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智能型仪表的发展与应用

  目前在化工工业中智能型仪表的应用越来越普及,化工生产过程中各参数的测量控制都应用到智能型仪表,智能型仪表不但表现出单表本身卓越的性能,更因有可与计算机进行数字通讯能力进一步拓展了其应用范围。本文结合智能型仪表在生产中的应用,探讨智能型仪表的发展和应用中应注意的几个问题。
1.何谓智能型仪表
  智能型仪表是以微处理器为中央控制单元能完成物理信号的输入输出、信号转换和计算机控制等功能,并可与外界通讯的仪器仪表。我们通常把部分国外进口的仪表铭牌上标有SMART标记或有HART标记的认为是智能型仪表;但是在使用过程中部分仪表虽未标明智能型,但仪表本身具有通过按键进行各种参数设定或可按一定的通讯协议与外部进行数字通讯的,也被认为是智能型仪表。
2.智能型仪表相比常规仪表的优点
  1)先进的微处理技术,高性能的集成芯片,功能强大,性能优越。
  2)可靠性与精度较高,稳定性好,长期工作维护量小。
  3)具有双向通讯能力。
  4)适用范围广,可在线修改参数,具有内部计算、数据存储、自诊断、自校验等各种功能。
  5)具有大量的管理信息,可供用户参考。
3.智能型仪表的发展经历的几个阶段
  智能型仪表是现代控制技术、通讯技术、计算机技术、制造技术发展的必然结果,它大致经历了三个阶段。
  (1)模拟式仪表的发展阶段。
   普通模拟式仪表的发展经过电II型(供电电压交流220V,输出电流0~10mA)和电III型(供电电压直流24V ,输出电流4~20mA)两个阶段。电III型仪表虽在体积、功耗和测量精度方面有了较大提高。但是20世纪70年代DCS的问世与快速发展,模拟仪表自身的特性和缺点凸显出来。主要有:
   1)模拟式仪表测量与控制精度较低,一般在0.5~1.5之间;
   2)模拟式仪表的功能比较单一,测量参数,输出变量可选性不强;
   3)模拟仪表的零点、量程调整会相互影响,零点量程调整时需反复进行,仪表调试维护量较大。
   4)每路模拟信号的传输必须使用一对信号线,并且存在传输过程信号衰减、精度降低、干扰信号的引入等长期难以解决的问题,严重影响了其计算机网络的连接。为了解决此问题,仪表厂商积极研发更适合当今生产需求的新型智能化仪表。
  (2)智能型仪表的起源。
   为了实现模拟信号的远距离传送,并将多个现场变送器的模拟信号通过一对信号线传送到控制中心,美国Rosement(罗斯蒙特公司)于1986年开发出一种将模拟信号调制成数字调频信号,并用数字调频信号实现传输的HART(Highway Addressable Remote Transducer)协议,在现场安装的仪表是一种被称为“Smart Field Instrument”的智能型仪表,Smart仪表可以用一对传输线同时送出4~20mA和FSK频移键控两种信号,实现控制中心与仪表之间的双向通信。并开发出HART手持通讯器,方便地实现智能仪表与通讯器之间的双向通讯。
   值得一提的是,美国另一大仪表生产商Honeywell(霍尼韦尔公司)1984年也开发出新型智能仪表,可设定模拟4~20mA输出或数字输出模式(DE模式),以便与DCS实现数字通讯。STS—103手持式智能通讯器方便用于Honeywell系列仪表的组态和调试。
目前,世界上绝大多数仪表生产商生产的智能型仪表的通讯方式采用HART协议,如:ABB,E+H,Siemens等。
(3)智能型仪表的飞速发展阶段。
  由于智能型仪表功能上明显的优点,进年来,化工工业的四大参数压力、温度、液位、流量测量及成分测量、阀位控制等都广泛用到智能型仪表,DCS的推广与应用,也带动智能型仪表的长足发展和常规仪表的更新换代。因智能型仪表可与DCS进行数字通讯,在DCS操作界面上能方便地进行故障检查和参数修正等工作;智能型仪表的推广越来越普及,也大大的促进国内仪表厂商积极开发智能型仪表,开发出一些符合HART协议和以微处理器为基础与上位机联网通讯的智能型仪表产品;随着仪表智能化程度的提高和微处理器功能的加强,现在智能仪表的功能已不仅限于数据采集,还越来越多的加入远程控制功能。
4.智能型仪表的通讯
  智能型仪表的数字通讯技术,克服了以往模拟仪表的数据传输方面的不足,更加适应了计算机的发展要求,也促进了智能型仪表本身的发展。目前智能型仪表的通讯模式主要有以下几种。
  (1)HART通讯协议
