计量仪表数据自动采集在化工装置中的优化应用

尚 楠

(浙江大学 电气工程学院，浙江 杭州 310027)

随着信息技术的发展，越来越多诸如ERP、综合统计等信息系统在化工企业得到广泛应用，为企业生产经营管理提供了有力支持，但这些信息系统的基础数据来源于计量仪表的数据，数据的可靠性直接影响企业的生产经营。北方某化工企业所属16个生产厂的计量数据，绝大部分靠人工抄表录入，由于人为因素影响较多，外供计量仪表经常出现计量纠纷，尤其是特一级的物料，如果能够对仪表输出进行改造，实现自动采集，并将数据发送至上层信息管理系统，势必能够解决化工装置中计量数据的准确性瓶颈问题，增加企业的管理水平和创效水平。

1 目前化工装置的仪表数据采集问题

1.1 数据采集为手工录入方式

企业所属16个生产厂大部分仪表采用人工录入方式，这种方式难以保证数据的实时性、准确性和可靠性。

1.2 计量仪表输出支持协议各异

经过调研，企业目前仪表输出类型有4种。

(1) 带HART协议输出的计量仪表；

(2) 带有RS485输出和电流输出的计量仪表；

(3) 有4～20 mA电流输出但无通讯协议的计量仪表；

(4) 脉冲输出但无通讯功能的计量仪表。

经统计，支持HART协议的有266台，支持485协议的24台；无协议4～20 mA输出49台；无协议脉冲输出3台，如果使用常规采集实现方式，采用不同接口方式接入采集设备并需要有针对性对接口驱动进行开发，驱动软件编制和接口改造难度及工作量相当大。

另外，尽管部分仪表支持HART，但因厂家、型号、版本的差异，对HART命令有各自的定义和扩展,而且这种扩展的技术规范不公开，需对各类仪表进行数据分析、命令选取和数据定义后才能进行有针对性地软件开发；同样，对MODBUS协议来说，不同厂家的地址编码、数据格式不同，驱动软件须按厂家提供地址参数表和数据格式进行编写和测试。对于有其它协议的计量仪表，需要厂家支持，否则需要反编译逆向分析后开发。由此看来，传统的数据采集实现难度、软件开发和接口连接复杂，需要更新升级方能实现。

2 采集系统改造内容

2.1 建设新型数据采集结构

为了摒弃人工录入，实现简单有效的数据自动采集，作者提出了一种新的实现方案，既对支持各类通信协议的计量仪表进行标准的协议转换，统一转换为MODBUS协议,通过RS485总线连接，上层采用数据采集设备，实现对总线上的计量仪表进行轮询采集数据，存储处理后传输给上层数据库服务器，为业务系统提供基础数据。

设计方案的数据采集结构分为二层，第一层为协议转换层，实现计量仪表数据采集。通过对各种计量仪表数据采集输出信号进行转换，将其连接在全区域的RS485总线上，并通过MODBUS协议与数据采集器建立连接；第二层数据采集层，实现采集器数据采集及传递。通过对数据采集器编程并通过TCP/IP协议与上层数据采集服务器连接，实现对现场仪表的数据采集及数据传输。数据采集结构见图1。

2.2 计量仪表数据采集接口协议转换

实际业务中，需要现场计量仪表采集的数据不仅有仪表量程、瞬时流量、温度等19个瞬时量，同时部分计量数据是瞬时量采集进入DCS后进行累积计算。根据企业计量仪表的4种输出信号，优化设计方案统一了这4种仪表输出信号的标准，将它们转换为支持RS485标准的MODBUS通讯协议，RS485最大传输距离约为1 219 m，支持光缆传输、光缆通讯且具有传输距离长、抗干扰能力强的优点，因此全区域使用RS485总线。

(1) 有HART协议和电流输出计量仪表协议转换

对于支持HART协议的计量仪表，配置HART协议转换器用于协议转换。仪表的4～20 mA输出通过安全栅转换为电流输出，一路接到 DCS/记录仪，另一路送至流量累计仪中。而HART信号经过HART 协议转换器转换为RS485信号，然后通过屏蔽双绞线连到RS485总线网络，将数据传送到数据采集器中。累计量通过流量累计仪采集、计算和传递，连接方式见图2。

图2 有HART协议和电流输出计量仪表

图2中HART-710为协议转换器，作为主设备通过HART协议采集现场仪表的实时输出和计量参数。同时也作为从设备响应上层数据采集器的请求，将数据转换为标准MODBUS-RTU数据格式后传递到数据采集器中。

(2) 具有RS485接口和电流输出计量仪表数据采集

对于现场带有RS485接口和支持MODBUS协议的计量仪表，使用屏蔽双绞电缆将信号引至控制室RS485总线网络上。如果该仪表的通讯接口是非RS485串行接口，使用串行接口转换器将该接口转换为RS485接口。现场计量仪表的4～20 mA输出，通过安全栅转换为2路电流输出，其中一路电流通过端子接到 DCS/记录仪中，另一路电流送至具有RS485接口的流量累计仪中，连接方式见图3。

