锅炉信息系统的改进

闫桂良 韩金亭 张海涛 东营市供热管理处，山东东营

锅炉信息系统的改进

闫桂良 韩金亭 张海涛 东营市供热管理处，山东东营

现场总线；变送器

引言

现场总线技术是目前在自动检测和控制行业发展最快的技术。目前我们锅炉系统使用的变送器是采用单片机对数字化的传感器信号进行非线性修正，温度补偿等处理的变送器。每一个这样的变送器都需要一对专门的传输导线将其信号传输到控制室或计算机。采用现场总线技术，所有的现场传感器或变送器只需公用一对传输导线连接到控制室的计算机，大大简化了整个系统的布线和设计。技术人员的工作由传统的设计布线处理传感器的匹配转变到对计算机的编程或使用现有的软件。目前，各种远传智能测控模块也可以多个模块接在一对传输导线上连接至计算机，但这并不是现场总线，因为传输导线上挂接的事模块而不是传感器或变送器。如果多个智能变送器直接挂接在一对传输导线上在与计算机相连无需任何模块，这样的变速器才是传感器和变速器的发展方向。

一 方案

目前使用的传感器或变送器采用4～20m A二线制标准，它具有简单响应快等优点，但在一对线上只能传输单一的信息而且精度不高，而数字通信则有分时公用同一电缆传输多个信息且精度高的优点。因此采用现场总线数字通信取代目前的系统是发展的必然。目前有多种现场总线标准，比如：HART, Bitbus, Canbus等。由于不同的标准各有特点，又拥有各自的用户群。根据目前锅炉系统的现状H A R T总线比较适合。HART协议是利用数字信号直接传输模拟量的先驱，采用的公司比较多，事实上已成为现场总线协议的标准。HART 总线与我们现行的4～20标准兼容，即HART变送器既能当成现场总线仪表也可作为4～20mA的二线制变送器使用，极大方便了使用和改造。同时还可以通过手持终端再线调整智能变送器参数。由于HART智能变送器具有上述的多样灵活性，越来越得到广泛的使用。

二 工作原理

HART协议采用频移键控FSK原理，它是基于Bell202通信标准，数字信号用2个频率表示：1200Hz代表逻辑“1”，2200Hz代表逻辑“0”。这两种信号的正弦波信号叠加在直流模拟信号上传送，因此模拟信号和数字信号可以同时进行。由于FSK通信的平均值为0，因此4～20mA信号不受影响。HART协议的数据传输率为1200bps。变送器采用智能变送器。传感器经过输入信号调理电路处理后送入A/D转换器转换成数字信号，此数字信号在经过单片机处理，包括：量程设置、零点设置、非线性修正输出控制等，处理后的信号经D/ A转换器转换成4～20mA的模拟量。

三 实现

1工作方式

HART现场总线系统采用主从式工作方式。主机为一台PC，从机为一台或多台遵守HART协议的现场总线变送器。当从机只有一台时，即点对点方式，此时启动D/A转换器，可继续使用传统的4～20mA信号进行模拟传送，而测量，调整数据用数字方式传输，模拟信号不受影响，仍可按正常方式用于控制目的。从机为多台时，4～20mA信号作废，每台变送器的工作电流均为4mA，由于每一台从机都有唯一的编号，所以主机能分别对每一台从机进行操作，此时所有的测量，调整信号均用数字信号传输。

2变送器的构成

变送器是由传感器和智能变送部分组成。变速器又包含大规模集成电路单片机 A/D 和D/A转换器等。对不同的变送器，其传感器各不相同，输出的模拟信号也不相同但要求传感器部分的耗电不得超过1mA。智能变送部分关键是解决低功耗问题。由于HART数字通讯的要求，有0.5mA的正弦波叠加在4mA电流上，因此整个智能变送器的硬件电路必须保证在3.5mA的工作电流下还能正常工作。传感器部分将消耗1mA左右的电流。因此智能变送部分耗电在2.5mA内。在如此小的电流使CPU、A/D、D/A、还能正常工作。因此智能变送器的核心是低功耗技术。因此，可以采用某些大公司为兼容4～20mA的智能变送器设计了专用A/D转换器，如MAXIM公司的MAX1400和AD公司的AD7714。其共同点是将增益可调的仪表放大器、多路转换器和A/D转换器集成在1个芯片中，功耗在几百μ A左右；单片机选用PIC16C73。它具有功耗低、运行速度快、功耗强等特点。采用长字节指令，所有指令均为单字长，除跳转为双周期指令均为单周期（4个时钟周期）指令。内含看门狗、8级硬件堆栈、192×8RAM、32上定时器、2个捕捉器、5路8位A/D转换器、SPI/I2共用的同步串行口、1个异步发送/接收串口USART、多种中断功能，包括B口RB4～RB7输入电平变化中断。

