推廣精密智能儀表提高企業(yè)生產(chǎn)效率

　　有句老話說得好，想要控制過程，必先測量過程，今天這句話仍舊奏效。這句老話的推論就是只有具備值得信賴的過程測量信息，用戶才會在進(jìn)行控制改進(jìn)時感覺放心。

　　例如，一個過程需要最小10gpm加侖每分鐘的流量。如果操作人員不信任流量測量儀表的精度，安全起見就會將流量設(shè)置在11gpm，哪怕會增加原材料成本和處置費用。有了可信賴而且精確的智能流量儀表，操作人員就可以放心地將流量減小至10.1gpm，通過提高效率節(jié)約成本。

　　智能儀表能夠在儀表故障發(fā)生之前，將目前操作中的問題或者潛在的問題告知操作人員，進(jìn)而減少故障的發(fā)生。使用大多數(shù)測量設(shè)備可以很容易地發(fā)現(xiàn)顯著的故障，但是只有智能儀表才能發(fā)現(xiàn)細(xì)微問題，而這些細(xì)微問題正是導(dǎo)致測量不準(zhǔn)確的罪魁禍?zhǔn)?，更是故障的前兆?/p>

　　何為智能儀表？

　　智能儀表的定義在過去幾十年里發(fā)展演化表1。老式的非智能儀表是3-15psi氣動設(shè)備，通過現(xiàn)場單循環(huán)控制器完成控制作業(yè)。信息通常以指示表的形式在本地顯示，技術(shù)員在現(xiàn)場巡視，使用鋼筆和白紙手動記錄數(shù)據(jù)。如果數(shù)據(jù)需要自動記錄并分析，那么需要使用本地圖表記錄儀。

　　過程變量按照比例換算成1-5、4-20、10、50mAdc信號輸出為儀表增加了一定程度的智能性。一旦數(shù)據(jù)可以遠(yuǎn)程變送，遠(yuǎn)程測量、顯示和控制就有可能實現(xiàn)。

　　帶有中央處理和I/O的控制系統(tǒng)的并行發(fā)展引入了新方法，能夠更有效地采集4-20mA儀表產(chǎn)生的信息，并將這些信息轉(zhuǎn)換成工程單位，集中處理并記錄這些信息?；芈饭╇妰x表也成為可能www.cechina.cn，可以通過一個電流源對多臺變送器供電，通常是通過模擬I/O模塊完成。

　　微處理器越來越耐用，可以直接安裝在現(xiàn)場儀表中，這是智能儀表前進(jìn)的一大步，使本地數(shù)據(jù)信號處理成為可能，造就了第一批真正的智能儀表，因為這些設(shè)備可以將模擬4-20mA信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號，進(jìn)而在網(wǎng)絡(luò)上傳輸，本地微處理器也可以完成一些儀表級別的任務(wù)，即校準(zhǔn)和診斷。

　　既然智能儀表可以將過程變量和其他參數(shù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字形式，那么現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)的產(chǎn)生就水到渠成。最初的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)使用現(xiàn)有的4-20mA信號線作為物理傳輸媒介，手持校準(zhǔn)設(shè)備可以接入4-20mA電流環(huán)路的任意位置。除了手持設(shè)備，一些離散控制系統(tǒng)隨之獲得了通訊功能并可以對過程變量和設(shè)備診斷數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字存取。

　　很多供應(yīng)商都有自己的網(wǎng)絡(luò)，使用現(xiàn)有的4-20mA信號作為傳輸媒介，HART技術(shù)的適時出現(xiàn)，統(tǒng)一了各種不兼容的網(wǎng)絡(luò)。HART成為了供應(yīng)商的中立基礎(chǔ)，并最終發(fā)展成為優(yōu)秀的多層現(xiàn)場設(shè)備通訊協(xié)議，被大多數(shù)儀表和控制系統(tǒng)供應(yīng)商支持。因此，智能設(shè)備也貼上了HART的標(biāo)簽。

