應(yīng)用于在線分析儀表的多通訊系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王祎

（ 上海儀電（集團(tuán)）有限公司，上海 200233 ）

0 引言

隨著工業(yè)發(fā)展水平的不斷提高，工藝流程日趨復(fù)雜，成分分析變得越來(lái)越重要。采用在線分析儀表可對(duì)工藝系統(tǒng)的關(guān)鍵成分進(jìn)行精準(zhǔn)監(jiān)視和控制，避免手動(dòng)取樣分析時(shí)間滯后現(xiàn)象。目前，在線分析儀表已廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中，對(duì)原材料、半成品、中間產(chǎn)品及生產(chǎn)過(guò)程中各個(gè)環(huán)節(jié)的各類組分實(shí)施自動(dòng)、連續(xù)測(cè)量和指示，隨時(shí)給操作人員提供操作依據(jù)，甚至直接進(jìn)行生產(chǎn)控制，使得生產(chǎn)環(huán)節(jié)的效率和安全性明顯提升[1-2]。

1 應(yīng)用現(xiàn)狀

在線分析儀表的傳統(tǒng)應(yīng)用是對(duì)工藝原材料、工藝過(guò)程物料組分和最終產(chǎn)品進(jìn)行連續(xù)取樣分析，將數(shù)據(jù)傳輸至集中離散控制系統(tǒng)（DCS）[3]?，F(xiàn)代化學(xué)工藝過(guò)程的最優(yōu)化控制要求使得傳統(tǒng)通訊模式面臨以下挑戰(zhàn)：分析儀表的數(shù)據(jù)可靠性以及在線分析數(shù)據(jù)的有效率亟需提高；通訊方式缺少靈活性，除硬接線輸出外，不具有Modbus通訊功能，無(wú)冗余輸出；或雖具有Modbus輸出功能，但Modbus地址無(wú)法自由改變；不具有OPC（Open Platform Communications，開放平臺(tái)通信）、Profibus等通訊選項(xiàng)；須在現(xiàn)場(chǎng)才能對(duì)在線分析系統(tǒng)的質(zhì)量是否符合預(yù)期進(jìn)行驗(yàn)證（local validation）；無(wú)法遠(yuǎn)程控制某些重要硬件（如標(biāo)定氣體控制閥）并進(jìn)行遠(yuǎn)程標(biāo)定（remote calibration），難以確保硬件從設(shè)計(jì)到維護(hù)、校驗(yàn)及測(cè)量的準(zhǔn)確性；不具備數(shù)據(jù)加工能力，對(duì)第三方儀表數(shù)據(jù)的整合和處理的高效性欠缺。

因此，研究可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和分析控制的在線分析儀表多通訊系統(tǒng)具有重要意義[4-9]?；谝陨喜蛔愫同F(xiàn)代優(yōu)化控制的要求，設(shè)計(jì)一種系統(tǒng)具備以下優(yōu)勢(shì)：

1）具備基本的硬接線輸入、輸出通訊，自帶Modbus TCP/IP 通訊輸出；

2）具備Modbus RTU、Profibus通訊選項(xiàng)；

3）具備OPC通訊選項(xiàng)，以O(shè)PC為通訊語(yǔ)言與下游數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)進(jìn)行通訊；

4）硬接線輸出可PLC（硬線外部輸入/輸出程序可編程模塊Extension Input/Output）直接通訊，遠(yuǎn)程PLC控制可選擇形象化人機(jī)操作界面（HMI： Remote PLC Human Machine Interface）；

5）分析儀表系統(tǒng)硬件可選擇性強(qiáng)，軟件系統(tǒng)可根據(jù)該分析儀表分析模塊升級(jí)改變的需要靈活進(jìn)行本地或遠(yuǎn)程升級(jí)；

6）通過(guò)遠(yuǎn)程AMADAS系統(tǒng)或者數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的遠(yuǎn)端電腦DAS進(jìn)行數(shù)據(jù)加工、整合和處理第三方儀表數(shù)據(jù)、遠(yuǎn)程標(biāo)定氣檢驗(yàn)（Remote Validation）、遠(yuǎn)程標(biāo)定氣標(biāo)定（Remote Calibration），以及遠(yuǎn)程采樣探頭、過(guò)濾器的吹掃維護(hù)等功能，提高系統(tǒng)的準(zhǔn)確性、有效性與可靠性。