3应用中的问题及解决

3.1 电缆太长，智能变送器现场不通讯。分析其原因电缆电容大于HART通讯设备允许的最大电容。H A R T通讯频率较高（1～2KHz）要求网络的T=RC不大于0.65μs。因此HART通讯设备及网络的最大电容限制了通讯最大距离。可见由于电缆缘故，使网络时间常数太大，导致通讯严重失真，而无法通讯，但对模拟信号无影响。

最大电缆长度M=(160000-Cmaster)/ Ccable

160000-根据HART通讯网络允许的时间常数计算而得的常数，反映通讯网络允许的最大电容：P F

Cmaster-控制系统或HART滤波器的电容：P F

Ccable-电缆分布电容：PF

因此网络的时间常数 T=RC=(0.025*650) *(400*650)/1000000=4.2μs 〉0.65

可见由于电缆缘故，使网络时间常数太大，导致通讯严重失真，而无法通讯，但对模拟信号无影响，改用2.5sq的交联电缆（Cmster为90PF/M）即可解决。改用2. 5sq的交联电缆（Cmster为90PF/M）即可解决。

3.2 变频器载波干扰。智能变送器现场不通讯，甚至变送器误指示0，检查现场电压均正常，并联0.1μ F电容虽不能通讯，但指示正确，可以确认这是线路干扰问题。分析原因2KHz左右高频电磁干扰影响HART通讯器的信号，使变送器产生错误信号。变频器的载波频率取决于其型号及容量，一般为2.0-16K H z（根据负荷组态）。HITACHIJ300-110HF95(VT)和150HF5（VT）型载波频率大都组态设置为2KHz与H A R T通讯频率十分接近，这个“0”信号频率附近的杂波影响变送器，使它不能正确响应信号，甚至按此信号错误地转为电流输出或其他错误操作方式，采取增大仪表电缆与动力电缆的距离的改造措施。压力变送器E+H，P M C-133型，配备变频器，投用后，指示偏低，变频器停下，恢复正常；ST3000经常出现输出信号大幅步波动，经仔细观察，发现该现象类似于用SFC通讯器调整变送器参数后确认后，便送器重新初始化的状态。分析其原因是变频器所产生的强电磁场及电机频繁启停的尖峰脉冲干扰，导致智能变送器自动复位，试在变送器的信号端上并接100V,4.7μ f电容问题得以解决；超声波流量计，突然指示异常：指示值乱跳，输出电流也随之变化，或隔一段时间指示就回零。分析其原因是变频器干扰。解决措施将电缆变为屏蔽电缆，将屏蔽层与探头电缆屏蔽层一同接地，信号线与地之间跨接电容无效的情况下，试将探头负端与屏蔽层一同接地，仪表恢复正常。

3.3 回路电阻影响，测量小信号时仪表指示正常，随着测量信号的增大仪表输出开始波动，撤回车间校验正常，经反复查找原因，发现回路电阻过大所致。可采用以下方案解决。采用内阻较小安全栅，信号线以减少回路内阻。若存在不经济或存在困难，可把DCS供电改为外接电源供电，但为保证电路安全和与SFC的通讯须在回路串接一电阻，其值大小和导线电阻之和不小于250欧姆，这样可提高闭环电路的供电压，保证了表头电压大于11V。

四 结束语

本文重点介绍了系统的硬件部分，还需要内部驱动软件和通信软件与之匹配。

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.13.066