化工廠中的智能傳感器

一般的傳感器只能作為敏感元件，須配上變換儀表來(lái)檢測(cè)物理量、化學(xué)量等的變化。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了智能傳感器。智能傳感器采用超大規(guī)模集成電路，利用嵌入軟件協(xié)調(diào)內(nèi)部操作，在完成輸入信號(hào)的非線性補(bǔ)償、零點(diǎn)錯(cuò)誤、溫度補(bǔ)償、故障診斷等基礎(chǔ)上，還可完成對(duì)工業(yè)過(guò)程的控制，使控制系統(tǒng)的功能進(jìn)一步分散。

智能傳感器集成了傳感器、智能儀表全部功能及部分控制功能，具有很高的線性度和低的溫度漂移，降低了系統(tǒng)的復(fù)雜性、簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。特點(diǎn)如下：

● 一定程度的人工智能是硬件與軟件的結(jié)合體，可實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)功能，更能體現(xiàn)儀表在控制系統(tǒng)中的作用。可以根據(jù)不同的測(cè)量要求，選擇合適的方案，并能對(duì)信息進(jìn)行綜合處理，對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè)。

● 多敏感功能將原來(lái)分散的、各自獨(dú)立的單敏傳感器集成為具有多敏感功能的傳感器，能同時(shí)測(cè)量多種物理量和化學(xué)量，全面反映被測(cè)量的綜合信息。

● 精度高、測(cè)量范圍寬隨時(shí)檢測(cè)出被測(cè)量的變化對(duì)檢測(cè)元件特性的影響，并完成各種運(yùn)算，其輸出信號(hào)更為精確，同時(shí)其量程比可達(dá)100:1，最高達(dá)400:1，可用一個(gè)智能傳感器應(yīng)付很寬的測(cè)量范圍，特別適用于要求量程比大的控制場(chǎng)合。

● 通信功能可采用標(biāo)準(zhǔn)化總線接口，進(jìn)行信息交換，這是智能傳感器的關(guān)鍵標(biāo)志之一。

智能傳感器的出現(xiàn)將復(fù)雜信號(hào)由集中型處理變成分散型處理，即可以保證數(shù)據(jù)處理的質(zhì)量，提高抗干擾性能，同時(shí)又降低系統(tǒng)的成本。它使傳感器由單一功能、單一檢測(cè)向多功能和多變量檢測(cè)發(fā)展，使傳感器由被動(dòng)進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換向主動(dòng)控制和主動(dòng)進(jìn)行信息處理方向發(fā)展，并使傳感器由孤立的元件向系統(tǒng)化、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展。

化工廠中的智能傳感器與儀表工程

圖1為化工廠某儀表工程項(xiàng)目示意圖，液體通過(guò)閥門定位器進(jìn)入化工槽罐，在進(jìn)口管道中安裝了電磁流量計(jì)，以進(jìn)行瞬時(shí)流量和累計(jì)流量的控制；在化工槽罐底部安裝了壓力傳感器，以進(jìn)行液位的檢測(cè)。該項(xiàng)目由于在化工現(xiàn)場(chǎng)，需要本質(zhì)安全型儀表，且需要進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，控制精度要求高。

圖1、化工廠某儀表工程項(xiàng)目的示意圖

根據(jù)工程需要，結(jié)合西門子PLC控制的實(shí)際情況，化工廠儀表工程項(xiàng)目可以按照如圖2進(jìn)行控制系統(tǒng)構(gòu)建。

圖2、控制系統(tǒng)構(gòu)建

該控制系統(tǒng)中，DP/PA耦合器是PROFIBUS-DP和PROFIBUS-PA兩種總線的結(jié)合點(diǎn)和物理連接器。DP/PA耦合器可以單獨(dú)使用，也可以和DP Link配合使用，在本項(xiàng)目中單獨(dú)使用即可。

