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    引言

    變送器是自動(dòng)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)，它既是獲取信息的傳感器，也是信息工業(yè)的源頭。目前，變送器已經(jīng)從模擬型、智能型發(fā)展到了現(xiàn)場(chǎng)總線型。

    智能型變送器(指采用HART、DE協(xié)議的變送器)是數(shù)字信號(hào)與模擬信號(hào)混合的變送器，它和DCS(分散控制系統(tǒng))的連接仍然采用兩線制。智能型變送器與DCS通信時(shí)，在DCS中還必須配有智能卡(數(shù)字檢測(cè)卡)，否則，即使是同一廠家的產(chǎn)品，也不能通信。不同廠家的DCS和智能型變送器之間一般不能進(jìn)行數(shù)字通信，絕大多數(shù)仍是4~20mA的模擬量傳輸。因此這種智能型變送器的互操作性差，智能作用也不大。隨著計(jì)算機(jī)、通信和微處理機(jī)技術(shù)的發(fā)展，控制系統(tǒng)發(fā)生了新的變革，產(chǎn)生了取代傳統(tǒng)DCS(指未吸納現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的DCS)的現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱FCS)。為了適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的要求，現(xiàn)場(chǎng)總線型變送器得到了迅速發(fā)展。

    一、特點(diǎn)

    現(xiàn)場(chǎng)總線型變送器與目前開(kāi)始廣泛使用的智能型變送器相比較，具有如下特點(diǎn)。

    (1) 全數(shù)字性

    現(xiàn)場(chǎng)總線作為一種數(shù)字式通信網(wǎng)絡(luò)從控制室一直延伸到生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，使過(guò)去采用點(diǎn)到點(diǎn)式的模擬量信號(hào)傳輸變?yōu)槎帱c(diǎn)一線的串行數(shù)字式傳輸。在現(xiàn)場(chǎng)總線型變送器中，不論是傳感器電路，還是轉(zhuǎn)換器電路，都是數(shù)字式的。不像智能型變送器那樣，既有數(shù)字電路，又有模擬電路。因而，現(xiàn)場(chǎng)總線型變送器的全數(shù)字性使得變送器的結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單，其分辨力、測(cè)量速度、穩(wěn)定性都高于智能型變送器。

    (2) 精確度高

    在智能型變送器中，其傳感器有的不是直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字的，而是把壓差作用在膜片上，使其產(chǎn)生位移，改變電容或電阻，先輸出電壓，再經(jīng)過(guò)模/數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換變成數(shù)字信號(hào)后，送微處理機(jī)。當(dāng)然，也有一些智能型變送器，壓差膜片的位移直接轉(zhuǎn)換成頻率信號(hào)，沒(méi)有A/D轉(zhuǎn)換器。但是，為了保留有4~20mA模擬信號(hào)，數(shù)/模(D/A)轉(zhuǎn)換器還都是存在的。所以，在智能型變送器中，其信號(hào)傳輸精確度在反復(fù)的A/D和D/A轉(zhuǎn)換中有所降低。而現(xiàn)場(chǎng)總線型變送器中不存在A/D和D/A轉(zhuǎn)換電路，所以不會(huì)產(chǎn)生A/D和D/A的轉(zhuǎn)換誤差，因而信號(hào)的傳輸精確度有所提高，故現(xiàn)場(chǎng)總線型變送器要比智能型變送器精確度高。

    (3) 抗干擾能力強(qiáng)

    在模擬型和智能型變送器中，信號(hào)是以4~20mA的連續(xù)形式存在的，信號(hào)值的變化可以無(wú)限小，因此，噪聲和信號(hào)畸變?cè)谀M信號(hào)傳輸中是無(wú)法避免的。也就是說(shuō)，變送器傳輸模擬信號(hào)時(shí)穩(wěn)定性較差，零點(diǎn)容易漂移。而在現(xiàn)場(chǎng)總線型變送器中，信號(hào)的有效值只有兩個(gè)：0或1，電平較高，一般的噪聲很難扭曲它，只有在很大的干擾出現(xiàn)時(shí)，才可能使信號(hào)發(fā)生畸變。所以，現(xiàn)場(chǎng)總線型變送器要比智能型變送器(當(dāng)它傳輸4~20mA模擬信號(hào)時(shí))的抗干擾能力強(qiáng)。

    (4) 內(nèi)嵌控制功能

    現(xiàn)場(chǎng)總線型變送器除了保持智能型變送器優(yōu)良的測(cè)量性能外，還增加了運(yùn)算和控制功能。在每臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)總線型變送器中都內(nèi)嵌有PID控制、邏輯運(yùn)算、算術(shù)運(yùn)算、累加等模塊，用戶通過(guò)組態(tài)軟件對(duì)這些功能模塊進(jìn)行任意調(diào)用，以實(shí)現(xiàn)參數(shù)的現(xiàn)場(chǎng)控制。由于現(xiàn)場(chǎng)總線型變送器就安裝在生產(chǎn)設(shè)備附近，使信號(hào)傳輸?shù)木嚯x大大縮短，這不但提高了回路的控制質(zhì)量，降低了回路的不穩(wěn)定性，而且還可取消控制柜，進(jìn)一步節(jié)省了控制室的空間。

    (5) 高速通信

    智能型變送器不論是采用HART通信協(xié)議，還是采用DE通信規(guī)程，其通信速率都不高，因此不能有效地實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制。現(xiàn)場(chǎng)總線型變送器要像4~20mA系統(tǒng)那樣實(shí)現(xiàn)閉環(huán)實(shí)時(shí)控制需要更高的通信速率。由于高速需要更大的電源消耗，這個(gè)要求就與本質(zhì)安全產(chǎn)生了矛盾。因而，需要選擇適當(dāng)?shù)耐ㄐ潘俾剩瓜到y(tǒng)的通信負(fù)荷盡可能小。