   它是Rosemouent公司于1985年开发出一种将模拟信号调制成数字调频信号,并用数字调频信号实现传输的协议。在现场安装的仪表是被称为“Smart Field Instrument”,其中包括1个调制解调器,可以将4~20mA的信号调制成符合BELL202标准的FSK频移键控信号。其通讯原理:将要传送的数据信息用1mA的P—P交流信号调节4~20mA直流回路电路。因为传输交流电信号的平均值是0,所以调节信号对输出没有干扰,因此在不中断传输信号的情况下,完成了真正的同步通讯。Smart仪表可以用一对传输线同时送出4~20 mA和FSK 两种信号。按标准仪表接法,接线是点对点的,而将多个Smart仪表共线连接,则可使用FSK数字信号并通过MODEM将信号送入计算机。HART协议不仅可用数字信号实现测量值的传递外,还可使用设备说明语言DDL(Device Description Language)实现控制中心与仪表之间的双向通信。
  (2)DE通讯协议
   它是Honeywell公司于1984年开发的一种其智能式仪表家族(SFI)与其上位机或智能现场通讯器(STC)之间的数字通讯协议,SFC可设定智能仪表的通讯方式是模拟方式或数字方式。当SFC连接到SFI并打开电源时,它能自动检测是何种变送器,并开发出通信请求,应答被送到SFC上,这时SFC和SFI之间开始通讯。
STS103/SFI之通讯过程为半双工主从式通讯方式(在同一时间数据只在一个方向传送,传送到变送器或到STS103)。STS103与模拟变送器的数据传输过程:STS103首先发出一个26mA访问脉冲,使变送器处于通讯模式,此脉冲也使回路电流降到4mA,数据开始在STS103和STI之间进行交换。因为通讯时回路中的电流会改变,模拟通讯前变送器的回路应置于手动状态。数字通讯时也使用半双工方式传输数据:DE通讯使用16mA脉冲信号,它对4~20mA电流信号有干扰。当变送器工作在DE模式时,就不需要脉冲信号了,因此,当处于DE工作模式时,手动操作是不需要的。当处于数字模式时,回路中的电压、电流表将不显示输出。
  (3)智能化设备
   智能型仪表的通信一般使用串行通信或现场总线。在串行通讯中常用RS-232和RS-485接口。当串行通讯建立后,智能型仪表的动力直接来源于串行端口,无须外部供电。RS-232接口为点对点式连接,这种方式不能实现联网功能,而且通信线不允许很长,因此目前采用较少,而多数采用RS-485接口。 RS-485允许多台设备共用线路,而且通信线路较长。RS-485采用差动方式传动信号,并提高了传输电平,因此抗共模干扰能力非常强,适用于在现场使用。实际上RS-485就是一种只有物理层通信的现场总线。
5.智能型仪表的应用
  (1)智能型仪表的安装
   a.传感器的安装地点,主要考虑安装现场环境条件,如温度、湿度、腐蚀性、振动等,尽量减小振动和温度影响,远离电磁干扰源(电机、变压器)。
   b.安装传感器时应有固定良好的支撑,不能以传感器及外壳做支撑。并将流量管固定,不能倾斜,以免产生虚假流量。
   c.对于不同的传感器,根据要求确定是垂直,还是水平安装。
   d.严格按使用手册要求进行电缆接线,确保接线正确并注意屏蔽。
  (2)应用过程中应注意的问题
   A.智能型仪表的使用电压和环境温度要考虑
    a.一般智能型仪表的使用电压较宽,但超出其通讯要求范围的电压将使智能型仪表不能与外进行数字通讯。
    b.使用环境温度和湿度要考虑。智能型仪表大多都规定了在正常工作状态下的环境温度,在严寒高纬度的地区特别要注意其选型,使用过程中可加电拌热和保温加以解决。在湿度较大的地区,要注意密封,防止水分在印刷电路板上凝结。
   B.智能型仪表的选用要与控制系统匹配
    例如:Fisher DVC5000系列数字式阀门控制器输入阻抗大约在600欧姆,而常规式阀门控制器一般输入阻抗为250欧姆,这将造成某些控制系统卡件不能驱动数字阀门控制器,HART通讯器也不能通讯。通过安装HART专用滤波器才能得到解决。
   C.智能型仪表的静电防护
    智能仪表在维修过程中其内部的CMOS和混合式集成电路易受到静电的影响而损坏。因此,为了减少智能仪表的维修成本,提高其稳定性和可靠性,在维修中必须采取必要的静电防护措施,静电防护的基本原则:一是尽可能阻止(降低)静电产生的可能性和减少静电电荷的积累;二是让静电荷能及时得以泄放。
  目前,我国化工厂的智能仪表大多是既有模拟信号输出,又有数字信号输出的过渡性产品,传输信号基本上仍是4~20mA模拟信号,数字通信也仅限于组态、校验、诊断辅助信息的通信。随着现场总线技术的推广应用,现场智能型仪表将实现完全数字化、智能化。

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