工業現場儀表智能化技術研究

發布：2018-12-18 | 點擊：人次

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工業過程自動化是通過自動化儀表、自動化技術與生產工藝及設備的有機結合來實現的，因此，工業自動化儀表與系統是儀器儀表工業zui主要的一類。當前，國際上自動化儀表與系統正進行著一場新的“變革”，即儀表的智能化、數字化、網絡化與開放性。

1、我國工業自動化儀表智能化的策略及現狀

儀表智能化指采用超大規模集成電路和微處理器技術，利用嵌入式軟件協調內部操作，使儀表具有智能的功能，在完成輸入信號的非線性、溫度與壓力的補償、量程刻度標尺的變換、零點錯誤、故障診斷等基礎上，還可完成對工業過程的控制，使控制系統的功能進一步分散。這類產品以數字顯示形式出現，不但大大提升了儀表性能，而且便于信息通信，可通過網絡組成新型的過程控制系統。因此，儀表的智能化、數字化呼喚新型的控制系統，而新興的現場總線技術采用計算機數字化通信技術，使自動控制系統與現場設備加入工廠信息網絡，成為企業信息網絡底層，可使智能儀表的作用得以充分發揮；另一方面，現場儀表的智能化、總線化則是在工業過程控制領域中能否真正實現現場總線技術的關鍵。

90年代初，儀表行業組織了DDZ-S系列儀表的聯合開發，解決了控制儀表的數字化問題。同時，國內有關儀表廠引進了單回路調節器、電容式和擴散硅式變送器、DCS、執行結構等新技術，并開展了國產化工作。“九五”期間，跟蹤國際潮流，現場總線智能儀表與系統成為發展的熱點。HART智能儀表開發成功；FF智能儀表關鍵技術突破；Lon智能開展網絡產品的開發與應用發展迅速；CAN總線、Profibus總線產品的應用已取得成效。

現場總線智能儀表的標準制定伴隨“九五”攻關同時進行，一批標準已完成。我國現場總線智能儀表與自動化網絡系統的發展有了良好的起步。

“十五”技術及產品結構調整的目標是：基于現場總線的產品技術水平達到90年代國外先進水平，銷售額占到國產儀表銷售額的30％，面向市場，推進儀表與系統的數字化、智能化、網絡化。

2、儀表的智能化過程

儀表的智能化首先從控制器開始。可編程單回路調節器是這類智能儀表的代表，如山武-霍尼威爾公司SSC系列的KMM（zui近有SDC40B）；橫河公司YS-80系列（zui近有YS170）的SLPC等。可編程單回路調節器是以微處理器作為運算控制器的核心，它主要接收和輸出標準的、連續的電模擬量信號，可由用戶編制程序，組成各種數字式過程調節裝置。它將回路控制、數字運算、邏輯運算及通信等多種功能集于一體，通過編制程序，可以實現不同的功能。

過程控制系統自動化中的現場設備通常稱為“現場儀表”?，F場儀表主要有變送器、執行器、在線分析儀表及其它檢測儀表。現場儀表與主控儀表/系統日新月異的變化相比，相對滯后，變化不大。但當現場總線技術出現后，現場儀表智能化與總線化就尤為迫切。因此，各現場總線控制系統制造廠家為了使自己的現場總線控制系統（FCS）能得到應用，紛紛推出與其控制系統配套的具有現場總線功能的測量儀表和調節閥，形成完整的現場總線控制系統。

3、現場儀表的智能化與總線化

首先以智能變送器來說明現場儀表的智能化進程。

智能變送器集成了智能儀表全部功能及部分控制功能，具有很高的線性度和較低的溫度漂移，降低了系統的復雜性、簡化了系統結構。智能變送器具有一定的人工智能，可實現自學習功能等；可集成為多敏感元件的變送器，能同時測量多種物理量和化學量，全面反映被測量的綜合信息；精度高，測量范圍寬，其量程比zui高可為400:1，能應付很寬的測量范圍，特別適用于要求量程比大的場合；可采用標準化的通信接口進行信息交換，這是智能變送的關鍵標志之一。智能化使變送器由單一功能向多功能和多變量檢測發展，由被動進行信號轉換向主動控制和主動進行信息處理方向發展，由孤立元件向系統化、網絡化發展。

*代智能變送器主要以提高性能為主，一般為模數混合式儀表。這是因為在大量應用的DCS系統中，現場一級仍保留著4～20mA模擬信號和“一對一”的單向信號傳輸模式。*代智能變送器使儀表的性能與精度得到了大大的提升，但在檢測信號上仍屬被動型。

第二代智能變送器在*代智能變送器的基礎上，實現由被動進行信號檢測轉換向主動控制和主動進行信息處理方向發展，由孤立的檢測變送單元向系統化、網絡化發展。智能變送器屬于現場設備，將它們和其它的各種現場上的設備與上一級的監控裝置連接在一起形成的全數字化的、串行、雙向、多站的網絡通信系統，這就是現場總線網絡控制系統（FCS）。

