现场总线型变送器的特点及应用

2011-03-30

引言

变送器是自动控制系统的基础，它既是获取信息的传感器，也是信息工业的源头。目前，变送器已经从模拟型、智能型发展到了现场总线型。

智能型变送器(指采用HART、DE协议的变送器)是数字信号与模拟信号混合的变送器，它和DCS(分散控制系统)的连接仍然采用两线制。智能型变送器与DCS通信时，在DCS中还必须配有智能卡(数字检测卡)，否则，即使是同一厂家的产品，也不能通信。不同厂家的DCS和智能型变送器之间一般不能进行数字通信，绝大多数仍是4~20mA的模拟量传输。因此这种智能型变送器的互操作性差，智能作用也不大。随着计算机、通信和微处理机技术的发展，控制系统发生了新的变革，产生了取代传统DCS(指未吸纳现场总线技术的DCS)的现场总线控制系统(简称FCS)。为了适应现场总线控制系统的要求，现场总线型变送器得到了迅速发展。

一、特点

现场总线型变送器与目前开始广泛使用的智能型变送器相比较，具有如下特点。

(1) 全数字性

现场总线作为一种数字式通信网络从控制室一直延伸到生产现场，使过去采用点到点式的模拟量信号传输变为多点一线的串行数字式传输。在现场总线型变送器中，不论是传感器电路，还是转换器电路，都是数字式的。不像智能型变送器那样，既有数字电路，又有模拟电路。因而，现场总线型变送器的全数字性使得变送器的结构更加简单，其分辨力、测量速度、稳定性都高于智能型变送器。

(2) 精确度高

在智能型变送器中，其传感器有的不是直接转换成数字的，而是把压差作用在膜片上，使其产生位移，改变电容或电阻，先输出电压，再经过模/数(A/D)转换变成数字信号后，送微处理机。当然，也有一些智能型变送器，压差膜片的位移直接转换成频率信号，没有A/D转换器。但是，为了保留有4~20mA模拟信号，数/模(D/A)转换器还都是存在的。所以，在智能型变送器中，其信号传输精确度在反复的A/D和D/A转换中有所降低。而现场总线型变送器中不存在A/D和D/A转换电路，所以不会产生A/D和D/A的转换误差，因而信号的传输精确度有所提高，故现场总线型变送器要比智能型变送器精确度高。

(3) 抗干扰能力强

在模拟型和智能型变送器中，信号是以4~20mA的连续形式存在的，信号值的变化可以无限小，因此，噪声和信号畸变在模拟信号传输中是无法避免的。也就是说，变送器传输模拟信号时稳定性较差，零点容易漂移。而在现场总线型变送器中，信号的有效值只有两个：0或1，电平较高，一般的噪声很难扭曲它，只有在很大的干扰出现时，才可能使信号发生畸变。所以，现场总线型变送器要比智能型变送器(当它传输4~20mA模拟信号时)的抗干扰能力强。

(4) 内嵌控制功能

现场总线型变送器除了保持智能型变送器优良的测量性能外，还增加了运算和控制功能。在每台现场总线型变送器中都内嵌有PID控制、逻辑运算、算术运算、累加等模块，用户通过组态软件对这些功能模块进行任意调用，以实现参数的现场控制。由于现场总线型变送器就安装在生产设备附近，使信号传输的距离大大缩短，这不但提高了回路的控制质量，降低了回路的不稳定性，而且还可取消控制柜，进一步节省了控制室的空间。

(5) 高速通信

智能型变送器不论是采用HART通信协议，还是采用DE通信规程，其通信速率都不高，因此不能有效地实现实时控制。现场总线型变送器要像4~20mA系统那样实现闭环实时控制需要更高的通信速率。由于高速需要更大的电源消耗，这个要求就与本质安全产生了矛盾。因而，需要选择适当的通信速率，使系统的通信负荷尽可能小。

现场总线型变送器采用通信调度系统来控制变量的采样、算法的执行和通信系统的优化。如FF(Field Foundation, 现场总线基金会)把数据分为周期性和非周期性两部分：对周期性数据必须在系统所需的周期内处理完毕；而对非周期性数据则可以在通信通道空闲时传输。这样的通信调度就使得现场总线型变送器具有了和模拟型变送器一样的通信速率，并达到了和模拟控制系统一样的高速闭环控制性能。

(6) 多变量测量

所谓多变量测量是指一台变送器可以同时测量多个过程变量。在过去的模拟通信方式中，测量一个变量就需要一对导线，因此，每台变送器只能测量一个过程变量。而采用了现场总线通信方式后，由于每台现场总线型变送器内配有多个感测元件，它就可以同时测量多个过程变量，并通过现场总线传输出去。例如，在现场总线型流量变送器中，除了测量流体流量外，还可以测量过程压力、温度等多种变量；再例如，在现场总线型液位变送器中，除了测量容器的液位外，还可以测量介质密度、容器内压力和温度等多种变量。

(7) 系统综合成本低

在4~20mA通信方式下，变送器只能测量一个物理变量，如果要将这个测量变量转换为控制上必要的数据，还需要其他附属的仪表。例如，测量带有温度和压力补偿的蒸汽流量时，需要3台变送器分别测量温度、压力和压差(流量)。而在现场总线控制系统中，则只需要一台现场总线型变送器就可以了。这不但使系统结构大大简化，而且还降低了系统的综合成本，减少了系统安装和调试费用。

(8) 真正的互操作性

现场总线通信方式正在向国际标准化推进，标准化确保了互操作性的实现。所谓互操作性是指来自不同厂家的设备可以互相通信，并且可以在多厂家的环境中完成功能的能力。互操作性使不同厂家的设备可以互相使用，其控制系统的组成是自由的。凡是符合现场总线国际通信标准的现场总线设备，不论是哪一个厂家生产的都可以互相交换信息。这样，用户就不必围绕着某一家仪表公司选择设备，控制系统构成的自由度大大增加，用户能够以最优的性能/价格比构成符合自己要求的控制系统。

二、产品与应用

不少检测仪表虽然在习惯上未被称作变送器，但是，就其功能来说仍有变送器的功能，例如氧量分析仪、电磁流量计、涡街流量计、超声流量计等。目前，世界各大仪表生产厂都相继推出了现场总线型变送器，通过FF认证的变送器已经有60多种，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。

现场总线型变送器现已开始在国内企业的控制系统中得到使用，如中原石油化工总厂锅炉控制系统、安庆石化腈纶厂乙腈回收装置的控制系统、滨洲化工自备电厂锅炉控制系统、安庆炼油厂硫磺回收/富液再生控制系统等。这些控制系统结构精简，没有庞大的控制柜、I/O柜，多台变送器共用一根电缆，使安装和调试费用大大减少，获得了较大的经济效益。

三、结束语

综上所述，现场总线型变送器已经不是传统意义上的变送器了，它是一个集变送、控制和通信功能于一身的现场设备。现场总线型变送器的出现，必将给仪表和自动化领域带来新的革命性变革。

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