　　為了使用過程變量的數(shù)字值來進(jìn)行實時控制并將更多信息發(fā)送至遠(yuǎn)程主機(jī)，人們對性能有更高的要求，而HART已經(jīng)無法滿足。隨著微處理器的功能越來越強(qiáng)大控制工程網(wǎng)版權(quán)所有，除了過程變量之外，智能儀表能夠提供更多有價值的信息，這進(jìn)一步刺激了對更強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)的需求。

　　專門為了將儀表和自動化系統(tǒng)連接的數(shù)字網(wǎng)絡(luò)開始出現(xiàn)，其中佼佼者是基金會現(xiàn)場總線H1和ProfibusPA。這些平臺不再使用4-20mA輸出，轉(zhuǎn)而使用先進(jìn)的電子和軟件標(biāo)準(zhǔn)來提升速度、改進(jìn)診斷，帶來了嵌入式本地控制等新功能。這兩種現(xiàn)場總線和其他現(xiàn)場總線被標(biāo)準(zhǔn)化組織采納，成為多家智能儀表供應(yīng)商的嵌入通訊選擇。

　　最近，經(jīng)過實踐檢驗的強(qiáng)大的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的出現(xiàn)，導(dǎo)致聚焦于現(xiàn)場設(shè)備和遠(yuǎn)程存取站點之間通訊的特定供應(yīng)商和基于標(biāo)準(zhǔn)的解決方案獲得發(fā)展。HART通訊基金會開發(fā)了向后兼容的無線技術(shù)并且獲得IEC62591標(biāo)準(zhǔn)化認(rèn)可。ISASP100.11a委員會也正在致力于無線儀表通訊的標(biāo)準(zhǔn)化認(rèn)可工作。

　　今天，智能儀表的大概定義就是包含一個或者多個數(shù)字網(wǎng)絡(luò)通訊選項的設(shè)備。由于數(shù)字通訊要求使用微處理器，所以現(xiàn)代智能儀表還能提供很多種類的其他功能。

　　智能儀表的性能

　　成功的測量源自在正確的應(yīng)用場合正確安裝合適的儀表。除了自帶傳感器的輸入，非智能儀表無法得知其他任何過程信息。但是智能儀表具有診斷功能，可以檢測到安裝期間的故障或者運行中的問題，這兩者都會影響測量質(zhì)量和/或設(shè)備可靠性。智能儀表還可以對查詢做出響應(yīng)，或者將狀態(tài)信息發(fā)送至自動化系統(tǒng)以及其他聯(lián)網(wǎng)的平臺。

　　某些智能儀表帶有本地HMI，可以進(jìn)行基本設(shè)置、校準(zhǔn)和診斷功能。圖片來源：E H

　　解鎖智能儀表信息的關(guān)鍵就是操作員接口www.cechina.cn，此接口可以是儀表上的本地顯示、本地手持HMI人機(jī)接口或者聯(lián)網(wǎng)HMI。與本地顯示相比，HMI可以使技術(shù)人員或者操作人員與儀表之間的信息交流更加流暢。

　　使用多種內(nèi)置傳感器同時測量多種過程變量并使用數(shù)字技術(shù)或者無線技術(shù)進(jìn)行通訊的多變量儀表就是智能儀表的最高階段。例如一臺科里奧利流量計可以測量和/或計算質(zhì)量流量、粘度、密度、溫度和總流量。

　　一些配有HART6、無線HART或者基金會現(xiàn)場總線H1之類的通訊協(xié)議的智能設(shè)備可以在類似配置的儀表之間直接交換過程變量。這些過程變量被用于在現(xiàn)場進(jìn)行加和計算，無需自動化系統(tǒng)或者額外計算單元的幫助。例如，一臺渦街流量計可以與壓力變送器接口生成經(jīng)過修正的能量流，或者兩臺壓力變送器可以相互連接生成差壓值。

　　網(wǎng)絡(luò)時代帶來了巨大的連通性、信息管理和接入選項。雖然很多技術(shù)已經(jīng)被自動化平臺采用，例如可編程邏輯控制器、可編程自動化控制器和離散控制系統(tǒng)，在將關(guān)鍵過程儀表接入以太網(wǎng)或者其他類似網(wǎng)絡(luò)之前，仍需考慮保護(hù)和安全問題。

