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HART手操器在可燃气体探测器检验方面的应用

作时间:2018-10-22  来源:  作者:
   

 摘要:简要介绍了HART通信协议的构成、可燃气体探测器的工作原理及HART手操器在可燃气体探测器校验中的应用。认为HART手操器校验可燃气体探测器方便、实用,随着HART可燃气体探测器的发展具有很好的应用前景。

 
随着现代工业的发展,人们逐渐的认识到效益不再是最为重要的指标而是安全。在化工厂、炼油厂、输油点、采油点、钻井平台等行业的生产区域中存在着甲烷、乙烷、丙烷、硫化氢、一氧化碳等各种各样的对人们有危险的气体,它们可能会引起爆炸,可能致人死亡。因此能够发现这些无形的隐患并将其控制或消灭是再好不过的了。因此在全世界对这个问题关注起来的同时,基于HART协议的可燃气体探测器也就应运而生了。
 
1HART协议
HART协议是可寻址远程变送器数据通道协议的简称,是美国Rosement公司于1985年推出的一种用于现场智能仪表和控制室设备之间双向通信的协议规程。HART协议采用了美国贝尔实验室的Rell202通信标准中的频移键控FSK(FreguencyShiftKeying)技术,在传统的4~20mA的直流模拟信号上叠加一个幅度为0.5mA的音频数字信号进行双向数字通信。由于FSK信号的平均值为0,因此,不影响传送给控制系统模拟信号的大小,从而保证了与现有模拟系统的兼容性[1-2]。在HART协议通信中,主要的变量和控制信息由4~20mA传送,在需要的情况下,其他如检测、过程参数、设备组态、校准、诊断信息通过HART协议的数字信号传输。HART协议采用了ISO开放系统互连模型OSI的简化为3层模型结构,即第一层物理层,第二层数据链路层和第七层应用层[3-4]。
 
由HART通信协议构成的现场总线(简称HF)系统采用主从工作方式。主机为1台PC机或手持编程器(简称手操器);从机为1台或多台遵守HART协议的HF智能现场设备。当从机只有1台HF智能设备现场,即智能现场设备工作在点—点方式时,主要测量参数可继续使用传统的的4~20mA信号进行模拟传输,其他的测量、诊断信息、调整和测试数据则用数字方式传输; 当从机为多台 HF 智能现场设备时,即智能现场设备工作在多站方式时,4 ~20 mA 信号作废,每台设备工作电流约为 4 mA。所有测量,诊断信息、调整和测量数据均用数字方式传输。由于每台 HF 设备有唯一的编号,因此,主机能对每一台设备进行操作。当工作在此模式下,满足要求时,单个电源最多可最多远程供电 15 台设备; 如果本地供电,可连接更多数量的设备。按照现场总线的定义,HART 通信协议并不完全符合现场总线的技术要求,可以说它并不是真正意义上的现场总线技术,只是模拟系统和数字总线之间的一种过渡措施。但它毕竟向现场总线迈近了一步。符合 HART 协议的现场总线仪表在不中断过程信号传输的情况下在同一模拟回路上同时进行数字通信,使用户获得了诊断和维护的信息,以及更多的过程数据。经过 28年的发展,HART 协议技术在国外已经十分成熟,并已经成为全球智能仪表的工业标准。HART 协议构成的现场总线系统 HF 与传统的 DCS 和真正意义的现场总线控制系统 FCS 的比较见表1。
各种通讯协议比较
2 可燃气体报警器
可燃气体报警器就是气体泄露检测报警仪器。当工业环境中可燃或有毒气体泄露时,气体报警器检测到气体浓度达到爆炸或中毒报警器设置的临界点时,可燃气体报警器就会发出报警信号,以提醒工人采取安全措施,并驱动排风、切断、喷淋系统,防止发生爆炸、火灾、中毒事故,从而保障安全生产。可燃气体报警器最初主要用于监测矿井中的瓦斯气体; 后来随着石油化工的发展,安全防暴问题逐步地引起人们的重视,此类仪表也被用于监测石油化工中的可燃气体泄漏及滞留情况,仪表性能也越来越趋于完善、可靠。
 
我国采用的可燃气体探测器最初主要从国外进口,后来煤矿安全保护研究机构与一些仪表厂合作,研制出利用气敏导体检测元件的仪表,并逐渐用于石油化工中。
 
2.1 可燃气体探测器分类
按照使用环境可以分为工业用气体报警器和家用燃气报警器,按自身形态可分为固定式可燃气体报警器和便携式可燃气体报警器,按工作原理分为催化型、红外光学型两种类型。工业用固定式可燃气体报警器由报警控制器和探测器组成,控制器可放置于值班室内,主要对各监测点进行控制,探测器安装于可燃气体最易泄露的地点,其核心部件为内置的可燃气体传感器,传感器检测空气中气体的浓度。探测器将传感器检测到的气体浓度转换成电信号,通过线缆传输到控制器,气体浓度越高,电信号越强,当气体浓度达到或超过报警控制器设置的报警点时,报警器发出报警信号,并可启动电磁阀、排气扇等外联设备,自动排除隐患[5 -6] 。
 
