型儀表的發(fā)展與應(yīng)用

　　目前在化工工業(yè)中型儀表的應(yīng)用越來越普及，化工生產(chǎn)過程中各參數(shù)的測量控制都應(yīng)用到型儀表，型儀表不但表現(xiàn)出單表本身zuoyue的性能，更因有可與計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)字通訊能力進(jìn)一步拓展了其應(yīng)用范圍。本文結(jié)合型儀表在生產(chǎn)中的應(yīng)用，探討型儀表的發(fā)展和應(yīng)用中應(yīng)注意的幾個問題。
1．何謂型儀表
　　型儀表是以微處理器為中央控制單元能完成物理信號的輸入輸出、信號轉(zhuǎn)換和計(jì)算機(jī)控制等功能，并可與外界通訊的儀器儀表。我們通常把部分國外jin口的儀表銘牌上標(biāo)有SMART標(biāo)記或有HART標(biāo)記的認(rèn)為是型儀表；但是在使用過程中部分儀表雖未標(biāo)明型，但儀表本身具有通過按鍵進(jìn)行g(shù)e種參數(shù)設(shè)定或可按一ding的通訊協(xié)議與外部進(jìn)行數(shù)字通訊的，也被認(rèn)為是型儀表。
2．型儀表相比常規(guī)儀表的優(yōu)點(diǎn)
　　1）先 的微處理技shu，高性能的集成芯片，功能強(qiáng)大，性能優(yōu)越。
　　2）可kao性與精度較高，穩(wěn)定性好，長期工作維護(hù)量小。
　　3）具有雙向通訊能力。
　　4）適用范圍廣，可在線修改參數(shù)，具有內(nèi)部計(jì)算、數(shù)據(jù)存儲、自診斷、自校驗(yàn)等ge種功能。
　　5）具有大量的管理信息，可供用戶參考。
3．型儀表的發(fā)展經(jīng)歷的幾個階段
　　型儀表是現(xiàn)代控制技shu、通訊技shu、計(jì)算機(jī)技shu、制造技shu發(fā)展的bi然結(jié)果，它大致經(jīng)歷了三個階段。
　�。�1）模擬式儀表的發(fā)展階段。
　　　普通模擬式儀表的發(fā)展經(jīng)過電II型（供電電壓交流220V，輸出電流0~10mA）和電III型（供電電壓直流24V ，輸出電流4~20mA）兩個階段。電III型儀表雖在體積、功耗和測量精度方面有了較大ti gao。但是20世紀(jì)70年代DCS的問世與快SU發(fā)展，模擬儀表自身的 te性和缺點(diǎn)凸顯出來。主要有:
　　　1）模擬式儀表測量與控制精度較低，一般在0.5~1.5之間；
　　　2）模擬式儀表的功能比較單一，測量參數(shù)，輸出變量可選性不強(qiáng)；
　　　3）模擬儀表的零點(diǎn)、量程調(diào)整會相互影響，零點(diǎn)量程調(diào)整時需反復(fù)進(jìn)行，儀表調(diào)試維護(hù)量較大。
　　　4）每路模擬信號的傳輸bixu使用一對信號線，并且存在傳輸過程信號衰減、精度降低、干擾信號的引入等長期難以解決的問題，嚴(yán)重影響了其計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的連接。為了解決此問題，儀表廠商積ji研發(fā)更適合當(dāng)今生產(chǎn)需求的新型化儀表。
　�。�2）型儀表的起源。
　　　為了實(shí)現(xiàn)模擬信號的遠(yuǎn)距離傳送，并將多個現(xiàn)場變送器的模擬信號通過一對信號線傳送到控制中心，美國Rosement（羅斯蒙 te公司）于1986年開發(fā)出一種將模擬信號調(diào)制成數(shù)字調(diào)頻信號，并用數(shù)字調(diào)頻信號實(shí)現(xiàn)傳輸?shù)腍ART（Highway Addressable Remote Transducer）協(xié)議，在現(xiàn)場安裝的儀表是一種被稱為“Smart Field Instrument”的型儀表，Smart儀表可以用一對傳輸線同時送出4~20mA和FSK頻移鍵控兩種信號，實(shí)現(xiàn)控制中心與儀表之間的雙向通信。并開發(fā)出HART手持通訊器，方便地實(shí)現(xiàn)儀表與通訊器之間的雙向通訊。
