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工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)儀表智能化技術(shù)研究

   2011年09月29日 10:37  
  工業(yè)過(guò)程自動(dòng)化是通過(guò)自動(dòng)化儀表、自動(dòng)化技術(shù)與生產(chǎn)工藝及設(shè)備的有機(jī)結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)的,因此,工業(yè)自動(dòng)化儀表與系統(tǒng)是儀器儀表工業(yè)zui主要的一類(lèi)。當(dāng)前,上自動(dòng)化儀表與系統(tǒng)正進(jìn)行著一場(chǎng)新的“變革”,即儀表的智能化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化與開(kāi)放性。
  
  1、我國(guó)工業(yè)自動(dòng)化儀表智能化的策略及現(xiàn)狀
  
  儀表智能化指采用超大規(guī)模集成電路和微處理器技術(shù),利用嵌入式軟件協(xié)調(diào)內(nèi)部操作,使儀表具有智能的功能,在完成輸入信號(hào)的非線(xiàn)性、溫度與壓力的補(bǔ)償、量程刻度標(biāo)尺的變換、零點(diǎn)錯(cuò)誤、故障診斷等基礎(chǔ)上,還可完成對(duì)工業(yè)過(guò)程的控制,使控制系統(tǒng)的功能進(jìn)一步分散。這類(lèi)產(chǎn)品以數(shù)字顯示形式出現(xiàn),不但大大提升了儀表性能,而且便于信息通信,可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)組成新型的過(guò)程控制系統(tǒng)。因此,儀表的智能化、數(shù)字化呼喚新型的控制系統(tǒng),而新興的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)采用計(jì)算機(jī)數(shù)字化通信技術(shù),使自動(dòng)控制系統(tǒng)與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備加入工廠(chǎng)信息網(wǎng)絡(luò),成為企業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)底層,可使智能儀表的作用得以充分發(fā)揮;另一方面,現(xiàn)場(chǎng)儀表的智能化、總線(xiàn)化則是在工業(yè)過(guò)程控制領(lǐng)域中能否真正實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的關(guān)鍵。
  
  90年代初,儀表行業(yè)組織了DDZ-S系列儀表的聯(lián)合開(kāi)發(fā),解決了控制儀表的數(shù)字化問(wèn)題。同時(shí),國(guó)內(nèi)有關(guān)儀表廠(chǎng)引進(jìn)了單回路調(diào)節(jié)器、電容式和擴(kuò)散硅式變送器、DCS、執(zhí)行結(jié)構(gòu)等新技術(shù),并開(kāi)展了國(guó)產(chǎn)化工作。“九五”期間,跟蹤潮流,現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)智能儀表與系統(tǒng)成為發(fā)展的熱點(diǎn)。HART智能儀表開(kāi)發(fā)成功;FF智能儀表關(guān)鍵技術(shù)突破;Lon智能開(kāi)展網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用發(fā)展迅速;CAN總線(xiàn)、Profibus總線(xiàn)產(chǎn)品的應(yīng)用已取得成效。
  
  現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)智能儀表的標(biāo)準(zhǔn)制定伴隨“九五”攻關(guān)同時(shí)進(jìn)行,一批標(biāo)準(zhǔn)已完成。我國(guó)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)智能儀表與自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的發(fā)展有了良好的起步。
  
  “十五”技術(shù)及產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整的目標(biāo)是:基于現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的產(chǎn)品技術(shù)水平達(dá)到90年代*水平,銷(xiāo)售額占到國(guó)產(chǎn)儀表銷(xiāo)售額的30%,面向市場(chǎng),推進(jìn)儀表與系統(tǒng)的數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化。
  
  2、儀表的智能化過(guò)程
  
  儀表的智能化首先從控制器開(kāi)始??删幊虇位芈氛{(diào)節(jié)器是這類(lèi)智能儀表的代表,如山武-霍尼威爾公司SSC系列的KMM(zui近有SDC40B);橫河公司YS-80系列(zui近有YS170)的SLPC等??删幊虇位芈氛{(diào)節(jié)器是以微處理器作為運(yùn)算控制器的核心,它主要接收和輸出標(biāo)準(zhǔn)的、連續(xù)的電模擬量信號(hào),可由用戶(hù)編制程序,組成各種數(shù)字式過(guò)程調(diào)節(jié)裝置。它將回路控制、數(shù)字運(yùn)算、邏輯運(yùn)算及通信等多種功能集于一體,通過(guò)編制程序,可以實(shí)現(xiàn)不同的功能。
  
  過(guò)程控制系統(tǒng)自動(dòng)化中的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備通常稱(chēng)為“現(xiàn)場(chǎng)儀表”。現(xiàn)場(chǎng)儀表主要有變送器、執(zhí)行器、在線(xiàn)分析儀表及其它檢測(cè)儀表?,F(xiàn)場(chǎng)儀表與主控儀表/系統(tǒng)日新月異的變化相比,相對(duì)滯后,變化不大。但當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)出現(xiàn)后,現(xiàn)場(chǎng)儀表智能化與總線(xiàn)化就尤為迫切。因此,各現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)控制系統(tǒng)制造廠(chǎng)家為了使自己的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)控制系統(tǒng)(FCS)能得到應(yīng)用,紛紛推出與其控制系統(tǒng)配套的具有現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)功能的測(cè)量?jī)x表和調(diào)節(jié)閥,形成完整的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)控制系統(tǒng)。
  
