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工业现场仪表智能化技术研究

2011/9/29 11:20:50  来源:中国计量测控网 
字号: 13号字 16号字

  工业过程自动化是通过自动化仪表、自动化技术与生产工艺及设备的有机结合来实现的,因此,工业自动化仪表与系统是仪器仪表工业最主要的一类。当前,国际上自动化仪表与系统正进行着一场新的“变革”,即仪表的智能化、数字化、网络化与开放性。

  1、我国工业自动化仪表智能化的策略及现状

  仪表智能化指采用超大规模集成电路和微处理器技术,利用嵌入式软件协调内部操作,使仪表具有智能的功能,在完成输入信号的非线性、温度与压力的补偿、量程刻度标尺的变换、零点错误、故障诊断等基础上,还可完成对工业过程的控制,使控制系统的功能进一步分散。这类产品以数字显示形式出现,不但大大提升了仪表性能,而且便于信息通信,可通过网络组成新型的过程控制系统。因此,仪表的智能化、数字化呼唤新型的控制系统,而新兴的现场总线技术采用计算机数字化通信技术,使自动控制系统与现场设备加入工厂信息网络,成为企业信息网络底层,可使智能仪表的作用得以充分发挥;另一方面,现场仪表的智能化、总线化则是在工业过程控制领域中能否真正实现现场总线技术的关键。

  90年代初,仪表行业组织了DDZ-S系列仪表的联合开发,解决了控制仪表的数字化问题。同时,国内有关仪表厂引进了单回路调节器、电容式和扩散硅式变送器、DCS、执行结构等新技术,并开展了国产化工作。“九五”期间,跟踪国际潮流,现场总线智能仪表与系统成为发展的热点。HART智能仪表开发成功;FF智能仪表关键技术突破;Lon智能开展网络产品的开发与应用发展迅速;CAN总线、Profibus总线产品的应用已取得成效。

  现场总线智能仪表的标准制定伴随“九五”攻关同时进行,一批标准已完成。我国现场总线智能仪表与自动化网络系统的发展有了良好的起步。

  “十五”技术及产品结构调整的目标是:基于现场总线的产品技术水平达到90年代国外先进水平,销售额占到国产仪表销售额的30%,面向市场,推进仪表与系统的数字化、智能化、网络化。

  2、仪表的智能化过程

  仪表的智能化首先从控制器开始。可编程单回路调节器是这类智能仪表的代表,如山武-霍尼威尔公司SSC系列的KMM(最近有SDC40B);横河公司YS-80系列(最近有YS170)的SLPC等。可编程单回路调节器是以微处理器作为运算控制器的核心,它主要接收和输出标准的、连续的电模拟量信号,可由用户编制程序,组成各种数字式过程调节装置。它将回路控制、数字运算、逻辑运算及通信等多种功能集于一体,通过编制程序,可以实现不同的功能。

  过程控制系统自动化中的现场设备通常称为“现场仪表”。现场仪表主要有变送器、执行器、在线分析仪表及其它检测仪表。现场仪表与主控仪表/系统日新月异的变化相比,相对滞后,变化不大。但当现场总线技术出现后,现场仪表智能化与总线化就尤为迫切。因此,各现场总线控制系统制造厂家为了使自己的现场总线控制系统(FCS)能得到应用,纷纷推出与其控制系统配套的具有现场总线功能的测量仪表和调节阀,形成完整的现场总线控制系统。

  3、现场仪表的智能化与总线化

  首先以智能变送器来说明现场仪表的智能化进程。

  智能变送器集成了智能仪表全部功能及部分控制功能,具有很高的线性度和较低的温度漂移,降低了系统的复杂性、简化了系统结构。智能变送器具有一定的人工智能,可实现自学习功能等;可集成为多敏感元件的变送器,能同时测量多种物理量和化学量,全面反映被测量的综合信息;精度高,测量范围宽,其量程比最高可为400:1,能应付很宽的测量范围,特别适用于要求量程比大的场合;可采用标准化的通信接口进行信息交换,这是智能变送的关键标志之一。智能化使变送器由单一功能向多功能和多变量检测发展,由被动进行信号转换向主动控制和主动进行信息处理方向发展,由孤立元件向系统化、网络化发展。

  第一代智能变送器主要以提高性能为主,一般为模数混合式仪表。这是因为在大量应用的DCS系统中,现场一级仍保留着4~20mA模拟信号和“一对一”的单向信号传输模式。第一代智能变送器使仪表的性能与精度得到了大大的提升,但在检测信号上仍属被动型。

  第二代智能变送器在第一代智能变送器的基础上,实现由被动进行信号检测转换向主动控制和主动进行信息处理方向发展,由孤立的检测变送单元向系统化、网络化发展。智能变送器属于现场设备,将它们和其它的各种现场上的设备与上一级的监控装置连接在一起形成的全数字化的、串行、双向、多站的网络通信系统,这就是现场总线网络控制系统(FCS)。

