鍋爐信息系統(tǒng)的改進(jìn)

閆桂良 韓金亭 張海濤 東營市供熱管理處，山東東營

鍋爐信息系統(tǒng)的改進(jìn)

閆桂良 韓金亭 張海濤 東營市供熱管理處，山東東營

現(xiàn)場(chǎng)總線；變送器

引言

現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)是目前在自動(dòng)檢測(cè)和控制行業(yè)發(fā)展最快的技術(shù)。目前我們鍋爐系統(tǒng)使用的變送器是采用單片機(jī)對(duì)數(shù)字化的傳感器信號(hào)進(jìn)行非線性修正，溫度補(bǔ)償?shù)忍幚淼淖兯推?。每一個(gè)這樣的變送器都需要一對(duì)專門的傳輸導(dǎo)線將其信號(hào)傳輸?shù)娇刂剖一蛴?jì)算機(jī)。采用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，所有的現(xiàn)場(chǎng)傳感器或變送器只需公用一對(duì)傳輸導(dǎo)線連接到控制室的計(jì)算機(jī)，大大簡化了整個(gè)系統(tǒng)的布線和設(shè)計(jì)。技術(shù)人員的工作由傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)布線處理傳感器的匹配轉(zhuǎn)變到對(duì)計(jì)算機(jī)的編程或使用現(xiàn)有的軟件。目前，各種遠(yuǎn)傳智能測(cè)控模塊也可以多個(gè)模塊接在一對(duì)傳輸導(dǎo)線上連接至計(jì)算機(jī)，但這并不是現(xiàn)場(chǎng)總線，因?yàn)閭鬏攲?dǎo)線上掛接的事模塊而不是傳感器或變送器。如果多個(gè)智能變送器直接掛接在一對(duì)傳輸導(dǎo)線上在與計(jì)算機(jī)相連無需任何模塊，這樣的變速器才是傳感器和變速器的發(fā)展方向。

一 方案

目前使用的傳感器或變送器采用4～20m A二線制標(biāo)準(zhǔn)，它具有簡單響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，但在一對(duì)線上只能傳輸單一的信息而且精度不高，而數(shù)字通信則有分時(shí)公用同一電纜傳輸多個(gè)信息且精度高的優(yōu)點(diǎn)。因此采用現(xiàn)場(chǎng)總線數(shù)字通信取代目前的系統(tǒng)是發(fā)展的必然。目前有多種現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)，比如：HART, Bitbus, Canbus等。由于不同的標(biāo)準(zhǔn)各有特點(diǎn)，又擁有各自的用戶群。根據(jù)目前鍋爐系統(tǒng)的現(xiàn)狀H A R T總線比較適合。HART協(xié)議是利用數(shù)字信號(hào)直接傳輸模擬量的先驅(qū)，采用的公司比較多，事實(shí)上已成為現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)。HART 總線與我們現(xiàn)行的4～20標(biāo)準(zhǔn)兼容，即HART變送器既能當(dāng)成現(xiàn)場(chǎng)總線儀表也可作為4～20mA的二線制變送器使用，極大方便了使用和改造。同時(shí)還可以通過手持終端再線調(diào)整智能變送器參數(shù)。由于HART智能變送器具有上述的多樣靈活性，越來越得到廣泛的使用。

二 工作原理

HART協(xié)議采用頻移鍵控FSK原理，它是基于Bell202通信標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)字信號(hào)用2個(gè)頻率表示：1200Hz代表邏輯“1”，2200Hz代表邏輯“0”。這兩種信號(hào)的正弦波信號(hào)疊加在直流模擬信號(hào)上傳送，因此模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)可以同時(shí)進(jìn)行。由于FSK通信的平均值為0，因此4～20mA信號(hào)不受影響。HART協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸率為1200bps。變送器采用智能變送器。傳感器經(jīng)過輸入信號(hào)調(diào)理電路處理后送入A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，此數(shù)字信號(hào)在經(jīng)過單片機(jī)處理，包括：量程設(shè)置、零點(diǎn)設(shè)置、非線性修正輸出控制等，處理后的信號(hào)經(jīng)D/ A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成4～20mA的模擬量。

