摘要:簡(jiǎn)要介紹了HART通信協(xié)議的構(gòu)成、可燃?xì)怏w探測(cè)器的工作原理及HART手操器在可燃?xì)怏w探測(cè)器校驗(yàn)中的應(yīng)用。認(rèn)為HART手操器校驗(yàn)可燃?xì)怏w探測(cè)器方便、實(shí)用,隨著HART可燃?xì)怏w探測(cè)器的發(fā)展具有很好的應(yīng)用前景。wTR壓力變送器_差壓變送器_液位變送器_溫度變送器
隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展,人們逐漸的認(rèn)識(shí)到效益不再是#為重要的指標(biāo)而是安全。在化工廠、煉油廠、輸油點(diǎn)、采油點(diǎn)、鉆井平臺(tái)等行業(yè)的生產(chǎn)區(qū)域中存在著甲烷、乙烷、丙烷、硫化氫、一氧化碳等各種各樣的對(duì)人們有危險(xiǎn)的氣體,它們可能會(huì)引起爆炸,可能致人死亡。因此能夠發(fā)現(xiàn)這些無(wú)形的隱患并將其控制或消滅是再好不過(guò)的了。因此在全shijie對(duì)這個(gè)問(wèn)題關(guān)注起來(lái)的同時(shí),基于HART協(xié)議的可燃?xì)怏w探測(cè)器也就應(yīng)運(yùn)而生了。
1HART協(xié)議
HART協(xié)議是可尋址遠(yuǎn)程變送器數(shù)據(jù)通道協(xié)議的簡(jiǎn)稱,是美國(guó)Rosement公司于1985年推出的一種用于現(xiàn)場(chǎng)智能儀表和控制室設(shè)備之間雙向通信的協(xié)議規(guī)程。HART協(xié)議采用了美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的Rell202通信標(biāo)準(zhǔn)中的頻移鍵控FSK(FreguencyShiftKeying)技術(shù),在傳統(tǒng)的4~20mA的直流模擬信號(hào)上疊加一個(gè)幅度為0.5mA的音頻數(shù)字信號(hào)進(jìn)行雙向數(shù)字通信。由于FSK信號(hào)的平均值為0,因此,不影響傳送給控制系統(tǒng)模擬信號(hào)的大小,從而保證了與現(xiàn)有模擬系統(tǒng)的兼容性[1-2]。在HART協(xié)議通信中,主要的變量和控制信息由4~20mA傳送,在需要的情況下,其他如檢測(cè)、過(guò)程參數(shù)、設(shè)備組態(tài)、校準(zhǔn)、診斷信息通過(guò)HART協(xié)議的數(shù)字信號(hào)傳輸。HART協(xié)議采用了ISO開(kāi)放系統(tǒng)互連模型OSI的簡(jiǎn)化為3層模型結(jié)構(gòu),即地衣層物理層,第二層數(shù)據(jù)鏈路層和第七層應(yīng)用層[3-4]。
由HART通信協(xié)議構(gòu)成的現(xiàn)場(chǎng)總線(簡(jiǎn)稱HF)系統(tǒng)采用主從工作方式。主機(jī)為1臺(tái)PC機(jī)或手持編程器(簡(jiǎn)稱手操器);從機(jī)為1臺(tái)或多臺(tái)遵守HART協(xié)議的HF智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。當(dāng)從機(jī)只有1臺(tái)HF智能設(shè)備現(xiàn)場(chǎng),即智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備工作在點(diǎn)—點(diǎn)方式時(shí),主要測(cè)量參數(shù)可繼續(xù)使用傳統(tǒng)的的4~20mA信號(hào)進(jìn)行模擬傳輸,其他的測(cè)量、診斷信息、調(diào)整和測(cè)試數(shù)據(jù)則用數(shù)字方式傳輸; 當(dāng)從機(jī)為多臺(tái) HF 智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備時(shí),即智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備工作在多站方式時(shí),4 ~20 mA 信號(hào)作廢,每臺(tái)設(shè)備工作電流約為 4 mA。