  FCS的技术特点主要是系统的更加开放性和控制功能的更加分散性(一直分散到现场设备上)。因此,FCS中的现场仪表与第一代智能仪表相比主要特点如下:

  (1)总线化仪表必须全数字化:全数字信息的双向传送和提高仪表精度,增强抗干扰能力;

  (2)为了支持FCS将控制功能分散到现场设备一层,总线化现场仪表必须具有一定的控制功能,因此较之第一代智能变送器,总线化现场仪表应具有更高的智能化水平;

  (3)为了使总线化现场仪表中的控制功能的公共特性标准化,往往定义标准功能块。以FF总线为例,FF定义了10个基本和19个特殊功能块,这些被置人现场仪表的功能块可以通过总线被控制系统调用,利用“拖拽”技术极为方便地组态成所需要的控制方案;

  (4)为了支持FCS的开放性、可互操作性和互换性,现场仪表的制造厂家在向用户提供仪表时,一般还通过CD-ROM的形式提供给用户设备描述DD,它是一种采用既定总线标准规定的“设备描述语言”(DDL)编写的机器可读的电子设备数据文件。

  总而言之,总线化现场仪表功能丰富,在FCS中,几乎不存在单一功能的现场仪表。如横河川仪生产的EJA系列FF现场总线压力变送器,具有两个相互独立的AI(模入)功能模块,分别计算差压和静压。它的自诊断不但可以检测出压力超界、环境温度过高、量程设置错误,而且还能检测出压力传感器、温度传感器以及放大器、模块等硬件故障;再如Fisher-Rosemount公司的FIELDVUEDVC5000f系列是一种典型的总线化调节阀门控制器,它采用FF总线通信协议,实现阀门与系统的双向通信及自诊断功能。它内置PID和AO(模出)功能块,实现了通过PID运算并根据运算结果调控阀门工作的功能。除此之外,还能提供如下报警信息:提供阀门的行程、输入电流、行程报警、行程累计和故障报警等;提供自诊断信息:阀门特性测试、阀座关闭压力、执行机构预置工作压力范围、阀门摩擦力和动态误差带测试分析数据。ValveLink软件和设备管理系统AMS的ValveLinkSnapOn软件通过处理这些宝贵的信息,可对阀门的工作状态做出及时的诊断,从而将定期维修和临时维修改进为预防性维修。

  4、嵌入式智能仪表

  嵌入式Internet技术在工业过程控制中的一个重要应用是实现对远程现场设备的状态监控,Internet将从最初的PersonaltoPersonal发展到PersonaltoDevice,DevicetoDevice时代,智能将下移到设备,大量的嵌入式设备将连接到Internet。

  新一代智能仪表——IP智能现场仪表(见图1)基于嵌入式Web服务器技术,支持HTTP/TCP/UDP/IP等通信协议,并采用以太网标准接口,实现了现场设备和Internet的直接通信。IP智能现场仪表解决了设备的直接上网问题,通过分配正确的IP地址,授权用户就可以在任意Internet终端实现对被控设备的访问和控制。

  目前,惠普公司生产的嵌人式以太网控制器具有10-BaseT以太网接口,运行FTP/HTTP/TCP/UDP协议,应用于传感器、驱动器等现场设备。国内的东大阿尔派公司为自己的CT产品开发了远程维修诊断系统。美国OPT022公司采用嵌入式Intemet技术,研制开发了“以太网I/O系统”——SNAPI/O系统,通过Internet对分布在远程设备现场的I/O口进行访问,从而实现对远程设备的监测和控制。对I/O的读写控制是通过标准Web浏览器实现的(如图2所示),提供对SNMP、RDP、PPP、HTML、XML、WML及HDML等协议的支持。

  图3显示了基于嵌入式Internet的控制网络体系结构。其特点是:首先,Ethernet贯穿于整个网络的各个层次,它使网络成为透明的、覆盖整个企业范围的应用实体。它实现了真正意义上的办公自动化与工业自动化的无缝结合,因而我们称它为扁平化的工业控制网络,其良好的互连性和可扩展性使之成为一种真正意义上的全开放的网络体系结构,一种真正意义上的大统一。因此,基于嵌入式Internet的控制网络代表了新一代控制网络发展的必然趋势,新一代智能仪表——IP智能现场仪表的应用将越来越广泛。

  5、结束语

  从工业仪表尤其是工业现场仪表的智能化、总线化的进程,我们不难看出计算机和现代仪表的相互包容,计算机网络与仪表网络的融合性。现场总线是一种底层计算机网络,也是现场仪表与设备之间的通信网络。仪表的智能化技术不但改善了仪表本身的性能,还影响到了控制网络的体系结构。

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