三 實(shí)現(xiàn)

1工作方式

HART現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)采用主從式工作方式。主機(jī)為一臺(tái)PC，從機(jī)為一臺(tái)或多臺(tái)遵守HART協(xié)議的現(xiàn)場(chǎng)總線變送器。當(dāng)從機(jī)只有一臺(tái)時(shí)，即點(diǎn)對(duì)點(diǎn)方式，此時(shí)啟動(dòng)D/A轉(zhuǎn)換器，可繼續(xù)使用傳統(tǒng)的4～20mA信號(hào)進(jìn)行模擬傳送，而測(cè)量，調(diào)整數(shù)據(jù)用數(shù)字方式傳輸，模擬信號(hào)不受影響，仍可按正常方式用于控制目的。從機(jī)為多臺(tái)時(shí)，4～20mA信號(hào)作廢，每臺(tái)變送器的工作電流均為4mA，由于每一臺(tái)從機(jī)都有唯一的編號(hào)，所以主機(jī)能分別對(duì)每一臺(tái)從機(jī)進(jìn)行操作，此時(shí)所有的測(cè)量，調(diào)整信號(hào)均用數(shù)字信號(hào)傳輸。

2變送器的構(gòu)成

變送器是由傳感器和智能變送部分組成。變速器又包含大規(guī)模集成電路單片機(jī) A/D 和D/A轉(zhuǎn)換器等。對(duì)不同的變送器，其傳感器各不相同，輸出的模擬信號(hào)也不相同但要求傳感器部分的耗電不得超過1mA。智能變送部分關(guān)鍵是解決低功耗問題。由于HART數(shù)字通訊的要求，有0.5mA的正弦波疊加在4mA電流上，因此整個(gè)智能變送器的硬件電路必須保證在3.5mA的工作電流下還能正常工作。傳感器部分將消耗1mA左右的電流。因此智能變送部分耗電在2.5mA內(nèi)。在如此小的電流使CPU、A/D、D/A、還能正常工作。因此智能變送器的核心是低功耗技術(shù)。因此，可以采用某些大公司為兼容4～20mA的智能變送器設(shè)計(jì)了專用A/D轉(zhuǎn)換器，如MAXIM公司的MAX1400和AD公司的AD7714。其共同點(diǎn)是將增益可調(diào)的儀表放大器、多路轉(zhuǎn)換器和A/D轉(zhuǎn)換器集成在1個(gè)芯片中，功耗在幾百μ A左右；單片機(jī)選用PIC16C73。它具有功耗低、運(yùn)行速度快、功耗強(qiáng)等特點(diǎn)。采用長字節(jié)指令，所有指令均為單字長，除跳轉(zhuǎn)為雙周期指令均為單周期（4個(gè)時(shí)鐘周期）指令。內(nèi)含看門狗、8級(jí)硬件堆棧、192×8RAM、32上定時(shí)器、2個(gè)捕捉器、5路8位A/D轉(zhuǎn)換器、SPI/I2共用的同步串行口、1個(gè)異步發(fā)送/接收串口USART、多種中斷功能，包括B口RB4～RB7輸入電平變化中斷。

3應(yīng)用中的問題及解決

3.1 電纜太長，智能變送器現(xiàn)場(chǎng)不通訊。分析其原因電纜電容大于HART通訊設(shè)備允許的最大電容。H A R T通訊頻率較高（1～2KHz）要求網(wǎng)絡(luò)的T=RC不大于0.65μs。因此HART通訊設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)的最大電容限制了通訊最大距離。可見由于電纜緣故，使網(wǎng)絡(luò)時(shí)間常數(shù)太大，導(dǎo)致通訊嚴(yán)重失真，而無法通訊，但對(duì)模擬信號(hào)無影響。

最大電纜長度M=(160000-Cmaster)/ Ccable

160000-根據(jù)HART通訊網(wǎng)絡(luò)允許的時(shí)間常數(shù)計(jì)算而得的常數(shù)，反映通訊網(wǎng)絡(luò)允許的最大電容：P F