  3、現(xiàn)場(chǎng)儀表的智能化與總線(xiàn)化
  
  首先以智能變送器來(lái)說(shuō)明現(xiàn)場(chǎng)儀表的智能化進(jìn)程。
  
  智能變送器集成了智能儀表全部功能及部分控制功能,具有很高的線(xiàn)性度和較低的溫度漂移,降低了系統(tǒng)的復(fù)雜性、簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。智能變送器具有一定的人工智能,可實(shí)現(xiàn)自學(xué)習(xí)功能等;可集成為多敏感元件的變送器,能同時(shí)測(cè)量多種物理量和化學(xué)量,全面反映被測(cè)量的綜合信息;精度高,測(cè)量范圍寬,其量程比zui高可為400:1,能應(yīng)付很寬的測(cè)量范圍,特別適用于要求量程比大的場(chǎng)合;可采用標(biāo)準(zhǔn)化的通信接口進(jìn)行信息交換,這是智能變送的關(guān)鍵標(biāo)志之一。智能化使變送器由單一功能向多功能和多變量檢測(cè)發(fā)展,由被動(dòng)進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換向主動(dòng)控制和主動(dòng)進(jìn)行信息處理方向發(fā)展,由孤立元件向系統(tǒng)化、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展。
  
  *代智能變送器主要以提高性能為主,一般為模數(shù)混合式儀表。這是因?yàn)樵诖罅繎?yīng)用的DCS系統(tǒng)中,現(xiàn)場(chǎng)一級(jí)仍保留著4~20mA模擬信號(hào)和“一對(duì)一”的單向信號(hào)傳輸模式。*代智能變送器使儀表的性能與精度得到了大大的提升,但在檢測(cè)信號(hào)上仍屬被動(dòng)型。
  
  第二代智能變送器在*代智能變送器的基礎(chǔ)上,實(shí)現(xiàn)由被動(dòng)進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)轉(zhuǎn)換向主動(dòng)控制和主動(dòng)進(jìn)行信息處理方向發(fā)展,由孤立的檢測(cè)變送單元向系統(tǒng)化、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展。智能變送器屬于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備,將它們和其它的各種現(xiàn)場(chǎng)上的設(shè)備與上一級(jí)的監(jiān)控裝置連接在一起形成的全數(shù)字化的、串行、雙向、多站的網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng),這就是現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)(FCS)。
  
  FCS的技術(shù)特點(diǎn)主要是系統(tǒng)的更加開(kāi)放性和控制功能的更加分散性(一直分散到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備上)。因此,F(xiàn)CS中的現(xiàn)場(chǎng)儀表與*代智能儀表相比主要特點(diǎn)如下:
  
  (1)總線(xiàn)化儀表必須全數(shù)字化:全數(shù)字信息的雙向傳送和提高儀表精度,增強(qiáng)抗*力;
  
 ?。?)為了支持FCS將控制功能分散到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備一層,總線(xiàn)化現(xiàn)場(chǎng)儀表必須具有一定的控制功能,因此較之*代智能變送器,總線(xiàn)化現(xiàn)場(chǎng)儀表應(yīng)具有更高的智能化水平;
  
 ?。?)為了使總線(xiàn)化現(xiàn)場(chǎng)儀表中的控制功能的公共特性標(biāo)準(zhǔn)化,往往定義標(biāo)準(zhǔn)功能塊。以FF總線(xiàn)為例,F(xiàn)F定義了10個(gè)基本和19個(gè)特殊功能塊,這些被置人現(xiàn)場(chǎng)儀表的功能塊可以通過(guò)總線(xiàn)被控制系統(tǒng)調(diào)用,利用“拖拽”技術(shù)極為方便地組態(tài)成所需要的控制方案;
  
  (4)為了支持FCS的開(kāi)放性、可互操作性和互換性,現(xiàn)場(chǎng)儀表的制造廠(chǎng)家在向用戶(hù)提供儀表時(shí),一般還通過(guò)CD-ROM的形式提供給用戶(hù)設(shè)備描述DD,它是一種采用既定總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的“設(shè)備描述語(yǔ)言”(DDL)編寫(xiě)的機(jī)器可讀的電子設(shè)備數(shù)據(jù)文件。
  
