智能变送器应用中的隐与优.doc

智能变送器应用中的隐与优

王山峰
（河南省中原大化集团有限责任公司   河南淮阳 457004）
      摘  要   介绍智能变送器的组成、特点及通讯。特点及遇到的问题、解决方法，进行了详细论述。
      关键词   智能   变送器   应用   通讯
1   概述
      由传感器技术与微电子技术结合形成的智能型变送器，因其在功能、精度、可靠性、维护、组态上较常规模拟变送器有很大提高，近年来已被广泛应用。其典型产品如罗斯蒙特（Rosement）1151，费希尔-罗斯蒙特（Fisher-Rosement）3051，霍尼威尔（Honeywell）ST3000，川仪/横河（Centum）EJA系列，德国哈特曼布劳恩（Hartmann&Braun）公司AS系列等。变送器的智能化主要表现为具有自我监测、远程通讯的能力，及因采用微机械电子加工技术、超大规模的专用集成电路（ASIC）和表面安装技术，而使变送器具有高可靠性、量程范围宽及稳定的温压补偿性能。
2   智能变送器的组成
      智能变送器一般是由传感器、微处理器、存储器及模数、数模转换器组成。传感器用来检测被测量的信号，其所用材料因厂家而异。横河EJA为硅谐振式，把被测参数转换为硅梁的振动频率；ST300的传感器是扩散硅复合半导体式，把被测参数转换为硅芯片电阻值的变化；1151、3051及富士的FCX-A/C是硅微电容式，通过测电容来获得被测的差压或压力值，而8600系列智能变送器则为电感式。微处理器是智能变送器的核心，负责对数据的综合运算处理，如对检测信号线性化、量程重调、函数运算、工作单位换算及诊断与通讯功能。存储器用来存贮供微处理器调用的各种常数、程序及变送器的组态等，现在一般都是可擦写的。模数、数模转换器是将模拟信号与数字信号进行相互转换，传感器的检测信号到微处理器须用模数转换器，微处理器输出4～20mA信号须用数模转换器。智能变送器需要输出一路数字信号与DCS进行通讯，并附有一智能现场通讯器（SFC）或称手操器来与变送器通讯。此外，智能变送器备有后备电源，以免停电时存储器内数据丢失。
3   智能变送器的特点及典型应用实例
      现在的智能变送器一般都是既有数字信号又有模拟信号的混合式智能变送器，与DCS的通讯是以传递4～20mA模拟信号为主，然后在其上面叠加数字信号用来远程设定零点、量程以及对变送器的校验、组态和诊断等。它只是为和现有DCS兼容而设计的，是真正意义上的全数字式智能变送器（如现场总线型智能变送器）的过渡产品。与常规模拟变速器相比，智能变速器在应用中具有以下特点：
3.1  量程范围宽，量程比大
      智能变送器一般都具有宽广的量程范围，量程比大，从30：1到100：1，有的甚至达到400：1。变送器的量程比是指最大测量范围（URV）与最小测量范围（LRV）之比[1]。智能变送器量程与常规模拟变送器相比，最大的好处就是可以减少库存量，同时可根据工艺要求，在不更换表的情况下随时更改量程，而不用顾忌量程超限。例如中原大化集团有限责任公司由于新增了3套三聚氰胺装置，中间副产品CO2都要返回尿素装置的中压吸收塔进行重新吸收，而吸收CO2就要大大增加进人中压吸收塔的氨量，这样用来测氨的仪表量程要由原来的10 t/h扩大到30 t/h，这时用智能变送器就非常方便，在线调整一下量程就可以了，不用重新更换仪表。如果是常规模拟变送器就要更换量程较大的新表。
3.2 维护简单方便
      用手持通信器与智能变送器通信可选在现场变送器接线端子处或主控室控制柜内的接线端子处。这样仪表检修人员可在相对较安全、周围环境较好的控制室来对变送器进行量程修改、参数设置、仪表维护等工作。中原大化集团有限责任公司尿素装置有一测液氨罐液位的仪表，在开车阶段总是指示有误，原因是开车阶段与生产正常阶段液氨的密度不同造成仪表指示不准。只能是开车时给变送器设一测量范围，生产正常时再设一测量范围。另外，开车时现场容易漏氨等有害气体，仪表维护人员每次不得不戴着防毒面具来进行处理。如果用智能变送器代替原先的模拟仪表，可以同时解决上述问题，在控制室就可对仪表进行参数修改，保证了人员的人身安全。需要注意的是，手持通信器不能直接连在仪表控制回路中给变送器供电的电源两端，原因是电源为低阻抗，手持通信器在它两端无法读取信息，一般要求回路电阻在250～600Ω，电阻太小不能通讯，电阻太大变送器工作就会异常。
3.3  具有高低压侧转换功能