图3 有RS485接口和电流输出计量仪表

(3) 电流输出但无通讯协议的计量仪表

对于不支持MODBUS或HART通讯协议但有4～20 mA电流输出的计量仪表，使用流量累计仪完成包括瞬时量、累计量等数据采集工作，并通过网络将数据上传，连接方式见图4。

图4 有电流输出但无通讯协议的计量仪表

(4) 脉冲输出但无通讯功能的计量仪表

脉冲信号送至带有RS485接口的流量累计仪，流量累计仪完成包括瞬时量、累计量等数据采集工作，并通过网络将数据上传，连接方式见图5。

图5 脉冲输出但无通讯功能的计量仪表

3 数据采集器

数据采集器负责区域内的计量仪表的各种数据采集和存储。通过MODBUS-TCP协议与数据采集服务器连接,底层通过光电隔离的RS485串行接口与现场支持MODBUS-RTU协议的智能仪表、流量累计仪、HRT710等设备组成RS485网络进行连接。将收到的底层设备数据封装成符合MODBUS-TCP协议的数据包，并实时响应数据采集服务器的数据请求。

3.1 数据采集接口设计

接口软件采用MODBUS-RTU协议对底层智能设备数据进行访问,将获得的数据进行规范处理，映射到组态文件规定的空间。接口软件对数据采集服务器提供MODBUS TCP/IP服务，当数据服务器有数据请求时，接口软件将映射空间的数据按照标准MODBUS-TCP协议提供给数据采集服务器。

3.2 底层设备的数据采集

接口软件根据组态文件的扫描策略，通过MODBUS-RTU协议对底层设备进行轮询访问，根据组态功能对采集到的数据进行规范，规范后的数据映射到组态文件规定的内存空间。当实时数据点数小于16点以下时，实时数据的刷新周期在0.8s以内,非实时数据的采集按照组态策略进行。数据采集器采集到底层数据后，由于数据为原始数据流，数据采集器还需对采集的数据进行处理，处理函数为配置文件规定的函数(函数处理源代码略)。

3.3 采集数据上传

数据采集器响应远程数据采集服务器的MODBUS TCP/IP的请求，按照预先制定的协议要求，将映射空间的相应数据发送给主机，上传数据通讯符合标准的MODBUS TCP/IP 协议。

3.4 数据缓冲

接口软件能够保存近3 d的历史数据，并提供访问接口及客户端应用。接口软件能够识别上行网络的连接状态，在上行网络断开或故障的情形下，能够自动缓存未传送的数据，数据的刷新周期不大于60 s。缓存数据的多少以存储空间的容量为上限。接口软件能够识别静态数据文件，并能响应远程服务器的静态数据请求，将静态数据发送给数据服务器。

4 经济效益

计量仪表数据自动采集实现方法已经在某化工企业装置得到应用，从运行结果来看，采集过程运行稳定，采集准确度、精度较高。这种数据自动采集方案解决了长久以来上层监控管理系统数据来源的困扰，取得了经济效益如下。

(1) 摒弃人工录入，采用数据自动采集

大量化工装置的计量数据没有完全实现自动采集，基本为人工录入，不仅耗费大量的时间和精力，还由于人为因素造成数据可靠性不高，实时性不强，难以给上层管理系统提供可信赖的基础数据，这种数据自动采集方法很好解决这一问题，提高了计量数据的准确性、实时性，能够为生产管理和计划统计部门直接了解企业当前生产和装置运行的状况，从而便于对企业生产和经营做出正确的指挥和调度。

(2) 减少接口开发，维护更加简洁方便

针对不同输出类型的计量仪表进行数据自动采集，以往需要针对仪表进行接口开发，传统的接口程序开发不但工作繁重，标准不统一，而且上线运行后维护难度大，此次是对不同类型仪表进行输出转换为统一标准，利用数据采集设备进行简单组态和标准化编程而实现，方案简单且高效。

(3) 减少仪表设备更换，节约资金成本

随着化工企业对计量数据需求的增加，为了实现数据自动采集，需要将计量仪表更换为统一输出类型切支持通讯协议，改造成本较高，参考本次设计，可以继续使用原仪表，灵活增加相应的转换设备即可实现，大大降低设备投资。

(4) 减少或取消抄表员，减低人工成本

随着计量数据自动采集的应用，可以减少甚至取消基层单位抄表岗位人员设置，大大减少用工成本。

5 结 论

方案已经在某石化企业16个生产厂300余块计量仪表数据采集中得到实际运用，不但减少了人工抄表的劳动强度，而且实现计量数据的实时采集传递和应用，为后续计量统计报表的实时输出奠定了基础，同时，数据自动采集的实现，对与外单位能源和物料互供计量纠纷的解决和判定，提供了有说服力的数据依据，实际效果良好。

此设计方案不但为上层信息管理系统应用提供高效、准确、稳定的基础数据源，而且具有接口改造简单等优点，使其成为化工装置仪表数据采集的最佳选择，并具有一定经济效益和社会效益，更具有推广价值。随着化工装置自动化程度的不断提高，这种自动采集优化设计将得到更广泛的应用。

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