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劉憲英 郭慶勝

1  引言

    隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，特別是半導(dǎo)體技術(shù)、微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，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。傳統(tǒng)的模擬變送器是使用的單變量、單向傳輸?shù)?～20mA的模擬信號(hào)；智能變送器（指采用HART、DE協(xié)議的變送器）是數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)混合傳輸?shù)淖兯推鳎c系統(tǒng)信息的傳遞仍采用4～20mA的模擬信號(hào)，迭加其上的數(shù)字信號(hào)只用于傳遞輔助信息和診斷信息等，這種智能型變送器只能是針對(duì)傳統(tǒng)模擬變送器的一種過(guò)渡型產(chǎn)品，最終將被現(xiàn)場(chǎng)總線型變送器所代替。現(xiàn)場(chǎng)總線型變送器集檢測(cè)、控制和通信于一體，實(shí)現(xiàn)了與控制系統(tǒng)之間的全數(shù)字化、雙向的數(shù)據(jù)傳輸。MV2000T智能變送器就是一種輸出符合多種現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)的智能變送器。

2  MV2000T智能變送器

    MV2000T系列智能變送器，主要包括2010TD差壓變送器（可測(cè)量差壓、液位和流量），2020TG壓力變送器（可測(cè)量壓力、液位），2010TA/2020TA絕對(duì)壓力變送器（可測(cè)量絕對(duì)壓力）和2010TC多參數(shù)變送器（可測(cè)量差壓、壓力、介質(zhì)溫度、體積流量和質(zhì)量流量）。MV2000T變送器輸出符合HART、Bell FSK、PROFIBUS-PA和FF多種現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議，并可利用STT04/HHT275手操器或者SMART VISION通訊管理軟件進(jìn)行調(diào)校和組態(tài)。在此主要以MV2010TD智能差壓變送器為例做詳細(xì)介紹。

2.1  MV2010TD智能差壓變送器的工作原理
    MV2010TD智能差壓變送器，使用先進(jìn)的復(fù)合微硅固態(tài)傳感器，采用模塊化設(shè)計(jì)，由集成電子適配單元的傳感器模塊和一個(gè)帶按鈕控制單元的放大器組成。其中傳感器模塊是一個(gè)雙腔系統(tǒng)，具有一個(gè)整體化的過(guò)載膜片、一個(gè)內(nèi)部絕對(duì)壓力傳感器和一個(gè)硅差壓傳感器。絕對(duì)壓力傳感器僅感受高壓側(cè)的壓力，可作為靜壓補(bǔ)償?shù)膮⒖贾怠２顗簜鞲衅鞯呢?fù)壓側(cè)經(jīng)毛細(xì)管與變送器的負(fù)壓側(cè)/真空腔相連，被測(cè)的差壓/絕對(duì)壓力經(jīng)隔離膜片和灌充液傳遞給硅差壓傳感器的檢測(cè)膜片。硅檢測(cè)膜片的微小位移導(dǎo)致檢測(cè)系統(tǒng)輸出電壓的變化，該輸出電壓與差壓成正比，由電子適配單元及放大器轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出。其結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示。

圖1  2010TD智能差壓變送器的結(jié)構(gòu)原理圖

2.2  MV2010TD智能差壓變送器的特點(diǎn)
(1)  測(cè)量介質(zhì)為氣體、蒸汽和液體，測(cè)量參數(shù)為差壓和絕對(duì)壓力。
(2)  測(cè)量范圍（未遷移時(shí)）：0-50Pa～10MPa，多個(gè)量程可選。
(3)  精度：0.075％（可選0.05％），量程比可達(dá)100:1。
(4)  防爆（中國(guó)）：本安型防爆等級(jí)為Ex iaⅡCT4~6，隔爆型防爆等級(jí)為Ex dⅡCT4~6。
(5)  輸出符合多種通訊協(xié)議：
    4～20mA變送器（HART）的輸出信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置：I_min＝3.8mA，I_max＝20.5mA，電源是10.5～45VDC，其組態(tài)可采用手操器STT 04或HHT 275，也可采用FSK MODEM + SMART VISION軟件。