Cmaster-控制系統(tǒng)或HART濾波器的電容：P F

Ccable-電纜分布電容：PF

因此網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間常數(shù) T=RC=(0.025*650) *(400*650)/1000000=4.2μs 〉0.65

可見由于電纜緣故，使網(wǎng)絡(luò)時(shí)間常數(shù)太大，導(dǎo)致通訊嚴(yán)重失真，而無法通訊，但對(duì)模擬信號(hào)無影響，改用2.5sq的交聯(lián)電纜（Cmster為90PF/M）即可解決。改用2. 5sq的交聯(lián)電纜（Cmster為90PF/M）即可解決。

3.2 變頻器載波干擾。智能變送器現(xiàn)場(chǎng)不通訊，甚至變送器誤指示0，檢查現(xiàn)場(chǎng)電壓均正常，并聯(lián)0.1μ F電容雖不能通訊，但指示正確，可以確認(rèn)這是線路干擾問題。分析原因2KHz左右高頻電磁干擾影響HART通訊器的信號(hào)，使變送器產(chǎn)生錯(cuò)誤信號(hào)。變頻器的載波頻率取決于其型號(hào)及容量，一般為2.0-16K H z（根據(jù)負(fù)荷組態(tài)）。HITACHIJ300-110HF95(VT)和150HF5（VT）型載波頻率大都組態(tài)設(shè)置為2KHz與H A R T通訊頻率十分接近，這個(gè)“0”信號(hào)頻率附近的雜波影響變送器，使它不能正確響應(yīng)信號(hào)，甚至按此信號(hào)錯(cuò)誤地轉(zhuǎn)為電流輸出或其他錯(cuò)誤操作方式，采取增大儀表電纜與動(dòng)力電纜的距離的改造措施。壓力變送器E+H，P M C-133型，配備變頻器，投用后，指示偏低，變頻器停下，恢復(fù)正常；ST3000經(jīng)常出現(xiàn)輸出信號(hào)大幅步波動(dòng)，經(jīng)仔細(xì)觀察，發(fā)現(xiàn)該現(xiàn)象類似于用SFC通訊器調(diào)整變送器參數(shù)后確認(rèn)后，便送器重新初始化的狀態(tài)。分析其原因是變頻器所產(chǎn)生的強(qiáng)電磁場(chǎng)及電機(jī)頻繁啟停的尖峰脈沖干擾，導(dǎo)致智能變送器自動(dòng)復(fù)位，試在變送器的信號(hào)端上并接100V,4.7μ f電容問題得以解決；超聲波流量計(jì)，突然指示異常：指示值亂跳，輸出電流也隨之變化，或隔一段時(shí)間指示就回零。分析其原因是變頻器干擾。解決措施將電纜變?yōu)槠帘坞娎|，將屏蔽層與探頭電纜屏蔽層一同接地，信號(hào)線與地之間跨接電容無效的情況下，試將探頭負(fù)端與屏蔽層一同接地，儀表恢復(fù)正常。

3.3 回路電阻影響，測(cè)量小信號(hào)時(shí)儀表指示正常，隨著測(cè)量信號(hào)的增大儀表輸出開始波動(dòng)，撤回車間校驗(yàn)正常，經(jīng)反復(fù)查找原因，發(fā)現(xiàn)回路電阻過大所致。可采用以下方案解決。采用內(nèi)阻較小安全柵，信號(hào)線以減少回路內(nèi)阻。若存在不經(jīng)濟(jì)或存在困難，可把DCS供電改為外接電源供電，但為保證電路安全和與SFC的通訊須在回路串接一電阻，其值大小和導(dǎo)線電阻之和不小于250歐姆，這樣可提高閉環(huán)電路的供電壓，保證了表頭電壓大于11V。

四 結(jié)束語

本文重點(diǎn)介紹了系統(tǒng)的硬件部分，還需要內(nèi)部驅(qū)動(dòng)軟件和通信軟件與之匹配。

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.13.066