.实际应用结果表明:智能设备管理系统对现场设备的在线监测和预防性维护,提高了煤气化装置的安全性与经济性.%The structure, configuration and the function of management system for intelligent devices were introduced and HART protocol model and network structure were presented.Practical application shows that, the on-line diagnosis and preventive maintenance of the device management system can improve both safety and efficiency of the coal gasification plant.
【期刊名称】《化工自动化及仪表》
【年(卷),期】2017(044)002
【总页数】4页(P180-183)
【关键词】智能设备管理系统;煤气化装置;在线诊断;预防性维护;HART协议
【作者】要艳静;刘鹏
【作者单位】航天长征化学工程股份有限公司电控室;航天长征化学工程股份有限公司电控室
【正文语种】中文
【中图分类】TH862
随着工业技术的不断发展，化工行业使用的各类智能仪表不断更新，不同类型的设备功能差异较大，需要专用的设备管理工具对它们进行管理。

煤气化装置中智能仪表设备数量大、种类多，任何一个设备故障，都可能导致装置紧急停车，造成巨大的安全危害与经济损失。

因此，设备状态的“健康”安全稳定是煤气化装置平稳运行的前提和保证，而对设备的实时监控、及时诊断和正确检修则是维持设备运行状态稳定的有效手段。

传统的设备维护需要等到设备出现异常或工作一定年限后才进行，不利于装置的安全经济运行。

为此，笔者提出在煤气化装置DCS系统中集成
智能设备管理(Asset Management Solutions,AMS)系统，采用基于HART协议
的智能仪表，实现对智能设备的在线监测、诊断和预防性维护。

AMS系统将智能化设备与现代管理相结合，形成了一种有效的管理智能设备集成
方案。

AMS系统智能变送器、智能阀门定位器等智能仪表具有在线集中组态、调试、校验管理、诊断及数据库事件纪录等功能，为预防性和前瞻性维修提供诊断工具和判断依据，并及时跟踪设备配置和参数变更，实现了实时资产优化和校准管理，确保工厂高效运行，降低了意外停机风险[1]。

1.1 AMS系统结构
AMS系统结构示意图如图1所示。

AMS系统通过网络接口与DCS系统相连，实现对现场智能设备的集中统一管理。

1.2 组态
AMS系统的组态有两种方式，即通过无线网络和有线网络两种方式进行组态。

实
现的功能如下：
a. AMS系统可以连接并组态现场智能设备；
b. AMS系统数据库自动记录参数修改时间，做到有据可查；
c. 利用当前组态与历史组态之间的传输功能可以将任意一次的组态下载到智能仪
表中。

1.3 状态监测与诊断
AMS系统可在线实时监测每块智能设备的“健康”状况，并提供故障原因诊断，
如冷启动、存储器故障及传感器故障等。

用户可根据智能设备的重要性进行分组，按不同组别分别监测和诊断设备的运行状况，并设置报警。

当有警报时，AMS系
统提供声光报警，同时数据库自动记录该报警事件和内容。

1.4 阀门管理
系统通过对采用HART协议的智能阀门定位器进行数字通信，实现阀门的自动调试、故障诊断、运行特性诊断、摩擦力分析及阀门流通特性优化等功能[2]。

煤气
化装置的阀门种类数量繁多，对阀门进行在线监测和管理可有效提高操作人员的工作效率和操作安全性。

1.5 开车调试功能
AMS系统可显示智能设备的连接位置，结合DCS系统，可实现设备回路的检查
工作。

此功能可在装置开车准备阶段快速检查回路接线情况，并对回路进行联锁测试，提供智能设备投运状况报告。

AMS系统能够帮助调试人员完成煤气化装置的
开车准备工作，减少接线检查工作量，提高回路检查准确率。

1.6 标定管理
测量仪表在开始使用或使用一段时间后需要进行标定，以保证其测量精度。

传统的标定操作繁复、工作量大。

采用AMS系统，能够设置标定程序并下载到标定器中，当仪表维护人员携带标定器在现场对仪表进行标定时，标定测试结果可直接上传至AMS系统，自动生成标定文档，极大地减少了维护工作量。