2 系統(tǒng)架構(gòu)及功能設(shè)計(jì)

系統(tǒng)架構(gòu)及功能設(shè)計(jì)見(jiàn)圖1。

設(shè)計(jì)的多通訊系統(tǒng)包括分析儀表自帶通訊系統(tǒng)、外部通訊系統(tǒng)，以及不同通訊方式的組合運(yùn)用。分析儀表自帶通訊系統(tǒng)使分析儀表自身通過(guò)多種類型的接口與外部系統(tǒng)通訊，包括用于遠(yuǎn)程控制和維護(hù)應(yīng)用的以太網(wǎng)接口（TCP/IP協(xié)議）、RS485或RS232接口（可選擇Modbus或 Profibus協(xié)議）。結(jié)合不同外部通訊模式：

1）硬線模擬數(shù)據(jù)輸入/輸出與外延PLC系統(tǒng)的組合；

2）使用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（DAA）采集以上通訊系統(tǒng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)作為連續(xù)分析控制數(shù)據(jù)，經(jīng)處理后的數(shù)據(jù)傳輸至集中離散控制系統(tǒng)（DCS）或最終用戶存儲(chǔ)器（CEM-DAS或環(huán)保監(jiān)控部門）。

表示硬線通訊模式，通過(guò)硬線形式傳送毫安電流與干結(jié)點(diǎn)信號(hào)，具有可靠性強(qiáng)、檢查方便的優(yōu)勢(shì)，缺點(diǎn)是成本高，數(shù)據(jù)硬件安裝工作量大，單對(duì)電纜信息傳輸效率低。上述架構(gòu)描述了外延分析儀表將信號(hào)整合到本機(jī)IO模塊，傳輸至DCS的傳統(tǒng)通訊模式。

2.1 分析儀表自帶通訊系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1.1 硬線通訊

硬線通訊示意見(jiàn)圖2。輸入/輸出板的附屬接口在系統(tǒng)控制器上，最多可支持5塊輸入/輸出板安裝在電氣模塊或輸入/輸出底板模塊，輸入/輸出板都均擁有處理器。

設(shè)計(jì)三種類型的輸入/輸出板：

1）模擬信號(hào)輸入/輸出板：2路模擬信號(hào)輸入，2路模擬信號(hào)輸出，2路數(shù)字信號(hào)輸入，2路數(shù)字信號(hào)輸出；

2）數(shù)字信號(hào)輸入/輸出板：4路數(shù)字信號(hào)輸入，4路數(shù)字信號(hào)輸出；

3）8路模擬信號(hào)輸出板。

2.1.2 Modbus TCP/IP通訊[10]

TCP/IP數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)基于TCP/IP協(xié)議實(shí)現(xiàn)，具有數(shù)據(jù)通訊的實(shí)時(shí)性、通訊過(guò)程的穩(wěn)定性和信息儲(chǔ)存的安全性等特點(diǎn)，為局域網(wǎng)內(nèi)的用戶提供了更為方便、快捷、安全的通信平臺(tái)。

1）Modbus TCP/IP本地通訊

Modbus TCP/IP本地通訊見(jiàn)圖3。以本機(jī)自帶以太網(wǎng)接口直接通訊，但通訊距離有限，最大通訊距離為1.2km，通常用于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試個(gè)人電腦維護(hù)用途。

2）Modbus TCP/IP通過(guò)光電轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程傳輸

Modbus TCP/IP通過(guò)光電轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程傳輸示意圖見(jiàn)圖4。組態(tài)時(shí)，如分析儀表數(shù)據(jù)接受工作站Modbus通訊表與分析儀表自帶通訊表不一致，則分析儀表數(shù)據(jù)接受工作站電腦讀取分析儀表OPC信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)再加工，此時(shí)需在工作站電腦中安裝OPC軟件，從而獲取OPC數(shù)據(jù)，經(jīng)工作站進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為Modbus數(shù)據(jù)。