便携式可燃气体报警器为手持式,工作人员可随身携带,检测不同地点的可燃气体浓度,便携式气体检测仪集控制器,探测器于一体,小巧灵活。与固定式气体报警器相比主要区别是便携式气体检测仪不能外联其他设备。家用可燃气体探测器也可以叫做燃气报警器,主要用于检测家庭煤气泄漏。
 
2.2 可燃气体探测器工作原理 [7 -10]
催化型可燃气体探测器是利用难熔金属铂丝加热后的电阻变化来测定可燃气体浓度。当可燃气体进入探测器时,在铂丝表面引起氧化反应( 无焰燃烧) ,其产生的热量使铂丝的温度升高,而铂丝的电阻率便发生变化。红外光学型是利用红外传感器通过红外线光源的吸收原理来检测现场环境的碳氢类可燃气体。
红外线可燃气体探测器
红外线可燃气体探测器属于无干扰智能型产品,具有良好的安全性能,操作灵活简便。这种探测器的一个主要的特点是它的自动校准功能,可以通过带背光的液晶显示屏上的提示一步步地引导操作者进行校准。红外线气体探测器提供三种不同的输出方式: 模拟信号 4 ~20 mA 直流电; RS -485 通讯接口及 3个继电器( 两个报警,一个故障自检) ,可对警铃进行现场调试和编程。这些不同的输出方式为系统建立提供了最大的灵活性。则只提供 4 ~20 mA 直流电的输出。控制电路以微处理芯片为基础,封装成一个即插型模块并被连在标准的连接模板上。传感器及信号发生器被安装在一个防爆机壳内,机壳上有玻璃罩。带有背光的数字显示屏既可显示传感器读数也可在编程时显示菜单功能。
数据传输接口
3 现场可燃气体探测器检测
现场用罗斯蒙特 475 手操器对德尔格的探头进行检验,手操器如图 3。
罗斯蒙特 475 手操器
3.1 使用手操器的意义
HART 通讯手操器用来与所有流行 HART 智能变送器直接通信,作为一台多功能手操器使用,用于维护和诊断 HART 仪表。使用它几乎可用来完成所有的现场仪表检修调试工作,包括故障诊断,日常检修,开车调试,校准等。
 
3.2 手操器的作用
罗斯蒙特的 475 型手操器支持 HART 协议,因此只要是支持 HART 协议的电气仪表,例如可燃气体报警器、火焰探测器、国外广告联盟等都可以利用此手操器进行人机对话,对这类仪表进行故障诊断,日常检修,开车调试,校准等工作。例如使用手操器对支持 HART 协议的可燃气体探测器进行检验:
 
3.3 手操器得的应用
例如海洋采油厂某海上平台上配备的德尔格 Polytron 2 IR-334 型红外可燃气体探测器( 图 2) ,要求对其零点漂移、示值误差做主要检验项目。
 
操作步骤如下:
( 1) 用专用的四针连接线连接可燃气体探测器接口( 图 3) ,后打开手操器。
( 2) 在手操器上依次选择菜单项“Online”、“Process Varia-bles”来查看探测器的过程变量的变化。
( 3) 在“Process Variables”下观察: 在没有通标准气的情况下零点是否显示零: 如果显示零则说明该探测器零点未发生漂移;如果不为零则说明零点发生漂移,需对探测器进行调零。
( 4) 探测器调零: 依次选择菜单项“Online”—“Diag AndService”—“Calibration”—“Sensor Trim”—“Zero Tirm”进行调零工作。
( 5) 调零完毕后返回“Process Variables”下再观察: 通入50%LEL 的标准甲烷气体,看过程变量的数值变化: 如果数值显示 50%LEL 则说明探测器示值准确; 否则为示值有误差,需要校准。
( 6) 探测器示值校准: 依次选择菜单项“Online”—“Diag AndService”—“Calibration”—“Sensor Trim”—“Span”进行校准工作。要说明的是在现场校验操作时连接到探测器上后“Sensor Trim”中的“Lower Sensor Trim”、“ Upper Sensor Trim”、“Snsr Trim CalType”、“Sensor Trim Points”四项均显示为“Span”项。
 
4 结 语
利用 HART 协议的手操器,我们可以实现对支持 HART 协议的电气仪表的故障诊断,日常检修,开车调试,校准等工作的开展,并且其人性化的设计更好的实现了人机对话功能,即便在苛刻的检测环境下也可进行工作。但由于其只适用于支持HART 协议的电气仪表,所以适用范围还是受到了一定的限制,而且 HART 协议技术在现在看来也是传统的 DCS 向真正意义的现场总线控制系统过渡的中间桥梁,HART 手操器在可燃气体探测器校验方面会随着 HART 协议可燃气体探测器的发展有很好的应用前景。
 
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