1.7 数据库管理
AMS系统中的数据库自动记录所有与智能设备相关的事件和报警，因此保证数据
库的安全才能保证AMS系统的正常运行。

在工厂实行智能设备管理，首先要求管理系统以过程测量仪表、阀门等现场仪表的实时信息为基础，在现场智能设备和网络之间实现双向数字通信[3]。

其次要求工厂管理是以开放标准为基础的过程管理信息系统，即所用的智能仪表应得到工业标准的技术支持。

因此，HART通信协议是较为理想的选择[4,5]。

2.1 HART协议结构
HART协议是一种适用于现场智能仪表和控制主设备之间的通信协议，是目前使用较广泛的智能仪表通信协议，具有完整的技术支持，覆盖了压力、差压、流量、液位、调节阀、成分分析及记录仪等智能现场设备。

HART协议模型如图2所示，采用3层模型结构，第1层物理层、第2层数据链路层和第7层应用层。

2.2 HART协议的网络结构
HART协议的网络结构有点对点连接和多点连接两种方式。

在点对点连接方式(图3)中，传统的4～20mA信号只能传递一个过程变量，另外的过程变量、配置参数和其他类型的设备数据采用HART协议的数字方式传输。

4～20mA信号对HART信号没有任何影响，依旧可以按照通常的方式加以控制。

煤气化装置的HART设备即采用点对点连接方式。

HART协议允许多台HART设备连接在同一总线上，即工作在多点模式(图4)。

HART设备工作在多点连接模式时，其工作电流应设置为最小值，以保证设备正常工作。

此时，设备的输出电流不再表示过程变量的变化。

因此多点连接方式是一种全数字通信方式。

HART协议为现场智能仪表提供了最佳的解决方案，既可保留传统的4～20mA模拟信号，又可与现场智能仪表进行双向数字通信，扩展了控制系统的性能。

本煤气化装置选择带有HART协议的智能变送器、智能阀门定位器等智能型现场仪表设备，作为AMS系统的支持，实现设备的在线管理。

某项目含两套煤气化装置、500余台HART智能变送器、100余台HART智能定
位器和其他智能设备。

维护人员需要消耗大量的时间和精力对智能设备进行检修维护，确保设备的正常运行。

而煤气化装置对生产过程的安全性和某些工艺参数的测量要求甚高，若能有效预防阀门、流量计等设备发生故障，则能大幅降低事故率，提高安全性。

同时，若能通过设备状况的在线监测来避免某些关键过程变量出现异常，如通过监测气化炉压力变送器数据，防止气化炉压力过高，则可避免由此导致的装置紧急停车，提高经济性。

AMS系统采用基于Windows XP操作平台的图形化界面(图5)，用户可以方便快
捷地进行操作。

AMS软件启动后可以自动扫描到物理硬件上连接的所有智能设备。

AMS系统可与DCS系统同时运行。

AMS系统主机通过以太网和数据高速通路的通信连接设备HDL，将请求/响应HART命令发送给控制器，控制器接收命令后将命令传送给输入输出卡件，并发送给现场HART智能仪表设备。

现场设备接收命
令后，依据HART协议规范，将命令响应信息发送给控制器，然后由HDL送入AMS主机的数据库[6]，从而实现AMS系统对现场设备的监视和组态(图6)。

AMS系统实现方便，通过对煤气化装置的变送器、阀门等设备进行在线监测、故
障诊断、报警监视和预防性维护，极大地简化了设备的调试和维护工作，节省了大量人力物力。

同时也极大地保证了设备运行的可靠性，提高了装置的自动化程度，有利于装置的安全稳定运行，降低了维护成本。

因此，在煤气化装置中同时应用DCS系统和AMS系统，能够有效提高装置运行的安全性和经济性。

【相关文献】
[1] 钟国华.智能设备管理系统AMS应用简介[J].化学工程与装备,2009,(5):217～219.
[2] 谢碧蓉,向贤兵,高倩霞,等.AMS智能设备管理系统的应用[J].重庆电力高等专科学校学
报,2013,18(6):59～62.
[3] 赵万翔,郭东林,薛峰,等.HART通信协议在同位素仪表中的应用[J].石油化工自动
化,2016,52(2):69～70.
[4] 谢峰.基于HART协议的智能设备管理系统的研究与开发[D].西安:西安电子科技大学,2011.
[5] 王精娟,段妮妮,王婷婷,等.HART信号采集系统在催化主风机组中的应用[J].化工自动化及仪表,2012,39(7):129～131.
[6] 张旭东,凌志浩.基于HART协议的实时设备管理系统[J].华东理工大学学报(自然科学版),2001,27(5):514～517.。