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技術文章
智能變送器應用中的隱與優
點擊次數：3638 發布時間：2009-11-1
1 概述
由傳感器技術與微電子技術結合形成的智能型變送器，因其在功能、精度、可靠性、維護、組態上較常規模擬變送器有很大提高，近年來已被廣泛應用。其典型產品如羅斯蒙特（Rosement）1151，費希爾-羅斯蒙特（Fisher-Rosement）3051，霍尼威爾（Honeywell）ST3000，川儀/橫河（Centum）EJA系列，德國哈特曼布勞恩（Hartmann&Braun）公司AS系列等。變送器的智能化主要表現為具有自我監測、遠程通訊的能力，及因采用微機械電子加工技術、超大規模的集成電路（ASIC）和表面安裝技術，而使變送器具有高可靠性、量程范圍寬及穩定的溫壓補償性能。
2 智能變送器的組成
智能變送器一般是由傳感器、微處理器、存儲器及模數、數模轉換器組成。傳感器用來檢測被測量的信號，其所用材料因廠家而異。橫河EJA為硅諧振式，把被測參數轉換為硅梁的振動頻率；ST300的傳感器是擴散硅復合半導體式，把被測參數轉換為硅芯片電阻值的變化；1151、3051及富士的FCX-A/C是硅微電容式，通過測電容來獲得被測的差壓或壓力值，而8600系列智能變送器則為電感式。微處理器是智能變送器的核心，負責對數據的綜合運算處理，如對檢測信號線性化、量程重調、函數運算、工作單位換算及診斷與通訊功能。存儲器用來存貯供微處理器調用的各種常數、程序及變送器的組態等，現在一般都是可擦寫的。模數、數模轉換器是將模擬信號與數字信號進行相互轉換，傳感器的檢測信號到微處理器須用模數轉換器，微處理器輸出4～20mA信號須用數模轉換器。智能變送器需要輸出一路數字信號與DCS進行通訊，并附有一智能現場通訊器（SFC）或稱手操器來與變送器通訊。此外，智能變送器備有后備電源，以免停電時存儲器內數據丟失。
3 智能變送器的特點及典型應用實例
現在的智能變送器一般都是既有數字信號又有模擬信號的混合式智能變送器，與DCS的通訊是以傳遞4～20mA模擬信號為主，然后在其上面疊加數字信號用來遠程設定零點、量程以及對變送器的校驗、組態和診斷等。它只是為和現有DCS兼容而設計的，是真正意義上的全數字式智能變送器（如現場總線型智能變送器）的過渡產品。與常規模擬變速器相比，智能變速器在應用中具有以下特點：
3.1 量程范圍寬，量程比大
智能變送器一般都具有寬廣的量程范圍，量程比大，從30：1到100：1，有的甚至達到400：1。變送器的量程比是指zui大測量范圍（URV）與zui小測量范圍（LRV）之比[1]。智能變送器量程與常規模擬變送器相比，zui大的好處就是可以減少庫存量，同時可根據工藝要求，在不更換表的情況下隨時更改量程，而不用顧忌量程超限。用智能變送器就非常方便，在線調整一下量程就可以了，不用重新更換儀表。如果是常規模擬變送器就要更換量程較大的新表。
3.2 維護簡單方便
用手持通信器與智能變送器通信可選在現場變送器接線端子處或主控室控制柜內的接線端子處。這樣儀表檢修人員可在相對較安全、周圍環境較好的控制室來對變送器進行量程修改、參數設置、儀表維護等工作。需要注意的是，手持通信器不能直接連在儀表控制回路中給變送器供電的電源兩端，原因是電源為低阻抗，手持通信器在它兩端無法讀取信息，一般要求回路電阻在250～600Ω，電阻太小不能通訊，電阻太大變送器工作就會異常。
3.3 具有高低壓側轉換功能
智能變送器一般有傳感器高低壓側轉換的功能，用手持通訊器調整內部參數即可。在生產中就遇到過這樣的問題，由于儀表已運行多年，連接到變送器的導壓管因漏需要更換，更換后儀表投用時發現正負相導壓管接反（因為導壓管較長，又有伴熱管在一塊，正負相容易接反）。如果把2個導壓管互換工作量很大。而智能變送器有高低壓側轉換功能，把表內的參數“D45：H/L SWAP”項由NOROMAL（右側高壓，左側低壓）改為REVERSE（右側低壓，左側高壓），重新組態后表一切正常，很省時省力。