所有測(cè)量,診斷信息、調(diào)整和測(cè)量數(shù)據(jù)均用數(shù)字方式傳輸。由于每臺(tái) HF 設(shè)備有非常好的編號(hào),因此,主機(jī)能對(duì)每一臺(tái)設(shè)備進(jìn)行操作。當(dāng)工作在此模式下,滿足要求時(shí),單個(gè)電源#多可#多遠(yuǎn)程供電 15 臺(tái)設(shè)備; 如果本地供電,可連接更多數(shù)量的設(shè)備。按照現(xiàn)場(chǎng)總線的定義,HART 通信協(xié)議并不完全符合現(xiàn)場(chǎng)總線的技術(shù)要求,可以說(shuō)它并不是真正意義上的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù),只是模擬系統(tǒng)和數(shù)字總線之間的一種過(guò)渡措施。但它畢竟向現(xiàn)場(chǎng)總線邁近了一步。符合 HART 協(xié)議的現(xiàn)場(chǎng)總線儀表在不中斷過(guò)程信號(hào)傳輸?shù)那闆r下在同一模擬回路上同時(shí)進(jìn)行數(shù)字通信,使用戶獲得了診斷和維護(hù)的信息,以及更多的過(guò)程數(shù)據(jù)。經(jīng)過(guò) 28年的發(fā)展,HART 協(xié)議技術(shù)在國(guó)外已經(jīng)十分成熟,并已經(jīng)成為全球智能儀表的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。HART 協(xié)議構(gòu)成的現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng) HF 與傳統(tǒng)的 DCS 和真正意義的現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng) FCS 的比較見(jiàn)表1。
2 可燃?xì)怏w報(bào)警器
可燃?xì)怏w報(bào)警器就是氣體泄露檢測(cè)報(bào)警儀器。當(dāng)工業(yè)環(huán)境中可燃或有毒氣體泄露時(shí),氣體報(bào)警器檢測(cè)到氣體濃度達(dá)到爆炸或中毒報(bào)警器設(shè)置的臨界點(diǎn)時(shí),可燃?xì)怏w報(bào)警器就會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào),以提醒工人采取安全措施,并驅(qū)動(dòng)排風(fēng)、切斷、噴淋系統(tǒng),防止發(fā)生爆炸、火災(zāi)、中毒事故,從而保障安全生產(chǎn)?扇?xì)怏w報(bào)警器#初主要用于監(jiān)測(cè)礦井中的瓦斯氣體; 后來(lái)隨著石油化工的發(fā)展,安全防暴問(wèn)題逐步地引起人們的重視,此類(lèi)儀表也被用于監(jiān)測(cè)石油化工中的可燃?xì)怏w泄漏及滯留情況,儀表性能也越來(lái)越趨于完善、可靠。
我國(guó)采用的可燃?xì)怏w探測(cè)器#初主要從國(guó)外進(jìn)口,后來(lái)煤礦安全保護(hù)研究機(jī)構(gòu)與一些儀表廠合作,研制出利用氣敏導(dǎo)體檢測(cè)元件的儀表,并逐漸用于石油化工中。
2.1 可燃?xì)怏w探測(cè)器分類(lèi)