　　某種程度上正式因為考慮安全和保護(hù)問題，很大一部分已經(jīng)安裝的儀表仍舊以古老的4-20mA信號形式將過程變量發(fā)送至自動化系統(tǒng)，這些變量隨后在自動化系統(tǒng)中進(jìn)行轉(zhuǎn)化和管理。但是例如基金會現(xiàn)場總線、Profibus和Ethernet/IP的數(shù)字通訊系統(tǒng)和無線HART之類的的無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)卻越來越多地將來自于儀表的數(shù)字過程變量直接提供給自動化平臺，無需使用4-20mA信號和其所需的I/O基礎(chǔ)設(shè)備。

　　定義能源用度、環(huán)境報表、供應(yīng)鏈監(jiān)視和過程單位監(jiān)視的過程變量通常都不是自動化系統(tǒng)實時控制體系結(jié)構(gòu)的組成部分——所以這些變量可以通過IT接入點直接從智能儀表發(fā)送至數(shù)據(jù)庫，極大地簡化了自動化系統(tǒng)和信息系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)。

　　過程變量之外的功能

　　智能儀表不僅僅能夠?qū)⑦^程變量發(fā)送至多個主機(jī)，還有很多其他功能。智能儀表可以在提供儀表狀態(tài)數(shù)據(jù)的同時，將測量、線性化和/或經(jīng)過其他調(diào)整的原始模擬數(shù)值形成一個或者更多工程化的過程變量。這些工程化過程變量與設(shè)備數(shù)據(jù)通過現(xiàn)場總線或者無線網(wǎng)絡(luò)與自動化系統(tǒng)和/或其他聯(lián)網(wǎng)接入點進(jìn)行數(shù)字通訊。

　　表2列出了一些智能儀表目前能夠提供的幾種關(guān)鍵數(shù)據(jù)點，詳述了其優(yōu)點。例如，儀表狀態(tài)數(shù)據(jù)可以指明數(shù)據(jù)質(zhì)量問題或者發(fā)出警報。工程或者維護(hù)工具能夠在本地使用，也可以聯(lián)網(wǎng)使用控制工程網(wǎng)版權(quán)所有，評估問題，形成解決方案。可能的補救措施包括重新校準(zhǔn)、配置更改或者更換儀表。

　　按照溯源標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)定，儀表的測量輸出按照校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評估，以確保測量信息的質(zhì)量。很多智能儀表可以進(jìn)行內(nèi)部自檢診斷，例如科里奧利流量計動態(tài)管測試可以顯示是否需要使用可溯源方法進(jìn)行校準(zhǔn)確認(rèn)。一些智能儀表提供美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院NIST可溯源確認(rèn)工具，以支持ISO20017.7條款中規(guī)定的可溯源確認(rèn)和校準(zhǔn)要求。

　　能夠設(shè)計安全儀表系統(tǒng)SIS的4-20mA儀表生產(chǎn)商越來越多地按照IEC61508標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)備設(shè)計、生產(chǎn)和生命周期管理。安全系統(tǒng)設(shè)計人員通常都遵循IEC61511、ISA和ANSI84.01-2004安全系統(tǒng)生命周期管理標(biāo)準(zhǔn)，也有一部分使用帶有內(nèi)部診斷功能的經(jīng)過IEC61508標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證的儀表。

　　這些經(jīng)過認(rèn)證的儀表可以幫助設(shè)計人員達(dá)到所要求的過程安全完整性等級SIL。智能SIL儀表還能夠與狀態(tài)監(jiān)控工具交互診斷信息，以幫助完成儀表維護(hù)。

　　隨著智能儀表的普及，診斷信息的數(shù)量和復(fù)雜度急劇增加，對誤差辨識和診斷代碼的標(biāo)準(zhǔn)提出了要求。NAMUR的推薦技術(shù)規(guī)范NE107就是故障診斷標(biāo)準(zhǔn)化工作的一部分，它建議將來自智能儀表的診斷信息分成5類標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)信號類別表3。

