現(xiàn)代智能變送器的組成、特點及其典型應(yīng)用

 摘要：由傳感器技術(shù)與微電子技術(shù)結(jié)合形成的智能變送器因為在各方面都比常規(guī)模擬器有所提高，已被廣泛應(yīng)用。本文主要介紹智能變送器的性能特點，以及一些成功的應(yīng)用案例。
　
        1、概述
　　
　　由傳感器技術(shù)與微電子技術(shù)結(jié)合形成的智能型變送器，因其在功能、精度、可靠性、維護、組態(tài)上較常規(guī)模擬變送器有很大提高，近年來已被廣泛應(yīng)用。其典型產(chǎn)品
如羅斯蒙特(Rosement)1151，費希爾-羅斯蒙特(Fisher-Rosement)3051，霍尼威爾(Honeywell)ST3000，川儀/橫河(Centum)EJA系列，德國哈特曼布勞恩(Hartmann&Braun)公司AS系列等。變送器的智能化主要表現(xiàn)為具有自我監(jiān)測、遠程通訊的能力，及因采用微機械電子加工技術(shù)、超大規(guī)模的專用集成電路(ASIC)和表面安裝技術(shù)，而使變送器具有高可靠性、量程范圍寬及穩(wěn)定的溫壓補償性能。常見變送器有： 高溫壓力變送器  遠傳差壓變送器  投入式液位變送器    　　
　　2、智能變送器的組成
　　
　　智能變送器一般是由傳感器、微處理器、存儲器及模數(shù)、數(shù)模轉(zhuǎn)換器組成。傳感器用來檢測被測量的信號，其所用材料因廠家而異。橫河EJA為硅諧振式，把被測參數(shù)轉(zhuǎn)換為硅梁的振動頻率；ST300的傳感器是擴散硅復(fù)合半導(dǎo)體式，把被測參數(shù)轉(zhuǎn)換為硅芯片電阻值的變化；1151、3051及富士的FCX-A/C是硅微電容式，通過測電容來獲得被測的差壓或壓力值，而8600系列智能變送器則為電感式。微處理器是智能變送器的核心，負責(zé)對數(shù)據(jù)的綜合運算處理，如對檢測信號線性化、量程重調(diào)、函數(shù)運算、工作單位換算及診斷與通訊功能。存儲器用來存貯供微處理器調(diào)用的各種常數(shù)、程序及變送器的組態(tài)等，現(xiàn)在一般都是可擦寫的。模數(shù)、數(shù)模轉(zhuǎn)換器是將模擬信號與數(shù)字信號進行相互轉(zhuǎn)換，傳感器的檢測信號到微處理器須用模數(shù)轉(zhuǎn)換器，微處理器輸出4～20mA信號須用數(shù)模轉(zhuǎn)換器。智能變送器需要輸出一路數(shù)字信號與DCS進行通訊，并附有一智能現(xiàn)場通訊器(SFC)或稱手操器來與變送器通訊。此外，智能變送器備有后備電源，以免停電時存儲器內(nèi)數(shù)據(jù)丟失。常見變送器有:單法蘭液位變送器  高靜壓差壓變送器  擴散硅壓力變送器  
　　
　　3、智能變送器的特點及典型應(yīng)用實例
　　
　　現(xiàn)在的智能壓力變送器一般都是既有數(shù)字信號又有模擬信號的混合式智能變送器，與DCS的通訊是以傳遞4～20mA模擬信號為主，然后在其上面疊加數(shù)字信號用來遠程設(shè)定零點、量程以及對變送器的校驗、組態(tài)和診斷等。它只是為和現(xiàn)有DCS兼容而設(shè)計的，是真正意義上的全數(shù)字式智能變送器(如現(xiàn)場總線型智能變送器)的過渡產(chǎn)品。與常規(guī)模擬變速器相比，智能變速器在應(yīng)用中具有以下特點：
　　
　　3.1量程范圍寬，量程比大
　　
　　智能變送器一般都具有寬廣的量程范圍，量程比大，從30：1到100：1，有的甚至達到400：1。變送器的量程比是指最大測量范圍(URV)與最小測量范圍(LRV)之比。智能變送器量程與常規(guī)模擬變送器相比，最大的好處就是可以減少庫存量，同時可根據(jù)工藝要求，在不更換表的情況下隨時更改量程，而不用顧忌量程超限。例如中原大化集團有限責(zé)任公司由于新增了3套三聚氰胺裝置，中間副產(chǎn)品CO2都要返回尿素裝置的中壓吸收塔進行重新吸收，而吸收CO2就要大大增加進人中壓吸收塔的氨量，這樣用來測氨的儀表量程要由原來的10t/h擴大到30t/h，這時用智能變送器就非常方便，在線調(diào)整一下量程就可以了，不用重新更換儀表。如果是常規(guī)模擬變送器就要更換量程較大的新表。相關(guān)產(chǎn)品：微差壓變送器  負壓變送器  雙法蘭差壓變送器