  總而言之,總線(xiàn)化現(xiàn)場(chǎng)儀表功能豐富,在FCS中,幾乎不存在單一功能的現(xiàn)場(chǎng)儀表。如橫河川儀生產(chǎn)的EJA系列FF現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)壓力變送器,具有兩個(gè)相互獨(dú)立的AI(模入)功能模塊,分別計(jì)算差壓和靜壓。它的自診斷不但可以檢測(cè)出壓力超界、環(huán)境溫度過(guò)高、量程設(shè)置錯(cuò)誤,而且還能檢測(cè)出壓力傳感器、溫度傳感器以及放大器、模塊等硬件故障;再如Fisher-Rosemount公司的FIELDVUEDVC5000f系列是一種典型的總線(xiàn)化調(diào)節(jié)閥門(mén)控制器,它采用FF總線(xiàn)通信協(xié)議,實(shí)現(xiàn)閥門(mén)與系統(tǒng)的雙向通信及自診斷功能。它內(nèi)置PID和AO(模出)功能塊,實(shí)現(xiàn)了通過(guò)PID運(yùn)算并根據(jù)運(yùn)算結(jié)果調(diào)控閥門(mén)工作的功能。除此之外,還能提供如下報(bào)警信息:提供閥門(mén)的行程、輸入電流、行程報(bào)警、行程累計(jì)和故障報(bào)警等;提供自診斷信息:閥門(mén)特性測(cè)試、閥座關(guān)閉壓力、執(zhí)行機(jī)構(gòu)預(yù)置工作壓力范圍、閥門(mén)摩擦力和動(dòng)態(tài)誤差帶測(cè)試分析數(shù)據(jù)。ValveLink軟件和設(shè)備管理系統(tǒng)AMS的ValveLinkSnapOn軟件通過(guò)處理這些寶貴的信息,可對(duì)閥門(mén)的工作狀態(tài)做出及時(shí)的診斷,從而將定期維修和臨時(shí)維修改進(jìn)為預(yù)防性維修。
  
  4、嵌入式智能儀表
  
  嵌入式Internet技術(shù)在工業(yè)過(guò)程控制中的一個(gè)重要應(yīng)用是實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)程現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)控,Internet將從zui初的PersonaltoPersonal發(fā)展到PersonaltoDevice,DevicetoDevice時(shí)代,智能將下移到設(shè)備,大量的嵌入式設(shè)備將連接到Internet。
  
  新一代智能儀表——IP智能現(xiàn)場(chǎng)儀表(見(jiàn)圖1)基于嵌入式Web服務(wù)器技術(shù),支持HTTP/TCP/UDP/IP等通信協(xié)議,并采用以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)接口,實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和Internet的直接通信。IP智能現(xiàn)場(chǎng)儀表解決了設(shè)備的直接上網(wǎng)問(wèn)題,通過(guò)分配正確的IP地址,*用戶(hù)就可以在任意Internet終端實(shí)現(xiàn)對(duì)被控設(shè)備的訪(fǎng)問(wèn)和控制。
  
  目前,惠普公司生產(chǎn)的嵌人式以太網(wǎng)控制器具有10-BaseT以太網(wǎng)接口,運(yùn)行FTP/HTTP/TCP/UDP協(xié)議,應(yīng)用于傳感器、驅(qū)動(dòng)器等現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。國(guó)內(nèi)的東大阿爾派公司為自己的CT產(chǎn)品開(kāi)發(fā)了遠(yuǎn)程維修診斷系統(tǒng)。美國(guó)OPT022公司采用嵌入式Intemet技術(shù),研制開(kāi)發(fā)了“以太網(wǎng)I/O系統(tǒng)”——SNAPI/O系統(tǒng),通過(guò)Internet對(duì)分布在遠(yuǎn)程設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)的I/O口進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn),從而實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)程設(shè)備的監(jiān)測(cè)和控制。對(duì)I/O的讀寫(xiě)控制是通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)Web瀏覽器實(shí)現(xiàn)的(如圖2所示),提供對(duì)SNMP、RDP、PPP、HTML、XML、WML及HDML等協(xié)議的支持。
  
  圖3顯示了基于嵌入式Internet的控制網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)。其特點(diǎn)是:首先,Ethernet貫穿于整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)層次,它使網(wǎng)絡(luò)成為透明的、覆蓋整個(gè)企業(yè)范圍的應(yīng)用實(shí)體。它實(shí)現(xiàn)了真正意義上的辦公自動(dòng)化與工業(yè)自動(dòng)化的無(wú)縫結(jié)合,因而我們稱(chēng)它為扁平化的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò),其良好的互連性和可擴(kuò)展性使之成為一種真正意義上的全開(kāi)放的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu),一種真正意義上的大統(tǒng)一。因此,基于嵌入式Internet的控制網(wǎng)絡(luò)代表了新一代控制網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的必然趨勢(shì),新一代智能儀表——IP智能現(xiàn)場(chǎng)儀表的應(yīng)用將越來(lái)越廣泛。
  
  5、結(jié)束語(yǔ)
  
  從工業(yè)儀表尤其是工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)儀表的智能化、總線(xiàn)化的進(jìn)程,我們不難看出計(jì)算機(jī)和現(xiàn)代儀表的相互包容,計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與儀表網(wǎng)絡(luò)的融合性。現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)是一種底層計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò),也是現(xiàn)場(chǎng)儀表與設(shè)備之間的通信網(wǎng)絡(luò)。儀表的智能化技術(shù)不但改善了儀表本身的性能,還影響到了控制網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)。

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