      智能变送器一般有传感器高低压侧转换的功能，用手持通讯器调整内部参数即可。在生产中就遇到过这样的问题，由于仪表已运行多年，连接到变送器的导压管因漏需要更换，更换后仪表投用时发现正负相导压管接反（因为导压管较长，又有伴热管在一块，正负相容易接反）。如果把2个导压管互换工作量很大。而智能变送器有高低压侧转换功能，把表内的参数“D45：H/L SWAP”项由NOROMAL（右侧高压，左侧低压）改为REVERSE（右侧低压，左侧高压），重新组态后表一切正常，很省时省力。
3.4  智能变送器的固定输出功能
      这项功能在下列情况下使用起来比较方便：①当变送器出现故障时，为保证生产设备和人身安全，或为保证产品质量需要变送器输出在一个固定值上。②在年度大修后，由于仪表控制回路中的各个环节都进行了检修，需要在开车前对整个回路进行联校，这时可以用手操器运用智能变送器的固定输出功能，找到菜单中的“OUTPUTSET（输出设定）”项，一般可以设定3.8～21.6mA间的任一数值，联校其所在整个回路是否正常。
4   智能变送器的通讯协议及常见问题
      智能变送器的可靠性与稳定性非常高[2]，但经常遇到通讯方面的问题。由于智能变送器诞生时国际上没有制定出统一的通信协议标准，所以各生产厂家生产的变送器用的通信协议不尽相同。典型的如Honeywell的ST3000用的是DE协议，Fisher-Rosement的3051用的是HART协议，横河川仪的EJA系列为Braun（布朗）协议，还有遵循现场总线通信标准的全数字式智能变送器。影响智能变送器现场不通讯的因素主要有高频电磁波干扰；因电缆太长、电缆的分布电容超过了网络限制，及负载电阻较低等。各协议的特点及可能伴生的通讯问题如下。
4.1  HART协议
      HART（Highway Addressable Remote Transducer）是基于贝尔202通讯标准的移频键控（FSK）技术[2]，通过在4～20mA电流上叠加频率信号实现数字通讯。2个不同频率：1200 Hz和2200 H：代表“0”和“1”，以正弦波的形式叠加在4～20mA直流信号上，因这些正弦波的平均值为零，所以不产生直流分量，不会对4～20rnA过程信号产生影响，它是在不中断传输信号的情况下完成了真正的同步通讯。
中山化工有限公司曾现场应用了几台HART协议的3051变送器和1台涡街流量计，投运后均出现异常，撤回到车间校验，仪表通讯及工作正常。经细致检查，发现装置中运行了60 Hz的电机、泵，为适应50 Hz的电源，采用了大量的变频器而变频器的载波频率大都组态设置为2000 Hz，这个频率正好与HART通讯频率接近，从而影响了智能变送器的正常工作。采取增大仪表电缆与动力电缆槽架的改造措施后问题得到解决[3]。另外在智能变送器和连线的附近使用发报机也会影响正常通讯与工作。
4.2  DE协议
      DE协议是以脉冲电流的多少来代表“1”和“0”的，数字信号和模拟信号是分开传输的，当传送数字信号时，模拟信号须中断[1]。HART通讯频率较高（约1～2 kHz），要求网络的时间常数不大于0.65μs，这样HART通讯设备及网络的最大电容限制了通讯的最大距离，一般为不大于400m。而DE协议通讯频率较低，网络的最大时间常数为104μs，允许的电缆分布电容比HART协议宽的多，所以，就会出现同一套装置中用DE通讯协议的仪表通讯正常而用HART协议的智能变送器却不能通讯的现象。对于具有HART协议的变送器如果通讯距离确实需要足够长，可以用电容较低的交联电缆。
4.3  现场总线通讯协议
      IEC（国际电工委员会）对现场总线（Fieldbus）的定义是“安装在制造和过程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线称为现场总线。”它是一种全数字化、双向、串行、多站的通信网络，一对导线上可传输多种信息。纯数字的现场总线智能变送器，是根据现场总线通信协议开发出来的一种变送器它已不是传统意义上的变送器，而是同时起着变送、控制和通信的作用。在整个控制系统中，每台变送器都是一个网络接点。使用现场总线后，自控系统的配线、安装、调试和维护等方面的费用可以大大降低，随着现场总线控制系统（FCS）的发展应用，作为现场总线控制系统基础的现场总线智能变送器必将被广泛应用。
参 考 文 献
      ［1］     朱炳兴，王森主编．仪表工试题集现场仪表分册，北京：化学工业出版社，2002
      ［2］     王常力，廖道文主编．集散控制系统的设计与应用，北京：清华大学出版社，1993
      ［3］     左国庆，明赐东主编．自动化仪表故障处理实例，北京：化学工业出版社，2003