現有工業裝置的自動化程度參差不齊，有的未使用先進的控制系統或未能實現現場設備資產管理；有的只部分應用數字式閥門定位器；有的由于控制閥用量少又較分散，使實現控制閥故障診斷的成本高且難度大。這些成為制約實施控制閥預測性維護（性能監視、故障診斷）的原因。一種較為經濟、特別適合中小用戶的解決方案是不依賴控制系統及其上位管理，采用HART通信的數字式閥門定位器和利用免費的PACTware開放軟件平臺，實現低成本和靈活的控制閥故障診斷。

      隨著數字式閥門定位器的深入研發，控制閥預測性維護所需的狀態監測和診斷功能逐漸轉移到控制閥本機設備上的診斷體系。以數字式閥門定位器為核心的控制閥數字解決方案，極大提升了控制閥使用性能，使之有一個質的飛躍，進而成為工業現場的智能設備，控制閥預測性維護強化了現場設備動態管理和監測以及設備良好運行的可持續性。

      面臨的問題是：現場總線型數字式閥門定位器價位偏高，且大多數的預測性維護依賴于專門的診斷軟件、不同的現場總線和控制系統的上位管理；以及現場應用水平不高，部分功能不能發揮作用，致使現階段控制閥預測性維護成效不顯著。再者，現有工業裝置的自動化程度參差不齊，有的未使用先進的控制系統或未能實現現場設備資產管理；有的只部分應用數字式閥門定位器；有的由于控制閥用量少又較分散，使實現控制閥故障診斷的成本高且難度大。

      針對國內工業用戶HART類型和系統設備存量很大、HART通信容易實現的情況，一種較為經濟的解決方案是采用HART通信的數字式閥門定位器和利用免費的PACTware開放軟件平臺，不依賴現場總線和控制系統及其上位管理，實現靈活的控制閥故障診斷。本文簡單敘述HART通信、PACTware開放軟件平臺，并結合SAMSON公司的3730-3型HART數字式閥門定位器介紹利用PACTware實現控制閥性能監視、故障診斷的預測性維護。

      HART通信

      HART（Highway Addressable Remote Transducer）可尋址遠程傳感器高速通道的開放通信協議，最初是由美國羅斯蒙特公司（Rosemount，屬艾默生公司）在上世紀80年代初發表的，到1989年推出HART 5.1“長指令”后才形成推廣態勢。HART提供具有相對低的帶寬，適度響應時間的通信，技術兼有發展、日臻成熟，2007年7月的IEC 61158第四版中正式列為第20種標準類型的現場總線。20多年的應用，已使HART通信從一個過渡性方案發展成為尚能釋放很大潛力的通信協議，支持HART協議的廠商有100多家，認證的HART儀表品種近500種，全球在用HART儀表（包括HART閥門定位器）超過2600萬臺。我國也有大量的HART用戶，而且1996年國家“九.五”科技重大項目開始對HART技術進行開發，目前已掌握核心技術，具備進一步推廣HART技術的條件。HART通信會與其他類型現場總線一樣，在各自適合的范圍內持續發展。

      2007年發布、2008年9月被IEC認可的WirelessHARTTM通信規范（HART7.1），更使HART技術有新的飛躍，成為第一個專門為流程工業而設計的開放的可互操作的無線通信標準，滿足了工業用戶對于可靠、強勁、安全的無線通信方式的迫切需求。同時，HART7.1的向下兼容性能，也為現有用戶提供了應用支持。

      HART協議采用基于Bell202標準的FSK頻移鍵控信號，在低頻的4~20mA模擬信號上疊加幅度為0.5mA的音頻數字信號進行雙向數字通信，數據傳輸率為1.2Mbps。由于FSK信號的平均值為0，不影響傳送給控制系統模擬信號的大小，成功實現模擬信號和數字信號雙向同時通信并無互擾，保證了與現有模擬系統的兼容性。一般情況是主要的控制變量由4~20mA傳送，其他的測量、過程參數、設備組態、校準、診斷信息通過HART協議訪問。

      HART協議參照了國際標準化組織的開放性互連模型，使用OSI標準的物理層、數據鏈路層和應用層。HART協議規定了傳輸的物理形式、消息結構、數據格式和一系列操作命令，是一種主從協議。當通信模式為“問答”形式時，一個現場設備只做出被要求的應答。HART協議允許系統中存在2個主設備（例如一個為系統控制，另一個為HART手持式現場通信器），如果不需要模擬信號，多點系統中的一對電纜線上最多可以連接15個從設備。

