基于PLC平台的HART仪表管理系统设计及应用

史 炜，李钟钦，高 飞

（1.上海漕泾热电有限责任公司，上海 201507；2.上海发电设备成套设计研究院有限责任公司，上海 200240）

0 引言

近年来，伴随着HART智能仪表在工业控制领域的广泛应用，越来越多的用户配置有设备管理系统以获取HART仪表额外丰富的信息并实施远程配置和维护[1]，而目前主流的设备管理系统都是基于特定DCS控制平台的设计，如西门子PCS7系统PDM设备管理站、艾默生的资产管理系统（AMS）等，其设备管理工作站常作为DCS一个工作站集成到控制系统平台上实现一体化管控。这些系统功能强大，但价格昂贵，适合于大规模的HART仪表的集中管理。多年以来，在各行各业普遍应用的PLC控制系统，受限于PLC技术水平和仪表控制规模，难以配套合适的仪表管理系统集成应用，造成这些场合下HART仪表智能的配置只能采用手持通信终端到现场点对点进行，操作繁琐且功能简单。

图1 系统总体结构Fig.1 System overall structure

热电厂位于工业区内，肩负发电和为化学工业区内的企业供热任务。其热网计量站作为管网调节终端分布在各用户厂区内，其仪控系统由PLC控制系统及HART智能仪表组成。本文针对此类场景下HART仪表集中管理的需求，提出了基于PLC平台的HART仪表管理系统的设计方法。

1 总体方案设计

基于PLC平台的HART仪表管理系统的设计核心为依托于PLC控制系统的软硬件，实施对现场各类智能仪表的全方位管理，系统由设备层、控制层和管理层组成，系统总体结构如图1所示。

1.1 设备层

包括支持HART协议的各类智能仪控设备：压力变送器、温度变送器、流量计、液位计、阀门定位器以及执行机构等。

1.2 控制层

控制层以PLC平台的硬件为核心，包括HART I/O卡件、控制器等，HART I/O卡件提供现场HART设备接入通道，完成常规信号的采集并将HART报文路由到I/O总线网络上，控制器提供与管理层的通讯接口，监视HART模块的工作状态，轮询所有现场HART设备的多变量信息。

1.3 管理层

图2 I/O HART模块接入原理图Fig.2 Schematic diagram of I/O HART module access

通过设备管理站及其应用软件和通讯接口程序实现具体设备管理功能，由应用服务器、通讯服务器和HART应用客户端组成。根据管理需求，这几个部分功能通过C/S构架由不同工作站承担，也可集成在同一工作站上。通讯服务器通过标准的工业通讯协议链接到PLC系统设备网络上，通过HART I/O卡件网关与现场智能设备进行数据交互。应用服务器负责获取通讯服务器中现场仪表的信息，储存与设备仪表相关的数据和客户端的运行操作记录。HART应用客户端提供用户交互界面，共享应用服务器的设备数据，实施各设备仪表的配置、标定和诊断处理等各项管理功能。

2 PLC控制平台设计

2.1 PLC选型设计

为提高HART技术与控制系统集成应用的水平，充分利用控制系统提供丰富算法，同时避免多路复用器接入方式带来的额外维护工作量，应选用具备HART直接接入能力的PLC产品。目前，主流PLC控制系统如：西门子SIMATIC S7、施耐德M580和罗克韦尔ControlLogix等推出相应的HART I/O模块。这些模块具备常规模拟量处理和HART信号通讯的双重功能，内嵌HART网关转换成有标准的工业通讯协议开发给设备管理系统，且经过PLC自带的编程软件硬件组态和通讯地址预定义后，模块能自主发出HART命令实时读取HART仪表的多变量信息并循环更新CPU的映像区。在点对点组网方式下，其多变量典型更新周期为0.5s，可满足大部分场合下监控需求，其原理图如图2所示。

2.2 HART网络设计

PLC HART模块都支持多点和点对点两种组网模式，需结合工艺监控要求、组网成本、现场设备分布进行针对性设计。

1）对于不参与控制且测量数据变化缓慢的HART仪表，如管网温度、导电度等，为节省电缆开支，减少组网成本，可采用多点组网全数字通信方式完成HART变量采集，此种模式下HART模块的单个通道允许并行连接最多15台HART仪表[2]，按HART主设备与单个从设备典型轮询周期500ms计算，PLC控制系统在约7.5s内完成所有设备的扫描及其主过程变量读取。