    現(xiàn)場(chǎng)總線變送器（PROFIBUS-PA或FF）：傳輸技術(shù)為IEC61158-2，電源是10.2～32VDC，基本電流是14mA，傳輸速率為31.25Kbps。它可通過(guò)SMART VISION軟件和相應(yīng)的通訊模塊（PROFIBUS-PA，F(xiàn)oundation Fieldbus）組態(tài)。

3  MV2000T智能變送器的應(yīng)用

    由于傳統(tǒng)的集散控制系統(tǒng)（DCS）基于模擬儀表，現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的檢測(cè)、傳輸與控制是通過(guò)傳感器或變送器檢測(cè)物理信號(hào)并轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的4～20mA 信號(hào)以模擬方式進(jìn)行傳輸?shù)模虼嗽跈z測(cè)方面存在精度低、動(dòng)態(tài)補(bǔ)償能力差和無(wú)自診斷功能等問(wèn)題。現(xiàn)場(chǎng)總線和智能變送器儀表的出現(xiàn)實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)儀表與控制系統(tǒng)之間全數(shù)字化、雙向數(shù)據(jù)傳輸，使過(guò)程控制的功能進(jìn)一步分散下移和信息處理現(xiàn)場(chǎng)化。由于現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（FCS）還不能完全代替DCS，因此將現(xiàn)場(chǎng)總線集成于DCS是現(xiàn)階段普遍采用的方案。現(xiàn)場(chǎng)總線與DCS的集成主要有以下3種方式：①現(xiàn)場(chǎng)總線集成在DCS的I/O層上，即通過(guò)一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線接口卡掛在DCS的I/O總線上。②現(xiàn)場(chǎng)總線集成在DCS的網(wǎng)絡(luò)層，即現(xiàn)場(chǎng)總線通過(guò)一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線接口單元掛接在DCS的通信網(wǎng)絡(luò)上。③現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)和DCS獨(dú)立工作，通過(guò)網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)之間的信息互訪和通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換。

    某油田聯(lián)合站就采用了第2種方式集成的控制系統(tǒng)，即將PROFIBUS-PA現(xiàn)場(chǎng)總線集成在某一集散控制系統(tǒng)的局域控制網(wǎng)絡(luò)層（LCN）。聯(lián)合站的中心控制室可以對(duì)整個(gè)油田的生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控，生產(chǎn)過(guò)程指站外油氣集輸、站內(nèi)油氣水三相分離、原油外輸和污水處理等。對(duì)于離中心控制室較遠(yuǎn)的一些參數(shù)的測(cè)量與控制，用一根現(xiàn)場(chǎng)總線電纜將智能變送器儀表、控制閥和執(zhí)行器等連接起來(lái)，這樣可以節(jié)約大量電纜、橋架和連接件。同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)總線不僅為現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備傳送數(shù)字信號(hào)，還可以為總線上的現(xiàn)場(chǎng)儀表提供電源，這樣就滿足了現(xiàn)場(chǎng)本質(zhì)安全防爆的要求。由于該聯(lián)合站位于沙漠地帶，氣候惡劣，溫差較大，所以選用了適合過(guò)程控制而又具有本質(zhì)安全性的PROFIBUS-PA現(xiàn)場(chǎng)總線。而所有連接到PROFIBUS-PA總線上的設(shè)備必須是符合PROFIBUS-PA協(xié)議的智能設(shè)備，因此該控制系統(tǒng)選用了輸出符合多種現(xiàn)場(chǎng)總線（FF，HART和PROFIBUS-PA）的MV2000T系列智能變送器。其具體的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2  集成的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

    PROFIBUS-PA采用的是IEC61158-2傳輸技術(shù)，而PROFIBUS-DP采用的是RS485傳輸技術(shù)且可以直接和計(jì)算機(jī)相連[1]。DP/PA耦合器使IEC1158-2信號(hào)轉(zhuǎn)換為RS485信號(hào)傳送到操作站。MV2000T輸出符合現(xiàn)場(chǎng)總線的變送器，其傳輸技術(shù)也是基于IEC61158-2的，因此它們可以和PROFIBUS-PA現(xiàn)場(chǎng)總線直接相連。