      HART采用統一的設備描述語言DDL。現場設備開發商采用這種標準語言來描述設備特性，由HART基金會負責登記管理這些設備描述并編為設備描述字典，主設備運用DDL技術來理解這些設備的特性參數而不必為這些設備開發專用接口。

      全球主要控制閥（閥門定位器）制造商都生產有HART通信的數字式閥門定位器。

      PACTware開放軟件平臺

      PACTware過程自動化組態工具（Process Automation Configuration Tool）是一個基于FDT現場設備工具（Field Device Tool）技術、用于操作所有現場儀表、并獨立于制造商和現場總線的框架結構軟件，是一個免費的開放軟件平臺。若要不花錢就能熟悉FDT/DTM技術，那么必須了解PACTware軟件。這一軟件工具目前由公益性的PACTware組織進行推廣。

FDT技術包括三個要素：框架應用程序、設備DTM、通信DTM。DTM是設備類型管理器（Device Type Manager）。PACTware就是一個標準化的框架應用程序，設備DTM是用于現場儀表調整的專有軟件模塊，在兩者之間使用了FDT的標準化接口（通信DTM）。

      PACTware可以獨立于各種現場總線并通過各種不同標準的現場總線，訪問打開由不同制造商對不同現場儀表創立的設備DTM，全面地調整現場儀表，提供故障診斷和資產管理，最大程度發揮現場儀表功能，使原本封閉的系統環境變為開放的解決方案：一個框架應用程序（PACTware），運行制造商提供的類似文本文件的設備模塊（符合FDT標準的設備DTM），通信DTM的驅動程序提供計算機與現場設備的通信，完成對在計算機之外的現場設備物理位置的參數化。

      PACTware顯著特征是免費、開放、直接調整、故障診斷和資產管理功能，無論應用規模大小和復雜程度，以及DTM各有不同，均可靈活運用。例如對于HART類型現場設備，即便還不具有DTM功能的，也可使用通用的HART-DTM來對標準的HART變量進行操作。

      PACTware是通過現場總線實現開放的，目前通信DTM已支持HART、FF、Profibus-PA、Modbus、Control NET、Device NET/CIP、Ethernet、AS-i、RS232等。支持PACTware并是其組織成員的制造商目前有25家國際公司，歐洲廠商居多，被國內業界熟知的有YOKOGAWA（橫河）、tyco/Flow Control（泰科/流體控制）、SAMSON（薩姆森）、FLOWSERVE_NAF（福斯_NAF）、Invensys_Foxboro（英維思_福克斯波羅）、KROHNE（科?。?、Turck（圖爾克）、P+F（倍加福）、WIKA（威卡）等等。

      安裝PACTware軟件的硬件要求是：PC機處理器Pentium II 500 MHz及以上、128MB RAM、120MB硬盤空間、操作系統Windows Vista/XP/2000（SP 4）、IE 5.0以上、顯示1024 x 768（16位）、RS 232或USB接口。

      對于不同的現場總線要配置相應的RS 232或USB接口適配器，如針對HART通信的RS 232/HART或USB/HART接口適配器，推薦使用Smar的HI311/HI321型、Mactek Viator的010001/010031型、Micro flex的101-0005/101-0007型。

      HART通信的3730-3型數字式閥門定位器

      SAMSON的373x系列數字式閥門定位器是其在2001年推出的新一代系列產品，包括全電子電路類型、數字式的經濟型、基本型、HART通信型、Profibus-PA和FF現場總線型，以及隔爆型（3731系列）；其中的3730-3型是4~20mA信號+HART通信型。

      3730-3型為模塊化、智能化的緊湊結構；具有自適應、自校準、自診斷的性能；集成了先進的微處理技術、信息技術、專家診斷軟件和功能模塊；設計獨特的數字/模擬電路控制定位和氣動放大器清掃及快速響應；簡便的單鍵旋鈕組態操作、LCD全顯示/本機診斷；適用調節型或開關型控制閥，具有部分行程測試（PST）或全行程測試（FST）功能；支持HART通信和本機SAMSON SSP串口通信，可通過控制系統、PC機（DD、EDDL、FDT/DTM工具、AMS、PDM、PRM、PKS等系統和SAMSON TROVIS-VIEW）或手持式現場通信器進行組態和診斷；配有軟件閥位開關和故障輸出接點；可選在殼內集成低功耗電磁閥、接近開關式閥位開關、二線制4~20mA輸出的閥位變送器。定位器與控制閥的連接有直接集成安裝或按IEC 60534-6-1/6-2安裝兩種方式，尺寸小巧、重量輕（鋁殼的約1kg重），耗氣量較低（靜態為0.11Nm3/h）且不受氣源壓力影響。

      使用PACTware進行3730-3型的故障診斷

      從相關網站下載免費的框架程序PACTware軟件、驅動程序DTM模塊以及通信DTM，并安裝在工作計算機上。針對3730-3型所需的軟件，可從PACTware網站選SAMSON跳轉鏈接下載.