2.1.3 Modbus RTU通訊轉(zhuǎn)換

Modbus通訊硬件示意見(jiàn)圖5。由Modbus TCP/IP通訊網(wǎng)口外加Modbus Gateway轉(zhuǎn)換而得。Modbus RTU有多種數(shù)據(jù)傳輸模式，如Modbus RS485、RS422、RS232，以硬線連接方式可有三線制、五線制，按供電模式有分無(wú)源以及有源兩種。

2.1.4 Profibus 通訊（現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議）

使用于非防暴區(qū)的現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)連接示意見(jiàn)圖6，可與RS485的通訊模式整合。

2.2 外部通訊系統(tǒng)設(shè)計(jì)

采用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（DAA，Data Access Arrangement)，一種計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程人機(jī)操作界面系統(tǒng)，通常不具備存儲(chǔ)器功能的子系統(tǒng)，用于接受、處理來(lái)自在線分析儀表的即時(shí)數(shù)據(jù)，平均數(shù)據(jù)，分析數(shù)據(jù)可靠性，加工數(shù)據(jù)，將處理后的數(shù)據(jù)傳至DCS、CEM-DAS存儲(chǔ)器，或?qū)?shù)據(jù)分享至分析儀表管理和數(shù)據(jù)系統(tǒng)（AMADAS）及公共網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

另外，采用分析儀表管理和數(shù)據(jù)系統(tǒng)（AMADAS，Analyzer Management and Data Acquisition System），作為在線分析儀系統(tǒng)遠(yuǎn)程維護(hù)工作站，監(jiān)視、維護(hù)、確定和改善在線過(guò)程分析儀的性能，提高維護(hù)效率。通過(guò)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，自動(dòng)從分析儀表/數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)收集實(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)和故障警報(bào)，分析儀表管理和監(jiān)視的用戶界面，顯示實(shí)時(shí)分析儀表狀態(tài)（如正常、故障、維護(hù)等）；自動(dòng)統(tǒng)計(jì)分析儀表數(shù)據(jù)，在統(tǒng)計(jì)質(zhì)量控制（SQC）圖表上繪制有效性結(jié)果與實(shí)驗(yàn)室比較結(jié)果，執(zhí)行有效性檢查、預(yù)防性與預(yù)測(cè)性維護(hù)，提供分析儀表維護(hù)和驗(yàn)證活動(dòng)的文檔；支持線樣驗(yàn)證、參考驗(yàn)證等各種驗(yàn)證方法，支持自動(dòng)驗(yàn)證、手動(dòng)驗(yàn)證、進(jìn)度表驗(yàn)證和線路樣本驗(yàn)證等各種驗(yàn)證執(zhí)行模式，統(tǒng)計(jì)分析驗(yàn)證結(jié)果；改善提高分析儀表性能，準(zhǔn)確評(píng)估并顯示分析儀KPI，如可用性、可重復(fù)性和問(wèn)題頻率，提高在線分析效率；提供分析儀性能分析KPI、SQC圖表和報(bào)告等各種工具，可視化分析儀表性能；通過(guò)遠(yuǎn)程人機(jī)操作界面(Remote HMI)遠(yuǎn)程進(jìn)行標(biāo)定氣檢查(validation)、標(biāo)定氣標(biāo)定(Calibration)、儀表空氣填充吹掃儲(chǔ)氣罐并吹掃采樣探頭過(guò)濾器(purge sample probe filter with instrument air)等遠(yuǎn)程操作。

CEM-DAS 用于連續(xù)排放監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng) (Data acquisition and handling system for continuous emission monitoring)，CEM-DAS具有廠區(qū)各臺(tái)DAA的匯總、統(tǒng)計(jì)、管理與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，系統(tǒng)時(shí)間與各DAA同步。

2.3 系統(tǒng)通訊設(shè)計(jì)關(guān)鍵考慮點(diǎn)