　　遵循NE107的設(shè)備具有內(nèi)部自監(jiān)視和故障自檢功能，將診斷信息分類組合，形成具有指導(dǎo)性的提示。降低了復(fù)雜度，減少了對操作人員和技術(shù)人員的培訓(xùn)，提升了安全性和儀表實用性。

　　其他用于標(biāo)準(zhǔn)化智能儀表數(shù)據(jù)交付的工具是一些標(biāo)準(zhǔn)，即使用描述符號和術(shù)語定義每一個數(shù)據(jù)點的具體形式。目前為此目的使用的兩個主要標(biāo)準(zhǔn)是電子設(shè)備描述語言EDDL和現(xiàn)場設(shè)備工具FDT。

　　儀表能夠變送的數(shù)據(jù)越來越多、速度越來越快，它們變得就越來越智能，為用戶帶來了更多的便利，同時簡化了安裝和操作過程。

　　聰明到智能的蛻變

　　儀表從非智能發(fā)展為智能儀表，真正的智能就不遠(yuǎn)了。未來的專家儀表具有多種通訊通道，每一個通信通道都具有內(nèi)置的安全性，很像目前的以太網(wǎng)管理交換機(jī)。這些通道將會被分配IP地址并輔以服務(wù)器技術(shù)，讓儀表成為真正意義上的數(shù)據(jù)服務(wù)器。

　　一條高速通道用于將過程變量傳送至實時控制器，按照儀表的通訊源，這條通道被賦以所有通道中最高的優(yōu)先級。其他通訊通道將會用于直接將儀表與應(yīng)用連接，例如過程監(jiān)視、設(shè)備建設(shè)、環(huán)境監(jiān)視、能源管理、設(shè)備管理、提前維護(hù)和高級診斷。這種直接連接將會跨越實時控制系統(tǒng)，簡化整個自動化和信息系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)。

　　無線HART和ISA100.11a之外的工業(yè)無線標(biāo)準(zhǔn)將會繼續(xù)發(fā)展，滿足用戶的需求，列入NAMURNE124。用戶越來越接受無線技術(shù)作為一種主流的解決方案，智能儀表信息將會越來越多地與無線接入點連接控制工程網(wǎng)版權(quán)所有，結(jié)果就是直接演化為控制或者IT網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)服務(wù)器。

　　系統(tǒng)設(shè)計人員和最終用戶對于集成重復(fù)作業(yè)的煩惱正在迫使主流儀表生產(chǎn)廠商和現(xiàn)場總線協(xié)議組織接納現(xiàn)場設(shè)備集成FDI規(guī)范。此FDI規(guī)范將會鞏固現(xiàn)有的EDDL和FDT規(guī)范，應(yīng)該會形成真正統(tǒng)一的現(xiàn)場設(shè)備集成體系結(jié)構(gòu)，允許通過幾乎任何現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)連接任何現(xiàn)場設(shè)備。

　　隨著儀表正在朝著符合NE97和IEC61508-2之類的安全相關(guān)推薦規(guī)范發(fā)展，基于現(xiàn)場總線的安全過程儀表的應(yīng)用將會更加廣泛。經(jīng)過安全認(rèn)證的儀表將會與現(xiàn)場總線安全協(xié)議協(xié)同工作，例如CIPSafety、FoundationfieldbusSIS和PROFIsafe。

　　所有這些發(fā)展的結(jié)合，將會帶來真正意義上的智能儀表，這種儀表可以很容易實現(xiàn)未來自動化系統(tǒng)和信息系統(tǒng)整合。對于用戶來說，這具有很強(qiáng)的實用意義，用戶可以借此實現(xiàn)所有智能儀表帶來的好處：更優(yōu)秀的過程控制、更高效率、更低能耗、更少停機(jī)時間和更高質(zhì)量。

來源：機(jī)械專家網(wǎng)

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