需下載并安裝的軟件：

PACTware 框架程序3.6.0.3（SP1）版

HART通信DTM 1.0.25版（也可選通用HART的DTM 4.0.1版）

設備DTM：用于373x-3（1至4類型）的1.2.22版（激活碼：0E4E-FGF9）

設備DTM：用于373x-3（5至6類型）的1.3.2.1版（不需激活碼）

      一旦安裝了PACTware、通信DTM和設備DTM，立即就可以展開工作。在3730-3型按要求接好所需的4~20mA電流信號、連接好FSK調制解調器及計算機接口適配器后，點擊桌面上的PACTware圖標，啟動框架程序（圖6a）；然后，從界面目錄中選擇設備和指定設備的通信通道，根據提示選擇項目，如由3730-3型的固件版本來確定類型（圖6b）；選擇連接HART通信目錄下的位號（3730-3及版本），出現操作頁面和顯示已通信連接的閥門定位器的相關信息（圖6c）；按照操作界面目錄，選擇打開相應的參數、診斷畫面（圖6d為輸出信號實時趨勢）。

      通過PCATware軟件平臺和調用3730-3型的DTM模塊，提供用戶操作界面，定義和確認參數，實時進行性能監視、數據趨勢和故障診斷，可在工作PC中以文件形式保存調用被測結果，進行存檔和管理。還可以傳送到Windows應用程序中做進一步處理。

      在診斷（Diagnosis）目錄下，有狀態信息（Status messages）、自動信息采集（Statistical informationAUTO）和手動測試（Tests MAN）子目錄。

      狀態信息包括標準狀態、操作、硬件、初始化、數據存儲器、溫度、數據記錄器、增強診斷等頁面，有著閥門定位器全部狀態和詳細說明。

      自動信息采集包括數據記錄器、行程柱形圖、設定點偏差柱形圖、行程方向改變次數柱形圖、輸出信號趨勢圖、行程終端閥位趨勢等頁面，有著強大的診斷功能。根據行程柱形圖，可以獲知長期或短期控制閥工作行程的集中分布，工作行程是否合理合適。根據設定點偏差柱形圖，可以獲知長期或短期的定位偏差是否在允許之內和超差的工作點及其數值。

      根據行程方向改變次數柱形圖，可以獲知長期或短期的工作頻次、穩定性和摩擦力變化。根據輸出信號趨勢圖，可以獲知輸出信號與基準的差異以及分析實際受力情況。根據行程終端閥位趨勢，可以分析閥內件結垢或受損、判斷內漏及緊密關閉情況。

      手動測試包括輸出信號靜態基準、輸出信號遲滯性、靜態特性、階躍響應等離線測試內容，這些測試結果將輔助在線性能監視和故障診斷。

      除了診斷目錄外，還有閥門定位器識別、測量、校準、復位、組態等目錄，也包含有子目錄、眾多參數和操作以及大量信息。

     結語

     預測性維護在控制閥還沒有產生故障前就通過故障識別和診斷技術對狀態參數預測可能出現的情況和預期的時間，預測設備的功能安全和時間依存性。利用免費的PACTware開放軟件平臺，開展適用國內中小用戶群體的低成本控制閥故障診斷，進行在線預測性維護，提升并維持控制閥性能，減少運行故障和提高使用壽命，是一個行之有效的解決方案。同時，這種解決方案也著力開拓現場設備互操作范圍、擺脫控制系統和現場總線多樣性的困擾、以及解決故障診斷和資產管理標準化的問題。

【參考文獻】

1. PACTware介紹. www.pcatware.com

2. SAMSON. 3730-3型HART通信數字式 安裝與操作說明. EB 8384-3 ZH . 2008.9

3. SAMSON. 373x系列EXPERT+控制閥診斷 安裝與操作說明. EB 8389 ZH .2008.7