    現(xiàn)場(chǎng)總線型變送器采用通信調(diào)度系統(tǒng)來(lái)控制變量的采樣、算法的執(zhí)行和通信系統(tǒng)的優(yōu)化。如FF(Field Foundation, 現(xiàn)場(chǎng)總線基金會(huì))把數(shù)據(jù)分為周期性和非周期性兩部分：對(duì)周期性數(shù)據(jù)必須在系統(tǒng)所需的周期內(nèi)處理完畢；而對(duì)非周期性數(shù)據(jù)則可以在通信通道空閑時(shí)傳輸。這樣的通信調(diào)度就使得現(xiàn)場(chǎng)總線型變送器具有了和模擬型變送器一樣的通信速率，并達(dá)到了和模擬控制系統(tǒng)一樣的高速閉環(huán)控制性能。

    (6) 多變量測(cè)量

    所謂多變量測(cè)量是指一臺(tái)變送器可以同時(shí)測(cè)量多個(gè)過(guò)程變量。在過(guò)去的模擬通信方式中，測(cè)量一個(gè)變量就需要一對(duì)導(dǎo)線，因此，每臺(tái)變送器只能測(cè)量一個(gè)過(guò)程變量。而采用了現(xiàn)場(chǎng)總線通信方式后，由于每臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)總線型變送器內(nèi)配有多個(gè)感測(cè)元件，它就可以同時(shí)測(cè)量多個(gè)過(guò)程變量，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線傳輸出去。例如，在現(xiàn)場(chǎng)總線型流量變送器中，除了測(cè)量流體流量外，還可以測(cè)量過(guò)程壓力、溫度等多種變量；再例如，在現(xiàn)場(chǎng)總線型液位變送器中，除了測(cè)量容器的液位外，還可以測(cè)量介質(zhì)密度、容器內(nèi)壓力和溫度等多種變量。

    (7) 系統(tǒng)綜合成本低

    在4~20mA通信方式下，變送器只能測(cè)量一個(gè)物理變量，如果要將這個(gè)測(cè)量變量轉(zhuǎn)換為控制上必要的數(shù)據(jù)，還需要其他附屬的儀表。例如，測(cè)量帶有溫度和壓力補(bǔ)償?shù)恼羝髁繒r(shí)，需要3臺(tái)變送器分別測(cè)量溫度、壓力和壓差(流量)。而在現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)中，則只需要一臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)總線型變送器就可以了。這不但使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)大大簡(jiǎn)化，而且還降低了系統(tǒng)的綜合成本，減少了系統(tǒng)安裝和調(diào)試費(fèi)用。

    (8) 真正的互操作性

    現(xiàn)場(chǎng)總線通信方式正在向國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化推進(jìn)，標(biāo)準(zhǔn)化確保了互操作性的實(shí)現(xiàn)。所謂互操作性是指來(lái)自不同廠家的設(shè)備可以互相通信，并且可以在多廠家的環(huán)境中完成功能的能力。互操作性使不同廠家的設(shè)備可以互相使用，其控制系統(tǒng)的組成是自由的。凡是符合現(xiàn)場(chǎng)總線國(guó)際通信標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備，不論是哪一個(gè)廠家生產(chǎn)的都可以互相交換信息。這樣，用戶就不必圍繞著某一家儀表公司選擇設(shè)備，控制系統(tǒng)構(gòu)成的自由度大大增加，用戶能夠以最優(yōu)的性能/價(jià)格比構(gòu)成符合自己要求的控制系統(tǒng)。

    二、產(chǎn)品與應(yīng)用

    不少檢測(cè)儀表雖然在習(xí)慣上未被稱作變送器，但是，就其功能來(lái)說(shuō)仍有變送器的功能，例如氧量分析儀、電磁流量計(jì)、渦街流量計(jì)、超聲流量計(jì)等。目前，世界各大儀表生產(chǎn)廠都相繼推出了現(xiàn)場(chǎng)總線型變送器，通過(guò)FF認(rèn)證的變送器已經(jīng)有60多種，如SMAR公司的LD302、TT302；Rosemount公司的3051、3244MV、OXYMITTER4000、4081C/T、8742；FUJI公司的FFX-T系列、FFX-P系列；Yokogawa公司的EJA、YTA-302、YEWFLOW、EXAXTPH；Honeywell公司的FFOPTION、STT35F Fieldbus；Foxbro公司的IASPT10、RTT25、IAP10、IAP20；Endress+Hauser公司的CERABARS；ABB公司的600TEN等。

    現(xiàn)場(chǎng)總線型變送器現(xiàn)已開(kāi)始在國(guó)內(nèi)企業(yè)的控制系統(tǒng)中得到使用，如中原石油化工總廠鍋爐控制系統(tǒng)、安慶石化腈綸廠乙腈回收裝置的控制系統(tǒng)、濱洲化工自備電廠鍋爐控制系統(tǒng)、安慶煉油廠硫磺回收/富液再生控制系統(tǒng)等。這些控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)精簡(jiǎn)，沒(méi)有龐大的控制柜、I/O柜，多臺(tái)變送器共用一根電纜，使安裝和調(diào)試費(fèi)用大大減少，獲得了較大的經(jīng)濟(jì)效益。

    三、結(jié)束語(yǔ)

    綜上所述，現(xiàn)場(chǎng)總線型變送器已經(jīng)不是傳統(tǒng)意義上的變送器了，它是一個(gè)集變送、控制和通信功能于一身的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。現(xiàn)場(chǎng)總線型變送器的出現(xiàn)，必將給儀表和自動(dòng)化領(lǐng)域帶來(lái)新的革命性變革。