FCS的技術特點主要是系統的更加開放性和控制功能的更加分散性（一直分散到現場設備上）。因此，FCS中的現場儀表與*代智能儀表相比主要特點如下：

（1）總線化儀表必須全數字化：全數字信息的雙向傳送和提高儀表精度，增強抗干擾能力；

（2）為了支持FCS將控制功能分散到現場設備一層，總線化現場儀表必須具有一定的控制功能，因此較之*代智能變送器，總線化現場儀表應具有更高的智能化水平；

（3）為了使總線化現場儀表中的控制功能的公共特性標準化，往往定義標準功能塊。以FF總線為例，FF定義了10個基本和19個特殊功能塊，這些被置人現場儀表的功能塊可以通過總線被控制系統調用，利用“拖拽”技術極為方便地組態成所需要的控制方案；

（4）為了支持FCS的開放性、可互操作性和互換性，現場儀表的制造廠家在向用戶提供儀表時，一般還通過CD-ROM的形式提供給用戶設備描述DD，它是一種采用既定總線標準規定的“設備描述語言”（DDL）編寫的機器可讀的電子設備數據文件。

總而言之，總線化現場儀表功能豐富，在FCS中，幾乎不存在單一功能的現場儀表。如橫河川儀生產的EJA系列FF現場總線壓力變送器，具有兩個相互獨立的AI（模入）功能模塊，分別計算差壓和靜壓。它的自診斷不但可以檢測出壓力超界、環境溫度過高、量程設置錯誤，而且還能檢測出壓力傳感器、溫度傳感器以及放大器、模塊等硬件故障；再如Fisher-Rosemount公司的FIELDVUEDVC5000f系列是一種典型的總線化調節閥門控制器，它采用FF總線通信協議，實現閥門與系統的雙向通信及自診斷功能。它內置PID和AO（模出）功能塊，實現了通過PID運算并根據運算結果調控閥門工作的功能。除此之外，還能提供如下報警信息：提供閥門的行程、輸入電流、行程報警、行程累計和故障報警等；提供自診斷信息：閥門特性測試、閥座關閉壓力、執行機構預置工作壓力范圍、閥門摩擦力和動態誤差帶測試分析數據。ValveLink軟件和設備管理系統AMS的ValveLinkSnapOn軟件通過處理這些寶貴的信息，可對閥門的工作狀態做出及時的診斷，從而將定期維修和臨時維修改進為預防性維修。

4、嵌入式智能儀表

嵌入式Internet技術在工業過程控制中的一個重要應用是實現對遠程現場設備的狀態監控，Internet將從zui初的PersonaltoPersonal發展到PersonaltoDevice，DevicetoDevice時代，智能將下移到設備，大量的嵌入式設備將連接到Internet。

新一代智能儀表——IP智能現場儀表（見圖1）基于嵌入式Web服務器技術，支持HTTP/TCP/UDP/IP等通信協議，并采用以太網標準接口，實現了現場設備和Internet的直接通信。IP智能現場儀表解決了設備的直接上網問題，通過分配正確的IP地址，授權用戶就可以在任意Internet終端實現對被控設備的訪問和控制。

目前，惠普公司生產的嵌人式以太網控制器具有10-BaseT以太網接口，運行FTP/HTTP/TCP/UDP協議，應用于傳感器、驅動器等現場設備。國內的東大阿爾派公司為自己的CT產品開發了遠程維修診斷系統。美國OPT022公司采用嵌入式Intemet技術，研制開發了“以太網I/O系統”——SNAPI/O系統，通過Internet對分布在遠程設備現場的I/O口進行訪問，從而實現對遠程設備的監測和控制。對I/O的讀寫控制是通過標準Web瀏覽器實現的（如圖2所示），提供對SNMP、RDP、PPP、HTML、XML、WML及HDML等協議的支持。

圖3顯示了基于嵌入式Internet的控制網絡體系結構。其特點是：首先，Ethernet貫穿于整個網絡的各個層次，它使網絡成為透明的、覆蓋整個企業范圍的應用實體。它實現了真正意義上的辦公自動化與工業自動化的無縫結合，因而我們稱它為扁平化的工業控制網絡，其良好的互連性和可擴展性使之成為一種真正意義上的全開放的網絡體系結構，一種真正意義上的大統一。因此，基于嵌入式Internet的控制網絡代表了新一代控制網絡發展的必然趨勢，新一代智能儀表——IP智能現場儀表的應用將越來越廣泛。

5、結束語

從工業儀表尤其是工業現場儀表的智能化、總線化的進程，我們不難看出計算機和現代儀表的相互包容，計算機網絡與儀表網絡的融合性?，F場總線是一種底層計算機網絡，也是現場儀表與設備之間的通信網絡。儀表的智能化技術不但改善了儀表本身的性能，還影響到了控制網絡的體系結構。

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