3.4 智能變送器的固定輸出功能
這項功能在下列情況下使用起來比較方便：①當變送器出現故障時，為保證生產設備和人身安全，或為保證產品質量需要變送器輸出在一個固定值上。②在年度大修后，由于儀表控制回路中的各個環節都進行了檢修，需要在開車前對整個回路進行聯校，這時可以用手操器運用智能變送器的固定輸出功能，找到菜單中的“OUTPUTSET（輸出設定）”項，一般可以設定3.8～21.6mA間的任一數值，聯校其所在整個回路是否正常。
4 智能變送器的通訊協議及常見問題
智能變送器的可靠性與穩定性非常高[2]，但經常遇到通訊方面的問題。由于智能變送器誕生時上沒有制定出統一的通信協議標準，所以各生產廠家生產的變送器用的通信協議不盡相同。典型的如Honeywell的ST3000用的是DE協議，Fisher-Rosement的3051用的是HART協議，橫河川儀的EJA系列為Braun（布朗）協議，還有遵循現場總線通信標準的全數字式智能變送器。影響智能變送器現場不通訊的因素主要有高頻電磁波干擾；因電纜太長、電纜的分布電容超過了網絡限制，及負載電阻較低等。各協議的特點及可能伴生的通訊問題如下。
4.1 HART協議
HART（Highway Addressable Remote Transducer）是基于貝爾202通訊標準的移頻鍵控（FSK）技術[2]，通過在4～20mA電流上疊加頻率信號實現數字通訊。2個不同頻率：1200 Hz和2200Hz：代表“0”和“1”，以正弦波的形式疊加在4～20mA直流信號上，因這些正弦波的平均值為零，所以不產生直流分量，不會對4～20rnA過程信號產生影響，它是在不中斷傳輸信號的情況下完成了真正的同步通訊。
曾現場應用了幾臺HART協議的3051變送器和1臺渦街流量計，投運后均出現異常，撤回到車間校驗，儀表通訊及工作正常。經細致檢查，發現裝置中運行了60 Hz的電機、泵，為適應50 Hz的電源，采用了大量的變頻器，而變頻器的載波頻率大都組態設置為2000 Hz，這個頻率正好與HART通訊頻率接近，從而影響了智能變送器的正常工作。采取增大儀表電纜與動力電纜槽架的改造措施后問題得到解決[3]。另外在智能變送器和連線的附近使用發報機也會影響正常通訊與工作。
4.2 DE協議
DE協議是以脈沖電流的多少來代表“1”和“0”的，數字信號和模擬信號是分開傳輸的，當傳送數字信號時，模擬信號須中斷[1]。HART通訊頻率較高（約1～2 kHz），要求網絡的時間常數不大于0.65μs，這樣HART通訊設備及網絡的zui大電容限制了通訊的zui大距離，一般為不大于400m。而DE協議通訊頻率較低，網絡的zui大時間常數為104μs，允許的電纜分布電容比HART協議寬的多，所以，就會出現同一套裝置中用DE通訊協議的儀表通訊正常而用HART協議的智能變送器卻不能通訊的現象。對于具有HART協議的變送器如果通訊距離確實需要足夠長，可以用電容較低的交聯電纜。
4.3 現場總線通訊協議
IEC（電工委員會）對現場總線（Fieldbus）的定義是“安裝在制造和過程區域的現場裝置與控制室內的自動控制裝置之間的數字式、串行、多點通信的數據總線稱為現場總線。”它是一種全數字化、雙向、串行、多站的通信網絡，一對導線上可傳輸多種信息。純數字的現場總線智能變送器，是根據現場總線通信協議開發出來的一種變送器。它已不是傳統意義上的變送器，而是同時起著變送、控制和通信的作用。在整個控制系統中，每臺變送器都是一個網絡接點。使用現場總線后，自控系統的配線、安裝、調試和維護等方面的費用可以大大降低，隨著現場總線控制系統（FCS）的發展應用，作為現場總線控制系統基礎的現場總線智能變送器必將被廣泛應用。