资产管理系统中的HART应用

在过程工厂环境中，安装一套能够覆盖现场仪表的资产管理系统需要采用某种类型的智能设备平台。既然大多数现代现场设备除了能够提供模拟过程变量之外，都支持HART通信能力，那么企业就可以在做出决策时权衡是选择传统的技术还是集成HARTI/O技术，将自身提升为仪表资产管理系统。
本文针对最终用户最为关心的几个问题，从优化仪表资产全生命周期性能的角度做了探讨。对于复杂的资产管理程序，HART信息是否足以应付？支持HART功能的本地I/O端口是否必需？是否有切实可行的方法将其应用于老式I/O端口环境？在原有设备作业状况依旧良好的情况下，用户是否愿意做较大的硬件改动？
背景假设
越来越多的生产厂商开始使用仪表资产管理系统（Instrument Asset Management Systems ，以下简称IAMS）来提高其作业效率，减少维护频次，提升总体生产率。有效的资产管理策略能够极大地降低作业成本和生产停机时间。生产厂商很大一部分利润消耗在维护上，所以这些成本降低能够为公司带来显著的经济效益。
仪表投运之后就开始面临老化的问题。流程本身、人机交互和时间都会使过程设备和相关的现场仪表的功能开始下降。为了控制并延缓这种老化，工厂维护人员需要对设备的作业进行监督和定期维修。他们所面临的挑战就是一方面要确保安装的设备能够正常运行，另一方面又要降低维护作业所需的资源和人力成本。可以使用本地操作员接口界面或者手操器与智能现场仪表设备进行临时的现场交互，但是真正所需的是一种可以在全厂区范围内连续与现场仪表进行交互的方法，以获取预防性维护信息，并适当地进行远程服务。这就是IAMS的一个基本功能。
了解这种技术
最近几年，支持数字技术的现场设备和现场仪表在典型的过程工厂中大放异彩。数字设备能够提供关于作业环境的大量数据。这些数据可以被应用程序用于防止损耗和停机，提高质量和可靠性，并降低维护成本。
数字设备技术获得发展并开始普及的原因之一就是HART通信协议的广泛应用，这种通讯协议提供了一种开放式的标准，改善了与智能现场仪表的4-20mA通信。大多数现代DCS解决方案都集成了HART I/O端口模块，可以与智能设备相连。这种I/O端口本质上是新老技术的混合，因为它一方面支持传统的4-20mA信号（看起来与老式的非HART I/O端口很类似），另一方面它又可以支持数字编码的HART信号。
在任何DCS中采用资产管理系统都需要将资产管理软件与HART I/O端口和设备相连。虽然在所有控制系统中基本的协议都很相似，但这种集成机制通常都是专用的，每一个供应商都可以选择自认为最好的实施办法。这其中有很多 “机密技术”，以便更好地利用HART协议所能使用的有限的带宽。
尽管缺乏一个集成HART I/O端口的开放式标准，自动化最终用户还是期望在所有的DCS平台上实现一些特定的功能。例如，I/O端口应该能够使用来自于智能HART部分的仪表量程信息，并自动告知模拟部分应该如何映射4-20mA输出。此外，诸如工程单位、数字过程变量和报警信息之类的标准HART信息应该能为DCS所用，用于控制目的并且可以被每一台现场仪表所用，无须知道这些现场仪表的细节。HART协议就具有获得这些信息的通用命令。

如果本地HART I/O不可用，那么单台仪表或者成组仪表的接口就将数字数据剥离，然后再发送给控制主机。图片来源：Moore Indistries International公司