D P / PA耦合器有兩種型號(hào)， 即Exi DP/PA耦合器和FDC 157-0 DP/PA耦合器，前者最大輸出電流110mA，用于防爆場(chǎng)合；后者最大輸出電流為1000mA。由于控制柜安裝在中央控制室，只有傳感器和執(zhí)行器安裝在現(xiàn)場(chǎng)，需要本安型現(xiàn)場(chǎng)儀表，因此從經(jīng)濟(jì)的角度出發(fā)選擇FDC 157-0 DP/P耦合器。

壓力傳感器選型 SITRANS P DSⅢ為智能數(shù)字壓力變送器，帶有HART、PROFIBUS PA或FF總線通訊，具有按鍵操作、診斷功能以及高精度等特點(diǎn)（如圖3所示）。該智能壓力變送器主要用于壓力、壓差、絕壓和液位測(cè)量，具有特殊的安全標(biāo)準(zhǔn)。

圖3、壓力傳感器SITRANS P DSIII

SITRANS P智能壓力變送器先進(jìn)的診斷功能有：

● 雙時(shí)間寄存器可以設(shè)置何時(shí)需要預(yù)防維護(hù)或是校準(zhǔn)的提示信號(hào)。

● 可以任意調(diào)節(jié)的三個(gè)極限值，這就意味著可以執(zhí)行預(yù)設(shè)定報(bào)警或溫度監(jiān)控。

● 超限記錄：采用不可恢復(fù)的瞬間實(shí)際值記錄壓力的最大/最小值，傳感器溫度和電子單元的溫度。記錄信息也包括SITRANS P的狀態(tài)、進(jìn)程和環(huán)境溫度等。

● 仿真功能：使變送器可以對(duì)傳感器后面的電子部分和整個(gè)回路進(jìn)行檢查，例如對(duì)于開車前的系統(tǒng)調(diào)試。這提供了重要的信息：變送器電子部分是否正常工作? 多少壓力時(shí)產(chǎn)生超限響應(yīng)？控制回路是否正常工作？所有顯示功能是否起作用？

● 簡(jiǎn)單的即插即用功能：在現(xiàn)場(chǎng)，如果變送器在電子或測(cè)量單元出現(xiàn)故障，可以只替換故障的部件，無(wú)需重新校準(zhǔn)。

● 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)校更容易：DS III系列智能變送器具有獨(dú)特的就地按鈕。通過(guò)就地按鈕，可對(duì)變送器進(jìn)行各種功能組態(tài)，如零點(diǎn)調(diào)整、加壓和不加壓的測(cè)量上下限的設(shè)定、單位選擇、阻尼設(shè)定、輸出選擇等。此外，由于就地按鈕采用磁感應(yīng)原理，因而即使在危險(xiǎn)場(chǎng)所，無(wú)需打開變送器表蓋，無(wú)需采用任何專用工具，也可以調(diào)整參數(shù)，運(yùn)用自如。此外還可以鎖定組態(tài)按鈕，以避免誤操作。

流量傳感器選型 在本安類型中，SITRANS FM系列電磁流量計(jì)擁有滿足ATEX和FM認(rèn)證的各個(gè)量程的類型，包括分體式和一體式安裝。它具有本質(zhì)安全級(jí)輸入輸出、符合NAMUR NE 21、多信息和多語(yǔ)言顯示、實(shí)時(shí)流量和累積正反向流量、高級(jí)的自診斷功能和出錯(cuò)記錄。在化學(xué)工業(yè)中常常具有苛刻環(huán)境，因而要求使用寬范圍防腐材質(zhì)。西門子SITRANS FM提供的襯里、電極和外殼材質(zhì)都可以經(jīng)受住如此苛刻的過(guò)程介質(zhì)的腐蝕。