1）分析成分單一、輸出組分少，可采用硬線模擬信號(hào)和硬線數(shù)字信號(hào)輸出，不帶DAS；

2）分析成分多、外部數(shù)據(jù)輸入較多，采用硬線通訊和Modbus通訊相結(jié)合的方式；

3）有環(huán)保認(rèn)證監(jiān)控要求的應(yīng)用場(chǎng)景一般應(yīng)包含DAS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)干濕濃度換算，應(yīng)具備必要的遠(yuǎn)程維護(hù)功能和數(shù)據(jù)可靠性分析統(tǒng)計(jì)功能；

4）實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程標(biāo)定氣檢驗(yàn)（Remote Validation）等較復(fù)雜功能時(shí)，需利用分析儀表自帶功能塊（Function Block）編輯功能進(jìn)行內(nèi)部控制編程組態(tài)或滿足遠(yuǎn)程操作擴(kuò)展功能，靈活實(shí)現(xiàn)本地操作和遠(yuǎn)程操作的完美結(jié)合。單純遠(yuǎn)程維護(hù)時(shí)可采用AMADAS系統(tǒng)[11]。

3 典型連續(xù)溫室氣體排放在線分析監(jiān)控系統(tǒng)CEMs

典型連續(xù)溫室氣體排放在線分析監(jiān)控系 統(tǒng) CEMs（System for Continuous Emission Monitoring）可通過(guò)兩種模式來(lái)實(shí)施[12-14]。

模式一：分析儀表數(shù)據(jù)和第三方設(shè)備通過(guò)數(shù)據(jù)采集輸入/輸出模塊(DAHS IO)平行接入DAA(Data Access Arrangement)或 DAHS Server。

典型連續(xù)溫室氣體排放在線分析系統(tǒng)流程示意見(jiàn)圖7，組成部分包括：在線分析儀表、外延分析儀表、外部狀態(tài)信號(hào)及外延通訊設(shè)備。

外延分析儀表包括溫度、壓力、流量變送器、粉塵儀等第三方儀表設(shè)備。

外部狀態(tài)信號(hào)可來(lái)自外延分析儀表的各種維護(hù)故障信息，也可來(lái)自集成系統(tǒng)中的各種工況報(bào)警信息，如CEMs機(jī)柜溫度、吹掃壓力、機(jī)柜門開啟關(guān)閉信號(hào)、標(biāo)定氣瓶壓力報(bào)警、冷凝水液位報(bào)警、采樣探頭吹掃狀態(tài)報(bào)警、維護(hù)校驗(yàn)狀態(tài)報(bào)警等，狀態(tài)報(bào)警可采用硬線接入輸入/輸出模塊，也可通過(guò)CAN Bus與輸入/輸出模塊或PLC模塊進(jìn)行交流。

外部狀態(tài)信號(hào)可進(jìn)入在線分析儀表自身的模擬/數(shù)字輸入模塊，形成CEMs的待處理信息，整合對(duì)外部輸出。

外延通訊設(shè)備為CEMs信號(hào)接受設(shè)備，如數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)DAS（CEMs DAS SERVER WITH CONNECT SERVICE 或稱 DAHS SERVER），該系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)、加工數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)某些遠(yuǎn)程控制維護(hù)任務(wù)，如開啟遠(yuǎn)端的標(biāo)定氣閥門，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程標(biāo)定的功能，將加工整合后的數(shù)據(jù)通過(guò)防火墻傳送到終端用戶伺服器，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)傳輸至工程師站或政府環(huán)保部門。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)示意見(jiàn)圖8。DAA系統(tǒng)即本文所指的CEMs系統(tǒng)。人機(jī)界面（human machine interface，HMI）可顯示程序狀態(tài)，操作員依此監(jiān)控及控制程序。監(jiān)控系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)，也可提交命令監(jiān)控程序的進(jìn)行。遠(yuǎn)程終端控制系統(tǒng)（RTU）連接多程序中使用的傳感器，采集數(shù)據(jù)發(fā)至監(jiān)控系統(tǒng)。

模式二：可編程邏輯控制器（programmable logic controller，PLC）充當(dāng)DAA和遠(yuǎn)程操作的人機(jī)界面，見(jiàn)圖9。