按照使用環(huán)境可以分為工業(yè)用氣體報(bào)警器和家用燃?xì)鈭?bào)警器,按自身形態(tài)可分為固定式可燃?xì)怏w報(bào)警器和便攜式可燃?xì)怏w報(bào)警器,按工作原理分為催化型、紅外光學(xué)型兩種類(lèi)型。工業(yè)用固定式可燃?xì)怏w報(bào)警器由報(bào)警控制器和探測(cè)器組成,控制器可放置于值班室內(nèi),主要對(duì)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行控制,探測(cè)器安裝于可燃?xì)怏w#易泄露的地點(diǎn),其核心部件為內(nèi)置的可燃?xì)怏w傳感器,傳感器檢測(cè)空氣中氣體的濃度。探測(cè)器將傳感器檢測(cè)到的氣體濃度轉(zhuǎn)換成電信號(hào),通過(guò)線纜傳輸?shù)娇刂破鳎瑲怏w濃度越高,電信號(hào)越強(qiáng),當(dāng)氣體濃度達(dá)到或超過(guò)報(bào)警控制器設(shè)置的報(bào)警點(diǎn)時(shí),報(bào)警器發(fā)出報(bào)警信號(hào),并可啟動(dòng)電磁閥、排氣扇等外聯(lián)設(shè)備,自動(dòng)排除隱患[5 -6] 。
便攜式可燃?xì)怏w報(bào)警器為手持式,工作人員可隨身攜帶,檢測(cè)不同地點(diǎn)的可燃?xì)怏w濃度,便攜式氣體檢測(cè)儀集控制器,探測(cè)器于一體,小巧靈活。與固定式氣體報(bào)警器相比主要區(qū)別是便攜式氣體檢測(cè)儀不能外聯(lián)其他設(shè)備。家用可燃?xì)怏w探測(cè)器也可以叫做燃?xì)鈭?bào)警器,主要用于檢測(cè)家庭煤氣泄漏。
2.2 可燃?xì)怏w探測(cè)器工作原理 [7 -10]
催化型可燃?xì)怏w探測(cè)器是利用難熔金屬鉑絲加熱后的電阻變化來(lái)測(cè)定可燃?xì)怏w濃度。當(dāng)可燃?xì)怏w進(jìn)入探測(cè)器時(shí),在鉑絲表面引起氧化反應(yīng)( 無(wú)焰燃燒) ,其產(chǎn)生的熱量使鉑絲的溫度升高,而鉑絲的電阻率便發(fā)生變化。紅外光學(xué)型是利用紅外傳感器通過(guò)紅外線光源的吸收原理來(lái)檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的碳?xì)漕?lèi)可燃?xì)怏w。
紅外線可燃?xì)怏w探測(cè)器屬于無(wú)干擾智能型產(chǎn)品,具有良好的安全性能,操作靈活簡(jiǎn)便。這種探測(cè)器的一個(gè)主要的特點(diǎn)是它的自動(dòng)校準(zhǔn)功能,可以通過(guò)帶背光的液晶顯示屏上的提示一步步地引導(dǎo)操作者進(jìn)行校準(zhǔn)。紅外線氣體探測(cè)器提供三種不同的輸出方式: 模擬信號(hào) 4 ~20 mA 直流電; RS -485 通訊接口及 3個(gè)繼電器( 兩個(gè)報(bào)警,一個(gè)故障自檢) ,可對(duì)警鈴進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試和編程。這些不同的輸出方式為系統(tǒng)建立提供了#大的靈活性。則只提供 4 ~20 mA 直流電的輸出?刂齐娐芬晕⑻幚硇酒瑸榛A(chǔ),封裝成一個(gè)即插型模塊并被連在標(biāo)準(zhǔn)的連接模板上。傳感器及信號(hào)發(fā)生器被安裝在一個(gè)防爆機(jī)殼內(nèi),機(jī)殼上有玻璃罩。帶有背光的數(shù)字顯示屏既可顯示傳感器讀數(shù)也可在編程時(shí)顯示菜單功能。
3 現(xiàn)場(chǎng)可燃?xì)怏w探測(cè)器檢測(cè)
現(xiàn)場(chǎng)用羅斯蒙特 475 手操器對(duì)德?tīng)柛竦奶筋^進(jìn)行檢驗(yàn),手操器如圖 3。
3.1 使用手操器的意義
HART 通訊手操器用來(lái)與所有流行 HART 智能變送器直接通信,作為一臺(tái)多功能手操器使用,用于維護(hù)和診斷 HART 儀表。使用它幾乎可用來(lái)完成所有的現(xiàn)場(chǎng)儀表檢修調(diào)試工作,包括故障診斷,日常檢修,開(kāi)車(chē)調(diào)試,校準(zhǔn)等。
3.2 手操器的作用