　　
　　3.2維護簡單方便
　　
　　用手持通信器與智能變送器通信可選在現(xiàn)場變送器接線端子處或主控室控制柜內(nèi)的接線端子處。這樣儀表檢修人員可在相對較安全、周圍環(huán)境較好的控制室來對變送器進行量程修改、參數(shù)設(shè)置、儀表維護等工作。中原大化集團有限責(zé)任公司尿素裝置有一測液氨罐液位的儀表，在開車階段總是指示有誤，原因是開車階段與生產(chǎn)正常階段液氨的密度不同造成儀表指示不準(zhǔn)。只能是開車時給變送器設(shè)一測量范圍，生產(chǎn)正常時再設(shè)一測量范圍。另外，開車時現(xiàn)場容易漏氨等有害氣體，儀表維護人員每次不得不戴著防毒面具來進行處理。如果用智能變送器代替原先的模擬儀表，可以同時解決上述問題，在控制室就可對儀表進行參數(shù)修改，保證了人員的人身安全。需要注意的是，手持通信器不能直接連在儀表控制回路中給變送器供電的電源兩端，原因是電源為低阻抗，手持通信器在它兩端無法讀取信息，一般要求回路電阻在250～600Ω，電阻太小不能通訊，電阻太大變送器工作就會異常。相關(guān)產(chǎn)品：HART手操器   液位變送器
　　
　　3.3具有高低壓側(cè)轉(zhuǎn)換功能
　　
　　智能變送器一般有傳感器高低壓側(cè)轉(zhuǎn)換的功能，用手持通訊器調(diào)整內(nèi)部參數(shù)即可。在生產(chǎn)中就遇到過這樣的問題，由于儀表已運行多年，連接到變送器的導(dǎo)壓管因漏需要更換，更換后儀表投用時發(fā)現(xiàn)正負相導(dǎo)壓管接反(因為導(dǎo)壓管較長，又有伴熱管在一塊，正負相容易接反)。如果把2個導(dǎo)壓管互換工作量很大。而智能變送器有高低壓側(cè)轉(zhuǎn)換功能，把表內(nèi)的參數(shù)“D45：H/LSWAP”項由NOROMAL(右側(cè)高壓，左側(cè)低壓)改為REVERSE(右側(cè)低壓，左側(cè)高壓)，重新組態(tài)后表一切正常，很省時省力。
　　
　　3.4智能變送器的固定輸出功能
　　
　　這項功能在下列情況下使用起來比較方便：①當(dāng)變送器出現(xiàn)故障時，為保證生產(chǎn)設(shè)備和人身安全，或為保證產(chǎn)品質(zhì)量需要變送器輸出在一個固定值上。②在年度大修后，由于儀表控制回路中的各個環(huán)節(jié)都進行了檢修，需要在開車前對整個回路進行聯(lián)校，這時可以用手操器運用智能變送器的固定輸出功能，找到菜單中的“OUTPUTSET(輸出設(shè)定)”項，一般可以設(shè)定3.8～21.6mA間的任一數(shù)值，聯(lián)校其所在整個回路是否正常。
　　
　　4、智能變送器的通訊協(xié)議及常見問題
　　
　　智能變送器的可靠性與穩(wěn)定性非常高，但經(jīng)常遇到通訊方面的問題。由于智能變送器誕生時國際上沒有制定出統(tǒng)一的通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，所以各生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的變送器用的通信協(xié)議不盡相同。典型的如Honeywell的ST3000用的是DE協(xié)議，F(xiàn)isher-Rosement的3051用的是HART協(xié)議，橫河川儀的EJA系列為Braun(布朗)協(xié)議，還有遵循現(xiàn)場總線通信標(biāo)準(zhǔn)的全數(shù)字式智能變送器。影響智能變送器現(xiàn)場不通訊的因素主要有高頻電磁波干擾；因電纜太長、電纜的分布電容超過了網(wǎng)絡(luò)限制，及負載電阻較低等。各協(xié)議的特點及可能伴生的通訊問題如下。