在線分析儀表與第三方的在線分析儀表均通過(guò)硬線通訊進(jìn)入PLC通訊模塊[15]，PLC模塊轉(zhuǎn)化數(shù)據(jù)為Modbus RTU信號(hào)至DCS或下游存儲(chǔ)器。系統(tǒng)中，PLC遠(yuǎn)程控制閥門開啟/關(guān)閉，DAS操作員通過(guò)HMI了解系統(tǒng)狀態(tài)，根據(jù)需求設(shè)置顯示及記錄的警告條件、改變合格測(cè)量參數(shù)的目標(biāo)值、調(diào)整PLC控制，或暫停正常控制，進(jìn)行特殊維護(hù)。數(shù)據(jù)同步發(fā)送至終端歷史記錄器（Operational Historian），其架構(gòu)在商用數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)，以便追蹤趨勢(shì)并進(jìn)行分析。PLC利用回授控制提醒維護(hù)人員及時(shí)介入維護(hù)和檢查，或環(huán)境保護(hù)部門介入調(diào)查、監(jiān)視，DAS監(jiān)控系統(tǒng)可自動(dòng)對(duì)系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的有效性進(jìn)行自我評(píng)估。

分析儀表標(biāo)定氣體實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程自動(dòng)驗(yàn)證功能有以下步驟：

1）“PLC控制CEMS分析儀表驗(yàn)證”（“CEMS ANALYZER VALIDATION BY PLC”）信息在PLC人機(jī)界面閃爍。發(fā)送“01-XA-00007A信號(hào)觸點(diǎn)”（“正在進(jìn)行CEMS驗(yàn)證”）=“ON”至DAS；

2）反向吹掃：a.5次脈沖吹掃；b.100s（默認(rèn)）持續(xù)吹掃；

3）持續(xù)打開零點(diǎn)氣電磁控制閥（SOV 01-XY-00189）120s，開始零點(diǎn)氣驗(yàn)證；

4）關(guān)閉零點(diǎn)氣電磁控制閥（SOV 01-XY-00189）；

5）持續(xù)打開量程氣1（NO氣體）電磁控制閥（SOV 01-XY-00311）120s，開始NO驗(yàn)證；

6）關(guān)閉量程氣1（NO氣體）電磁控制閥（SOV 01-XY-00311）；

7）持續(xù)打開量程氣2（SO2氣體）電磁控制閥（SOV 01-XY-00188）120s，開始SO2驗(yàn)證；

8）關(guān)閉量程氣2（SO2氣體）電磁控制閥（SOV 01-XY-00188）；

9）持續(xù)打開量程氣3（NO2&O2氣體）電磁控制閥（SOV 01-XY-00187）120s，開始NO2&O2驗(yàn)證；

10）關(guān)閉量程氣3（NO2&O2氣體）電磁控制閥（SOV 01-XY-00187）；

11）分析儀表設(shè)置為正常工作模式前，使用樣品氣持續(xù)吹掃整個(gè)樣品管線120s；

12）“PLC控制CEMS分析儀表驗(yàn)證”（“CEMS ANALYZER VALIDATION BY PLC”）的信息完成自動(dòng)驗(yàn)證周期后停止閃爍。發(fā)送“01-XA-00007A信號(hào)觸點(diǎn)”（“正在進(jìn)行CEMS驗(yàn)證”）=“OFF”至DAS。

4 結(jié)語(yǔ)

在線分析監(jiān)控系統(tǒng)具備強(qiáng)大、靈活和多樣的通訊模式，兼容傳統(tǒng)（硬線輸出）和現(xiàn)代（Modbus、Profibus等）通訊模式，安裝方便、穩(wěn)定可靠、選擇通用性強(qiáng)。通過(guò)配套的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（DAA）、集散控制系統(tǒng)（DCS）及分析儀表維護(hù)控制系統(tǒng)，最終傳輸數(shù)據(jù)至CEMs數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)器（CEM DAS Sever），數(shù)據(jù)可傳輸至任何具有互聯(lián)網(wǎng)的環(huán)境保護(hù)部門及遠(yuǎn)程管理工程師。該系統(tǒng)在石化、采礦、環(huán)保領(lǐng)域中展示了良好的應(yīng)用前景。