2）对于测量压力、流量等快速变化的HART仪表或执行机构，为出于控制时效性和安全性考虑，应采用点对点的组网模式和混合采集方式，即I/O HART卡件的每个通道只连接一台HART仪表，仪表的主过程变量（PV）任由传统的4mA～20mA传输给HART卡件的高速I/O处理单元，用于控制运算和调节，而其他多维HART变量、配置参数以HART协议的数字方式传输，数据更新周期约0.5s。

3 基于FDT/DTM技术的仪表管理构架设计

3.1 FDT/DTM设备集成技术

目前，主要的设备集成技术有EDDL技术和FDT/DTM技术。EDDL采用二进制语言将设备的参数可视化描述、参数和功能描述及通信协议映射，用文本的方式封装成EDD文件。其不能直接与设备通讯，必须通过EDD解析器解析和相应的接口与设备通讯，在处理复杂的设备时有一定的局限[3]。

FDT/DTM利用微软的COM技术和ActiveX技术，基于软件组件开发的思想，把设备生产商开发的DTM作为一个软件组件集成到框架应用程序，从而实现现场设备的统一管理。FDT提供了现场设备与控制系统（或设备管理工具）之间进行数据交换标准化的接口规范，便于不同总线类型的设备集成到统一管理平台，支持包括HART，FF，PROFIBUS等多种总线协议。相比较EDDL等其他设备集成技术，其在设备高级功能描述、总线类型支持、图形增强界面、开放性等方面优势明显，受到自动化厂商和用户的广泛认可。市场上也有成熟的基于FDT/DTM标准开发平台或组件，非常适合于基于PLC平台的设备管理技术开发与集成，可以大为降低系统开发难度，缩短开发周期。

PLC的HART仪表管理系统应具有很好的普适性，不依赖特定PLC控制系统，同时兼顾用户经济承受能力和系统集成的技术难度。因此，基于市面上成熟的FDT/DTM框架软件提供的开放软件平台实现低成本和灵活的设备管理功能是个最佳的选择。

3.2 FDT技术要素

FDT技术包括3个要素：框架应用程序（Frame Application），设备DTM（Device Tool Manager）以及通讯DTM[4]，图3示意了FDT框架体系结构。

图3 系统首页界面示意图Fig.3 Schematic diagram of system home page interface

1）FDT框架应用程序提供DTM运行环境，通过标准的接口协议与DTM程序交互，集成现场设备的参数设置与组态的功能模块，包括：用户权限、报表管理、审计跟踪、DTM资源库管理等。2）设备DTM组件通常由设备制造商随同设备一起提供，它包含了设备的所有数据、功能和执行规则，如：设备结构、设备通信能力、内部相互依赖关系以及人机接口结构，并提供获取设备参数、配置、操作、问题诊断等功能。3）通信DTM为连接设备DTM和主机系统的特定通讯驱动组件，提供一个标准化的通信应用过程接口（API）处理通讯服务器到现场网络接口卡的通信，确保DTM在实施参数监视、配置操作、诊断维护各项应用时能随时获取现场设备可用的信息。

3.3 HART仪表管理平台构架设计

从上面可知，基于FDT/DTM技术的HART仪表管理系统必须包括框架应用程序、设备DTM组件、通信DTM组件3个基本要素。

1）框架应用程序

目前，应用较多的第三方FDT框架软件有M＆M公司 FDT CONTAINER、E+H的FieldCare以及倍加福的PACTware等。这些软件基于功能组件设计方法，组件之间通过XML方式交互和数据共享，提供开放的开发平台和组件开发包，定制开发各类个性化管理应用程序。

2）设备DTM组件

图4 类“DTM”结构Fig.4 "DTM" Structure

目前，有超过2000款设备的DTM组件程序通过FDT国际组织认证，已认证的DTM列表可以通过FDT官网获取，这些设备DTM组件通常由HART仪表厂商提供。除此以外，有些厂商只能提供EDD文件，如ROTORK电动调阀，这给系统集成带来了困难。一种解决方案是利用通用HART DTM组件（Generic HART DTM）提供的通用指令、常用命令配置HART设备的主要参数，但无法实现诸如小信号切除、设备标定、调阀控制等专用HART功能；另一种解决方案是利用FDT平台提供的SDK组件开发包，通过EDD解释器函数解析EDD文件，生成FDT识别的XML格式的设备描述文件形成类“DTM”组件，实现与FDT框架程序的集成，如图4所示。