　　　值得一提的是，美國另一大儀表生產(chǎn)商Honeywell（霍尼韋爾公司）1984年也開發(fā)出新型儀表，可設(shè)定模擬4~20mA輸出或數(shù)字輸出模式（DE模式），以便與DCS實(shí)現(xiàn)數(shù)字通訊。STS—103手持式通訊器方便用于Honeywell系列儀表的組態(tài)和調(diào)試。
目前，世界上jue大多數(shù)儀表生產(chǎn)商生產(chǎn)的型儀表的通訊方式采用HART協(xié)議，如：ABB，E+H，Siemens等。
（3）型儀表的飛速發(fā)展階段。
　　由于型儀表功能上明顯的優(yōu)點(diǎn)，進(jìn)年來，化工工業(yè)的四大參數(shù)壓力、溫度、液位、流量測量及成分測量、閥位控制等都廣fan用到型儀表，DCS的推廣與應(yīng)用，也帶動型儀表的長足發(fā)展和常規(guī)儀表的更新?lián)Q代。因型儀表可與DCS進(jìn)行數(shù)字通訊，在DCS操作界面上能方便地進(jìn)行故障檢查和參數(shù)修正等工作；型儀表的推廣越來越普及，也大大的促進(jìn)國內(nèi)儀表廠商積ji開發(fā)型儀表，開發(fā)出一些符合HART協(xié)議和以微處理器為基礎(chǔ)與上位機(jī)聯(lián)網(wǎng)通訊的型儀表產(chǎn)品；隨著儀表化程度的ti gao和微處理器功能的加強(qiáng)，現(xiàn)在儀表的功能已不jin限于數(shù)據(jù)采集，還越來越多的加入遠(yuǎn)程控制功能。
4．型儀表的通訊
　　型儀表的數(shù)字通訊技shu，克服了以往模擬儀表的數(shù)據(jù)傳輸方面的不足，更加適應(yīng)了計(jì)算機(jī)的發(fā)展要求，也促進(jìn)了型儀表本身的發(fā)展。目前型儀表的通訊模式主要有以下幾種。
　�。�1）HART通訊協(xié)議
　　　它是Rosemouent公司于1985年開發(fā)出一種將模擬信號調(diào)制成數(shù)字調(diào)頻信號，并用數(shù)字調(diào)頻信號實(shí)現(xiàn)傳輸?shù)膮f(xié)議。在現(xiàn)場安裝的儀表是被稱為“Smart Field Instrument”,其中包括1個調(diào)制解調(diào)器，可以將4~20mA的信號調(diào)制成符合BELL202標(biāo)準(zhǔn)的FSK頻移鍵控信號。其通訊原理：將要傳送的數(shù)據(jù)信息用1mA的P—P交流信號調(diào)節(jié)4~20mA直流回路電路。因?yàn)閭鬏斀涣麟娦盘柕钠骄�值�?，所以調(diào)節(jié)信號對輸出沒有干擾，因此在不中斷傳輸信號的情況下，完成了zhen正的同步通訊。Smart儀表可以用一對傳輸線同時送出4~20 mA和FSK 兩種信號。按標(biāo)準(zhǔn)儀表接法，接線是點(diǎn)對點(diǎn)的，而將多個Smart儀表共線連接，則可使用FSK數(shù)字信號并通過MODEM將信號送入計(jì)算機(jī)。HART協(xié)議不jin可用數(shù)字信號實(shí)現(xiàn)測量值的傳遞外，還可使用設(shè)備說明語言DDL（Device Description Language）實(shí)現(xiàn)控制中心與儀表之間的雙向通信。
　　（2）DE通訊協(xié)議
　　　它是Honeywell公司于1984年開發(fā)的一種其式儀表家族（SFI）與其上位機(jī)或現(xiàn)場通訊器（STC）之間的數(shù)字通訊協(xié)議，SFC可設(shè)定儀表的通訊方式是模擬方式或數(shù)字方式。當(dāng)SFC連接到SFI并打開電源時，它能自動檢測是何種變送器，并開發(fā)出通信請求，應(yīng)答被送到SFC上，這時SFC和SFI之間開始通訊。
