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技術(shù)文章
智能變送器應(yīng)用中的隱與優(yōu)
點(diǎn)擊次數(shù)：3524 發(fā)布時(shí)間：2009-11-1
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(hù)、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(fèi)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(yuǎn)程通訊的能力，及因采用微機(jī)械電子加工技術(shù)、超大規(guī)模的集成電路（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(bǔ)償性能。
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(dòng)頻率；ST300的傳感器是擴(kuò)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(fù)責(zé)對數(shù)據(jù)的綜合運(yùn)算處理，如對檢測信號線性化、量程重調(diào)、函數(shù)運(yùn)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(jìn)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(jìn)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(shí)存儲器內(nèi)數(shù)據(jù)丟失。
3 智能變送器的特點(diǎn)及典型應(yīng)用實(shí)例
現(xiàn)在的智能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(yuǎn)程設(shè)定零點(diǎn)、量程以及對變送器的校驗(yàn)、組態(tài)和診斷等。它只是為和現(xiàn)有DCS兼容而設(shè)計(jì)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(diǎn)：
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(dá)到400：1。變送器的量程比是指zui大測量范圍（URV）與zui小測量范圍（LRV）之比[1]。智能變送器量程與常規(guī)模擬變送器相比，zui大的好處就是可以減少庫存量，同時(shí)可根據(jù)工藝要求，在不更換表的情況下隨時(shí)更改量程，而不用顧忌量程超限。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。
3.2 維護(hù)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(jìn)行量程修改、參數(shù)設(shè)置、儀表維護(hù)等工作。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。
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(yùn)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(shí)發(fā)現(xiàn)正負(fù)相導(dǎo)壓管接反（因?yàn)閷?dǎo)壓管較長，又有伴熱管在一塊，正負(fù)相容易接反）。如果把2個(gè)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/L SWAP”項(xiàng)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(shí)省力。
3.4 智能變送器的固定輸出功能
這項(xiàng)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(shí)，為保證生產(chǎn)設(shè)備和人身安全，或?yàn)楸ＷC產(chǎn)品質(zhì)量需要變送器輸出在一個(gè)固定值上。②在年度大修后，由于儀表控制回路中的各個(gè)環(huán)節(jié)都進(jìn)行了檢修，需要在開車前對整個(gè)回路進(jìn)行聯(lián)校，這時(shí)可以用手操器運(yùn)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(xiàng)，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(gè)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[2]，但經(jīng)常遇到通訊方面的問題。由于智能變送器誕生時(shí)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(fù)載電阻較低等。各協(xié)議的特點(diǎn)及可能伴生的通訊問題如下。
4.1 HART協(xié)議
HART（Highway Addressable Remote Transducer）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(shí)現(xiàn)數(shù)字通訊。2個(gè)不同頻率：1200 Hz和2200Hz：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。
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(jì)，投運(yùn)后均出現(xiàn)異常，撤回到車間校驗(yàn)，儀表通訊及工作正常。經(jīng)細(xì)致檢查，發(fā)現(xiàn)裝置中運(yùn)行了60 Hz的電機(jī)、泵，為適應(yīng)50 Hz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2000 Hz，這個(gè)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(dòng)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(bào)機(jī)也會影響正常通訊與工作。
4.2 DE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(shí)，模擬信號須中斷[1]。HART通訊頻率較高（約1～2 kHz），要求網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間常數(shù)不大于0.65μs，這樣HART通訊設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)的zui大電容限制了通訊的zui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zui大時(shí)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(shí)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（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(dòng)控制裝置之間的數(shù)字式、串行、多點(diǎn)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(shí)起著變送、控制和通信的作用。在整個(gè)控制系統(tǒng)中，每臺變送器都是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)接點(diǎn)。使用現(xiàn)場總線后，自控系統(tǒng)的配線、安裝、調(diào)試和維護(hù)等方面的費(fèi)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。