3）通信DTM组件

通信DTM作为对应的PLC HART模块通讯驱动组件，由PLC厂商配套提供。DTM安装后，自动进入FDT框架软件的DTM资源库，供用户组态。其作用是将仪表DTM中的HART通信指令发送给I/O HART模块，由I/O HART模块完成报文解析，继而完成HART智能仪表数据的上传和下置。

4 HART仪表管理功能设计

FDT框架应用程序提供了系统功能，如DTM库管理、拓扑扫描、诊断扫描、上传/下装管理、通讯配置等，根据用户的使用需求在设备DTM的基本功能上结合PLC平台算法，利用FDT开发工具包进行定制化功能开发，主要功能设计如下：

4.1 仪表组态下装及参数回传

调用设备DTM应用界面，代替手操器远程执行现场智能仪表的组态设置及组态修改；根据仪表类型设定仪表的传感器量程、阻尼系数、输出函数、工程单位、死区、滤波频率、主变量选择、K系数等参数，回传在线仪表组态信息保存到数据库中；在更换仪表后，可直接选取正确历史组态信息下载到仪表中。

4.2 设备故障诊断

采用轮询方式对关键设备进行状态监视，自动读取HART仪表的信号断线、测量超限、传感器电子故障等方面的自诊断状态结果，以图形化方式详细呈现设备运行健康状况。一旦诊断出设备故障触发报警事件，弹出实时报警面板，并辅助声音、颜色提醒，数据库自动记录报警事件，用于维护人员快速查找和追忆。

4.3 设备在线校验

用户创建在线校验测试方案，自定义校验点数、范围和精度要求，自动执行校验流程和记录HART主变量数据。根据校验前后最大误差偏差，生成仪表校验曲线，判断仪表的稳定性或漂移等性能。最终，生成设备标定报告并归档，便于日后查阅和无纸化管理。

4.4 调阀的性能检测与评估

与DCS的HART设备管理系统相比，PLC控制系统自身可以实时获取所有在线HART仪表精确的多变量数字信号；利用PLC控制系统组态平台提供的查表、差值，最小二乘高级算法功能块，建立全工况下HART调节阀的阀位反馈、控制指令、阀门动作时间参数与阀后流量、阀后压力的关联模型；运行人员可定期在线检测与评估阀门动作时间、阀门的流量特性、压力调节性能，指导设备检修和运行调整。

5 工程应用

热网计量站PLC选用的是施耐德M580 PLC及带HART功能的模拟量输入模块BMEAHI0812和模拟量输出模块BMEAHO0412。模块内嵌有HART多路复用器和EtherNet/Comm Adapter网关[5]，将HART协议转换成EtherNet IP或Modbus TCP标准工业协议。模块支持HART基金会组织规定的HART所有通用命令和大多数常用命令，自主完成HART协议的数据链路层和应用层功能，共配置4块模拟量输入模块和1块模拟量输出模块，以点对点方式接入现场HART仪表。

现场HART仪表为3051压力变送器、644温度变送器、8800D涡街流量计，仪表DTM组件安装程序从艾默生官网上获取，施耐德提供的Mx80HARTGatewayDTM程序包含了两种类型I/O HART模块的通讯DTM。

仪表管理的框架软件选用独立于制造商和现场总线类型的PACTware框架软件，该软件由公益性的PACTware组织推广，完全免费，节约开发成本。根据计量站仪表管理需求，只设置一台设备管理站完成参数设定、故障诊断、仪表校验、回路测试等功能，图5为流量计管理界面。

6 结束语

基于PLC平台的HART仪表管理系统集成了PLC的HART及FDT框架技术，直接接入现场智能仪表的HART信号，低成本解决了PLC应用场合下智能仪表的远程配置、故障诊断和集中管理的问题，同时依托FDT框架开放的组

图5 计量站流量计管理界面Fig.5 Flow meter management interface of metering station

件技术和PLC平台强大的算法能力，结合HART智能仪表的大量附加信息，进一步实现工艺设备的设备状态检修和预测性维护功能，为电厂全面数字化生产和管理奠定基础。