圖4、氣動(dòng)閥門定位器

門定位器選型 如圖4 所示的SIPART PS2系列閥門定位器具有以下特點(diǎn)：

● 自動(dòng)初始化。SIPART PS2可以在很短的幾分鐘內(nèi)，通過(guò)簡(jiǎn)單的菜單進(jìn)行自動(dòng)初始化設(shè)定。在這個(gè)過(guò)程中，微處理器可以自己確定零點(diǎn)、終點(diǎn)位置、運(yùn)動(dòng)方向和速度。從這些項(xiàng)可以確定最小脈沖時(shí)間和死區(qū)并且進(jìn)行優(yōu)化控制。

● 低耗氣量。SIPART PS2的另一個(gè)顯著的特點(diǎn)是極低的耗氣量，傳統(tǒng)的閥門定位器在工作中會(huì)有很多儀表空氣的排放或泄漏，造成儀表空氣的較大需求，產(chǎn)生高的運(yùn)行成本。由于新壓電閥的技術(shù)，SIPART PS2在閥門不動(dòng)作時(shí)不會(huì)有任何儀表空氣排放，只在最需要的時(shí)間（即閥門動(dòng)作的時(shí)候）用氣。

● 豐富的診斷功能。新型的SIPART PS2可以提供更多的參數(shù)和附加診斷信息，包括工作時(shí)間記錄、當(dāng)前溫度、最小/最大溫度、每個(gè)溫度段的工作時(shí)間、在線控制閥座（上、下行程位置）、監(jiān)視或顯示可調(diào)閾值等。

閥門定位器的選型結(jié)束后就是安裝接線，如圖5所示為儀表PA總線接線。

圖5、儀表PA總線接線

結(jié)論

隨著復(fù)雜過(guò)程工業(yè)的不斷發(fā)展，工業(yè)過(guò)程控制對(duì)大量現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的采集、傳遞和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換以及對(duì)精度、可靠性、管控一體化都提出了更新、更高的要求。

● 智能傳感器和現(xiàn)場(chǎng)總線是組成智能傳感器與儀表控制系統(tǒng)的兩個(gè)重要部分

智能傳感器與儀表控制系統(tǒng)用現(xiàn)場(chǎng)總線在控制現(xiàn)場(chǎng)建立一條高可靠性的數(shù)據(jù)通信線路，實(shí)現(xiàn)各智能傳感器之間及智能傳感器與主控機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信，把單個(gè)分散的智能傳感器變成網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。智能傳感器中的數(shù)據(jù)處理有助于減輕主控站的工作負(fù)擔(dān)，使大量信息就地處理，減少了現(xiàn)場(chǎng)儀表與主控站之間的信息往返，降低了對(duì)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信容量的要求。經(jīng)過(guò)智能傳感器預(yù)處理的數(shù)據(jù)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線匯集到主機(jī)上，進(jìn)行更高級(jí)的處理（主要是系統(tǒng)組態(tài)、優(yōu)化、管理、診斷、容錯(cuò)等），使系統(tǒng)由面到點(diǎn)，再由點(diǎn)到面，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行分析判斷，提高了系統(tǒng)的可靠性和容錯(cuò)能力。

● 智能傳感器與一般傳感器的區(qū)別

以數(shù)字化通信為傳輸方式的智能傳感器與一般傳感器相比，需有以下功能：

1、共用一條總線傳遞信息，具有多種計(jì)算、數(shù)據(jù)處理及控制功能，從而減少主機(jī)的負(fù)擔(dān)。取代4-20mA模擬信號(hào)傳輸，實(shí)現(xiàn)傳輸信號(hào)的數(shù)字化，增強(qiáng)信號(hào)的抗干擾能力。

2、采用統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)化協(xié)議，成為現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)傳感器與執(zhí)行器之間信息交換。系統(tǒng)可對(duì)之進(jìn)行校驗(yàn)、組態(tài)、測(cè)試，從而改善系統(tǒng)的可靠性。接口標(biāo)準(zhǔn)化，具有“即插即用”特性。

智能傳感器是未來(lái)工業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)的主流產(chǎn)品，將對(duì)傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和方法帶來(lái)革命性的變化。