羅斯蒙特的 475 型手操器支持 HART 協(xié)議,因此只要是支持 HART 協(xié)議的電氣儀表,例如可燃?xì)怏w報(bào)警器、火焰探測(cè)器、溫度變送器等都可以利用此手操器進(jìn)行人機(jī)對(duì)話,對(duì)這類(lèi)儀表進(jìn)行故障診斷,日常檢修,開(kāi)車(chē)調(diào)試,校準(zhǔn)等工作。例如使用手操器對(duì)支持 HART 協(xié)議的可燃?xì)怏w探測(cè)器進(jìn)行檢驗(yàn):
3.3 手操器得的應(yīng)用
例如海洋采油廠某海上平臺(tái)上配備的德?tīng)柛?Polytron 2 IR-334 型紅外可燃?xì)怏w探測(cè)器( 圖 2) ,要求對(duì)其零點(diǎn)漂移、示值誤差做主要檢驗(yàn)項(xiàng)目。
操作步驟如下:
( 1) 用專用的四針連接線連接可燃?xì)怏w探測(cè)器接口( 圖 3) ,后打開(kāi)手操器。
( 2) 在手操器上依次選擇菜單項(xiàng)“Online”、“Process Varia-bles”來(lái)查看探測(cè)器的過(guò)程變量的變化。
( 3) 在“Process Variables”下觀察: 在沒(méi)有通標(biāo)準(zhǔn)氣的情況下零點(diǎn)是否顯示零: 如果顯示零則說(shuō)明該探測(cè)器零點(diǎn)未發(fā)生漂移;如果不為零則說(shuō)明零點(diǎn)發(fā)生漂移,需對(duì)探測(cè)器進(jìn)行調(diào)零。
( 4) 探測(cè)器調(diào)零: 依次選擇菜單項(xiàng)“Online”—“Diag AndService”—“Calibration”—“Sensor Trim”—“Zero Tirm”進(jìn)行調(diào)零工作。
( 5) 調(diào)零完畢后返回“Process Variables”下再觀察: 通入50%LEL 的標(biāo)準(zhǔn)甲烷氣體,看過(guò)程變量的數(shù)值變化: 如果數(shù)值顯示 50%LEL 則說(shuō)明探測(cè)器示值準(zhǔn)確; 否則為示值有誤差,需要校準(zhǔn)。
( 6) 探測(cè)器示值校準(zhǔn): 依次選擇菜單項(xiàng)“Online”—“Diag AndService”—“Calibration”—“Sensor Trim”—“Span”進(jìn)行校準(zhǔn)工作。要說(shuō)明的是在現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)操作時(shí)連接到探測(cè)器上后“Sensor Trim”中的“Lower Sensor Trim”、“ Upper Sensor Trim”、“Snsr Trim CalType”、“Sensor Trim Points”四項(xiàng)均顯示為“Span”項(xiàng)。
4 結(jié) 語(yǔ)
利用 HART 協(xié)議的手操器,我們可以實(shí)現(xiàn)對(duì)支持 HART 協(xié)議的電氣儀表的故障診斷,日常檢修,開(kāi)車(chē)調(diào)試,校準(zhǔn)等工作的開(kāi)展,并且其人性化的設(shè)計(jì)更好的實(shí)現(xiàn)了人機(jī)對(duì)話功能,即便在苛刻的檢測(cè)環(huán)境下也可進(jìn)行工作。但由于其只適用于支持HART 協(xié)議的電氣儀表,所以適用范圍還是受到了一定的限制,而且 HART 協(xié)議技術(shù)在現(xiàn)在看來(lái)也是傳統(tǒng)的 DCS 向真正意義的現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)過(guò)渡的中間橋梁,HART 手操器在可燃?xì)怏w探測(cè)器校驗(yàn)方面會(huì)隨著 HART 協(xié)議可燃?xì)怏w探測(cè)器的發(fā)展有很好的應(yīng)用前景。
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