STS103/SFI之通訊過程為半雙工主從式通訊方式（在同一時間數(shù)據(jù)只在一個方向傳送，傳送到變送器或到STS103）。STS103與模擬變送器的數(shù)據(jù)傳輸過程：STS103shou先發(fā)出一個26mA訪問脈沖，使變送器處于通訊模式，此脈沖也使回路電流降到4mA，數(shù)據(jù)開始在STS103和STI之間進(jìn)行交換。因?yàn)橥ㄓ崟r回路中的電流會改變，模擬通訊前變送器的回路應(yīng)置于手動狀態(tài)。數(shù)字通訊時也使用半雙工方式傳輸數(shù)據(jù)：DE通訊使用16mA脈沖信號，它對4~20mA電流信號有干擾。當(dāng)變送器工作在DE模式時，就不需要脈沖信號了，因此，當(dāng)處于DE工作模式時，手動操作是不需要的。當(dāng)處于數(shù)字模式時，回路中的電壓、電流表將不顯示輸出。
　�。�3）化設(shè)備
　　　型儀表的通信一般使用串行通信或現(xiàn)場總線。在串行通訊中常用RS-232和RS-485接口。當(dāng)串行通訊建立后，型儀表的動力直接來源于串行端口，無須外部供電。RS-232接口為點(diǎn)對點(diǎn)式連接，這種方式不能實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)功能，而且通信線不允許很長，因此目前采用較少，而多數(shù)采用RS-485接口。 RS-485允許多臺設(shè)備共用線路，而且通信線路較長。RS-485采用差動方式傳動信號，并ti gao了傳輸電平，因此抗共模干擾能力fei 常強(qiáng)，適用于在現(xiàn)場使用。實(shí)際上RS-485就是一種只有物理層通信的現(xiàn)場總線。
5．型儀表的應(yīng)用
　�。�1）型儀表的安裝
　　　a.傳感器的安裝地點(diǎn)，主要考慮安裝現(xiàn)場環(huán)境條件，如溫度、濕度、腐蝕性、振動等，盡量減小振動和溫度影響，遠(yuǎn)離電磁干擾源（電機(jī)、變壓器）。
　　　b.安裝傳感器時應(yīng)有固定良好的支撐，不能以傳感器及外殼做支撐。并將流量管固定，不能傾斜，以免產(chǎn)生虛假流量。
　　　c.對于不同的傳感器，根據(jù)要求確定是垂直，還是水平安裝。
　　　d.嚴(yán)格按使用手冊要求進(jìn)行電纜接線，確保接線正確并注意屏蔽。
　�。�2）應(yīng)用過程中應(yīng)注意的問題
　　　A.型儀表的使用電壓和環(huán)境溫度要考慮
　　　　a.一般型儀表的使用電壓較寬，但超出其通訊要求范圍的電壓將使型儀表不能與外進(jìn)行數(shù)字通訊。
　　　　b.使用環(huán)境溫度和濕度要考慮。型儀表大多都規(guī)定了在正常工作狀態(tài)下的環(huán)境溫度，在嚴(yán)寒高緯度的地區(qū) te別要注意其選型，使用過程中可加電拌熱和保溫加以解決。在濕度較大的地區(qū)，要注意密封，防zhi水分在印刷電路板上凝結(jié)。
　　　B.型儀表的選用要與控制系統(tǒng)匹配
　　　　例如：Fisher DVC5000系列數(shù)字式閥門控制器輸入阻抗大約在600歐姆，而常規(guī)式閥門控制器一般輸入阻抗為250歐姆，這將造成某些控制系統(tǒng)卡件不能驅(qū)動數(shù)字閥門控制器，HART通訊器也不能通訊。通過安裝HARTzhuan用濾波器才能得到解決。
　　　C.型儀表的靜電防護(hù)
　　　　儀表在維修過程中其內(nèi)部的CMOS和混合式集成電路易受到靜電的影響而損壞。因此，為了減少儀表的維修成本，ti gao其穩(wěn)定性和可kao性，在維修中bixu采取bi要的靜電防護(hù)措施，靜電防護(hù)的基本原則：一是盡可能阻止（降低）靜電產(chǎn)生的可能性和減少靜電電荷的積累；二是讓靜電荷能及時得以泄放。
　　目前，我國化工廠的儀表大多是既有模擬信號輸出，又有數(shù)字信號輸出的過渡性產(chǎn)品，傳輸信號基本上仍是4~20mA模擬信號，數(shù)字通信也jin限于組態(tài)、校驗(yàn)、診斷輔助信息的通信。隨著現(xiàn)場總線技shu的推廣應(yīng)用，現(xiàn)場型儀表將實(shí)現(xiàn)完全數(shù)字化、化。