　　
　　4.1HART協(xié)議
　　
　　HART(HighwayAddressableRemoteTransducer)是基于貝爾202通訊標(biāo)準(zhǔn)的移頻鍵控(FSK)技術(shù)[2]，通過在4～20mA電流上疊加頻率信號實現(xiàn)數(shù)字通訊。2個不同頻率：1200Hz和2200H：代表“0”和“1”，以正弦波的形式疊加在4～20mA直流信號上，因這些正弦波的平均值為零，所以不產(chǎn)生直流分量，不會對4～20rnA過程信號產(chǎn)生影響，它是在不中斷傳輸信號的情況下完成了真正的同步通訊。
　　
　　中山化工有限公司曾現(xiàn)場應(yīng)用了幾臺HART協(xié)議的3051變送器和1臺渦街流量計，投運后均出現(xiàn)異常，撤回到車間校驗，儀表通訊及工作正常。經(jīng)細致檢查，發(fā)現(xiàn)裝置中運行了60Hz的電機、泵，為適應(yīng)50Hz的電源，采用了大量的變頻器，而變頻器的載波頻率大都組態(tài)設(shè)置為2000Hz，這個頻率正好與HART通訊頻率接近，從而影響了智能變送器的正常工作。采取增大儀表電纜與動力電纜槽架的改造措施后問題得到解決[3]。另外在智能變送器和連線的附近使用發(fā)報機也會影響正常通訊與工作。
　　
　　4.2DE協(xié)議
　　
　　DE協(xié)議是以脈沖電流的多少來代表“1”和“0”的，數(shù)字信號和模擬信號是分開傳輸?shù)�，�?dāng)傳送數(shù)字信號時，模擬信號須中斷[1]。HART通訊頻率較高(約1～2kHz)，要求網(wǎng)絡(luò)的時間常數(shù)不大于0.65μs，這樣HART通訊設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)的最大電容限制了通訊的最大距離，一般為不大于400m。而DE協(xié)議通訊頻率較低，網(wǎng)絡(luò)的最大時間常數(shù)為104μs，允許的電纜分布電容比HART協(xié)議寬的多，所以，就會出現(xiàn)同一套裝置中用DE通訊協(xié)議的儀表通訊正常而用HART協(xié)議的智能變送器卻不能通訊的現(xiàn)象。對于具有HART協(xié)議的變送器如果通訊距離確實需要足夠長，可以用電容較低的交聯(lián)電纜。
　　
　　4.3現(xiàn)場總線通訊協(xié)議
　　
　　IEC(國際電工委員會)對現(xiàn)場總線(Fieldbus)的定義是“安裝在制造和過程區(qū)域的現(xiàn)場裝置與控制室內(nèi)的自動控制裝置之間的數(shù)字式、串行、多點通信的數(shù)據(jù)總線稱為現(xiàn)場總線。”它是一種全數(shù)字化、雙向、串行、多站的通信網(wǎng)絡(luò)，一對導(dǎo)線上可傳輸多種信息。純數(shù)字的現(xiàn)場總線智能變送器，是根據(jù)現(xiàn)場總線通信協(xié)議開發(fā)出來的一種變送器。它已不是傳統(tǒng)意義上的變送器，而是同時起著變送、控制和通信的作用。在整個控制系統(tǒng)中，每臺變送器都是一個網(wǎng)絡(luò)接點。使用現(xiàn)場總線后，自控系統(tǒng)的配線、安裝、調(diào)試和維護等方面的費用可以大大降低，隨著現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCS)的發(fā)展應(yīng)用，作為現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)基礎(chǔ)的現(xiàn)場總線智能變送器必將被廣泛應(yīng)用。

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