    2010TD智能差壓變送器主要實(shí)現(xiàn)管道中油氣流量的監(jiān)測(cè)與控制，它通過(guò)過(guò)程法蘭安裝在油氣集輸?shù)墓艿郎希媚軐⒘髁哭D(zhuǎn)換為壓差信號(hào)的節(jié)流裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)壓差的測(cè)量并通過(guò)2010TD的平方根和自由編程的計(jì)算功能將壓差信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的流量數(shù)字信號(hào)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線傳送到中心控制室的操作站供操作人員查看，并且可通過(guò)對(duì)變送器PID調(diào)節(jié)功能的組態(tài)實(shí)現(xiàn)對(duì)流量的控制。2010TD智能差壓變送器還可以通過(guò)液位法蘭直接安裝在被測(cè)液位的罐體（生產(chǎn)分離器或脫水器等）上，由于原油具有一定腐蝕性和粘性，為了防止容器內(nèi)的原油進(jìn)入變送器而造成管線堵塞或腐蝕，應(yīng)該將液位法蘭隔離測(cè)量過(guò)程和變送器本體，這樣2010TD將可能存在零點(diǎn)正負(fù)遷移[3]的問(wèn)題而需要進(jìn)行零位校正。差壓變送器所測(cè)得的差壓與液位高度成線性關(guān)系，因此只需要通過(guò)2010TD的線性和PID調(diào)節(jié)功能的組態(tài)就可實(shí)現(xiàn)對(duì)油的液位測(cè)量與控制，利用現(xiàn)場(chǎng)總線可將液位的數(shù)字信號(hào)傳送到中心控制室的操作站。2010/2020TA絕對(duì)壓力智能變送器，它安裝需要測(cè)量絕對(duì)壓力的油氣管道或油井現(xiàn)場(chǎng)，將絕對(duì)壓力轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線傳到中心控制室的操作站。2010TC多參數(shù)智能變送器可同時(shí)測(cè)量差壓、靜壓和介質(zhì)溫度，并將它們轉(zhuǎn)換為與補(bǔ)償后的質(zhì)量流量成正比的數(shù)字信號(hào)，它主要用于對(duì)外輸原油的質(zhì)量流量的測(cè)量。

    對(duì)于2010TD、2010TA、2020TA和2010TC，可以通過(guò)就地按鈕進(jìn)行外部調(diào)節(jié)零滿，帶液晶表頭后就地按鈕就可對(duì)變送器進(jìn)行零位校正、線性或平方根輸出及PID調(diào)節(jié)等功能的組態(tài)；也可在控制室的工程師站利用SMART VISION通信管理軟件和通信模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)它們遠(yuǎn)程的在線功能組態(tài)（線性、平方根、自由編程和PID調(diào)節(jié)）和診斷，通過(guò)設(shè)備類型管理器（DTM），SMART VISION軟件利用其工程數(shù)據(jù)庫(kù)可實(shí)現(xiàn)組態(tài)數(shù)據(jù)和診斷信息在儀表和控制系統(tǒng)之間的傳輸。對(duì)于MV2000T智能變送器的選型，應(yīng)該根據(jù)被測(cè)參數(shù)的測(cè)量范圍和精度要求來(lái)選擇量程比（量程比≤10:1時(shí)變送器的性能最優(yōu)，而量程比>10:1時(shí)將產(chǎn)生附件誤差）和量程代碼。

4  結(jié)語(yǔ)

    雖然目前FCS還不能完全取代DCS，而只是取代DCS中的某些子系統(tǒng)，但是FCS是控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)，最終將會(huì)逐漸取代DCS，與控制系統(tǒng)配套的現(xiàn)場(chǎng)儀表也應(yīng)向符合現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議的智能型方向發(fā)展。因此輸出符合多種現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議的MV2000T智能變送器將有非常好的應(yīng)用前景。