智能设备所提供的用于配置、校准、故障排查、维护和诊断的信息在其设备描述（Device Description, 以下简称DD）文档中描述，DD技术经过改进后，包括了有用的图形和组织结构，改进之后的技术被称为EDDL，即电子设备描述语言。DD文件是包含对参数和功能描述信息的二进制文件，主机应用程序与设备通信时会使用到这些信息。仪表供应商使用特定的编程工具和令牌解析器来创建编码DD文件。用来利用DD信息的软件或者工具通常就被认为是资产管理系统，主要被仪表维护人员所关注。
很多自动化设备供应商现在使用FDT/DTM（现场设备工具/设备类型管理器）技术，有了这种技术，他们就能够呈现更多有意义的设备信息。DTM是含有特定设备数据、功能和逻辑组件的软件模块，从简单的用于设定设备参数的图形用户接口工具，到能够针对诊断和维护目的执行复杂计算的尖端应用程序，或者为设备校准设置复杂的业务逻辑。DTM也具有类似接口，可以与之相连接的系统或者工具通讯。
设备供应商能够以一种方法在DTM中嵌入智能性，但这种方法很难在DD文档中实现，例如一些图形结构就无法使用DD技术来表达。而且，DTM依赖于特定设备和版本，所以它需要对控制网络上的每一台设备的特定版本有所了解。自动化业界对IAMS表达了强烈的兴趣，实际上DTM才是对最终用户真正有价值的东西。IAMS仅仅是通信的载体，组织信息的一种方法和与技术人员或者操作人员交流的途径而已。
需要考虑的问题
虽然FDT/DTM技术能够提供一些很有吸引力的功能，但是用户应该知道一些注意事项和警告。首先也是最为重要的一点就是实际上DTM必须安装于每一个客户端（框架）上。所以，如果最终用户希望在10个客户端上使用来自于10个不同供应商的DTM文件包的话，就必须要进行至少100次安装作业——甚至更多，因为可能有些供应商具有多个DTM文件包，再加上每一个DTM文件包可能具有的多个版本，最终结果就是维护面临着巨大的挑战。未来的FDM版本（2.0版）允许DTM安装在服务器并应用在客户端上，但是目前，DTM只能这样管理。相比之下，大多数系统对DTM只能一笑而过，继续使用DD。
由于DTM是微软Windows程序，所以它依赖于Windows版本，对框架（例如DOT NET）、编程工具以及框架版本有一定的要求。工作于一种环境下的DTM可能无法工作于另一种环境，所以用户在使用的时候必须很小心地查阅DTM供应商提供的说明书，如果有疑问，那么就先测试。
而且，DTM有时候在一些庞大的独立框架下的表现与DCS环境不尽相同，例如PactWare。在独立框架下，设备路径相对较短，而且没有带宽限制，而DCS必须严格管理有限的带宽，特别是对于HART设备。DTM并不知晓自己工作于何种环境之下，所以它不知道如何进行排队等待作业，结果就是在DCS环境下所表现出来的性能可能很差。设备供应商对这个问题越来越明确，但是最终用户仍旧需谨慎对待。
最后，有些DTM是很脆弱的，会失效甚至会拖累客户端一起失效。虽然通常这不会导致灾难式的后果，但是也够令人讨厌的了。DD技术虽然算不上完美，但是从这个角度来看，它更加稳妥和便于管理。
最近几年，DD技术和FDT/DTM技术似有融合态势，产生了一种用于现场设备集成（FDI）的单一解决方案。为了满足最终用户的需求，让整个工业网络的自动化控制设备更易整合，FDI Cooperation, LLC公司应运而生。很明显，为了满足这种需求，需要在智能设备技术供应链上的每一个链条投入巨大的努力，而其对最终用户带来的改变仍尚需观察。DD文档和DTM并非背道而驰，向下兼容定能实现，这是个良好的开端。
最终用户面临的选择
那些正在寻求基于HART技术的复杂仪表资产管理解决方案的过程制造商正面临着一系列的抉择。例如，如果智能现场设备与不能完全支持HART I/O端口的控制系统相连，那么这种解决方案是否能够使用？
大多数情况下，在老式的DCS平台上使用IAMS都必须依靠外部的HART多路转换器或者mux，将数字HART信息引入IAMS。多路转换器的作用就是剥离数字HART信息，然后将其提供给IAMS软件包。多路转换器硬件模块将模拟HART信号和数字HART信号通过两个独立通讯路径路由。标准4-20mA信号路由至标准非HART模拟输入模块，而数字信号通过多路转换器硬件，然后通过RS-485网络发送至仪表管理系统。
“IAMS仅仅是通信的载体，组织信息的一种方法和与技术人员或者操作人员交流的途径而已。”
经验显示HART多路转换器能够使系统极具灵活性和稳定性，可以在单一网络中操作一台手持HART设备也可以操作成百上千的HART设备。对于老式控制系统来说， mux通常是唯一的选择，除非工厂愿意使用手持式设备或者DCS系统进行升级，而这很有可能是不现实的，因为对于某些作业来说，这种投资并不值得。
目前较为理想的整合方案正如当代DCS技术所采用的，就是使用支持HART的I/O端口模块，它既支持HART数字设备数据，也支持模拟4-20mA数据。有了这种技术，来自于支持HART的I/O端口的数字设备数据与模拟过程变量数据一起处理，而后者紧密地整合在控制系统环境中。这样一来就可以使用一些额外的过程变量（例如PV、SV、TV和FV）、量程信息、设备识别信息和设备状态信息（通用和专有），并将其应用于控制策略当中。