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推广精密智能仪表提高企业生产效率

行业聚焦点中国仪表网2011年09月15日 08:50人气:3642

  导读:从简单的气动设备到精密智能仪表的进化源自用户对于更高性能、更便捷的维护和更长寿命的需求。智能仪表不但能满足这些需求,还能提供更多,虽然代价就是智能仪表更加复杂,但是一旦理解并安装了智能仪表,不仅有助于降低过程控制和信息系统生命周期的复杂度,还能提升性能和降低成本。
  

  有句老话说得好,想要控制过程,必先测量过程,今天这句话仍旧奏效。这句老话的推论就是只有具备值得信赖的过程测量信息,用户才会在进行控制改进时感觉放心。
  
  例如,一个过程需要最小10gpm(加仑每分钟)的流量。如果操作人员不信任流量测量仪表的精度,安全起见就会将流量设置在11gpm,哪怕会增加原材料成本和处置费用。有了可信赖而且精确的智能流量仪表,操作人员就可以放心地将流量减小至10.1gpm,通过提高效率节约成本。
  
  智能仪表能够在仪表故障发生之前,将目前操作中的问题或者潜在的问题告知操作人员,进而减少故障的发生。使用大多数测量设备可以很容易地发现显著的故障,但是只有智能仪表才能发现细微问题,而这些细微问题正是导致测量不准确的罪魁祸首,更是故障的前兆。
  
  何为智能仪表?
  
  智能仪表的定义在过去几十年里发展演化(表1)。老式的非智能仪表是3-15psi气动设备,通过现场单循环控制器完成控制作业。信息通常以指示表的形式在本地显示,技术员在现场巡视,使用钢笔和白纸手动记录数据。如果数据需要自动记录并分析,那么需要使用本地图表记录仪。
  
  过程变量按照比例换算成1-5、4-20、10、50mAdc信号输出为仪表增加了一定程度的智能性。一旦数据可以远程变送,远程测量、显示和控制就有可能实现。
  
  带有中央处理和I/O的控制系统的并行发展引入了新方法,能够更有效地采集4-20mA仪表产生的信息,并将这些信息转换成工程单位,集中处理并记录这些信息。回路供电仪表也成为可能www.cechina.cn,可以通过一个电流源对多台变送器供电,通常是通过模拟I/O模块完成。
  
  微处理器越来越耐用,可以直接安装在现场仪表中,这是智能仪表前进的一大步,使本地数据信号处理成为可能,造就了第一批真正的智能仪表,因为这些设备可以将模拟4-20mA信号转化成数字信号,进而在网络上传输,本地微处理器也可以完成一些仪表级别的任务,即校准和诊断。
  
  既然智能仪表可以将过程变量和其他参数转换成数字形式,那么现场总线网络的产生就水到渠成。最初的现场总线网络使用现有的4-20mA信号线作为物理传输媒介,手持校准设备可以接入4-20mA电流环路的任意位置。除了手持设备,一些离散控制系统随之获得了通讯功能并可以对过程变量和设备诊断数据进行数字存取。
  
  很多供应商都有自己的网络,使用现有的4-20mA信号作为传输媒介,HART技术的适时出现,统一了各种不兼容的网络。HART成为了供应商的中立基础,并最终发展成为优秀的多层现场设备通讯协议,被大多数仪表和控制系统供应商支持。因此,智能设备也贴上了HART的标签。
  
  为了使用过程变量的数字值来进行实时控制并将更多信息发送至远程主机,人们对性能有更高的要求,而HART已经无法满足。随着微处理器的功能越来越强大控制工程网版权所有,除了过程变量之外,智能仪表能够提供更多有价值的信息,这进一步刺激了对更强大的网络的需求。
  
  专门为了将仪表和自动化系统连接的数字网络开始出现,其中佼佼者是基金会现场总线H1和ProfibusPA。这些平台不再使用4-20mA输出,转而使用先进的电子和软件标准来提升速度、改进诊断,带来了嵌入式本地控制等新功能。这两种现场总线和其他现场总线被标准化组织采纳,成为多家智能仪表供应商的嵌入通讯选择。
  
  最近,经过实践检验的强大的无线网络技术的出现,导致聚焦于现场设备和远程存取站点之间通讯的特定供应商和基于标准的解决方案获得发展。HART通讯基金会开发了向后兼容的无线技术并且获得IEC62591标准化认可。ISASP100.11a委员会也正在致力于无线仪表通讯的标准化认可工作。
  
  今天,智能仪表的大概定义就是包含一个或者多个数字网络通讯选项的设备。由于数字通讯要求使用微处理器,所以现代智能仪表还能提供很多种类的其他功能。
  
  智能仪表的性能
  
  成功的测量源自在正确的应用场合正确安装合适的仪表。除了自带传感器的输入,非智能仪表无法得知其他任何过程信息。但是智能仪表具有诊断功能,可以检测到安装期间的故障或者运行中的问题,这两者都会影响测量质量和/或设备可靠性。智能仪表还可以对查询做出响应,或者将状态信息发送至自动化系统以及其他联网的平台。
  
  某些智能仪表带有本地HMI,可以进行基本设置、校准和诊断功能。图片来源:E H
  
  解锁智能仪表信息的关键就是操作员接口www.cechina.cn,此接口可以是仪表上的本地显示、本地手持HMI(人机接口)或者联网HMI。与本地显示相比,HMI可以使技术人员或者操作人员与仪表之间的信息交流更加流畅。
  
  使用多种内置传感器同时测量多种过程变量并使用数字技术或者无线技术进行通讯的多变量仪表就是智能仪表的最高阶段。例如一台科里奥利流量计可以测量和/或计算质量流量、粘度、密度、温度和总流量。
  
  一些配有HART6 、无线HART或者基金会现场总线H1之类的通讯协议的智能设备可以在类似配置的仪表之间直接交换过程变量。这些过程变量被用于在现场进行加和计算,无需自动化系统或者额外计算单元的帮助。例如,一台涡街流量计可以与压力变送器接口生成经过修正的能量流,或者两台压力变送器可以相互连接生成差压值。
  
  网络时代带来了巨大的连通性、信息管理和接入选项。虽然很多技术已经被自动化平台采用,例如可编程逻辑控制器、可编程自动化控制器和离散控制系统,在将关键过程仪表接入以太网或者其他类似网络之前,仍需考虑保护和安全问题。
  
  某种程度上正式因为考虑安全和保护问题,很大一部分已经安装的仪表仍旧以古老的4-20mA信号形式将过程变量发送至自动化系统,这些变量随后在自动化系统中进行转化和管理。但是例如基金会现场总线、Profibus和Ethernet/IP的数字通讯系统和无线HART之类的的无线网状网络却越来越多地将来自于仪表的数字过程变量直接提供给自动化平台,无需使用4-20mA信号和其所需的I/O基础设备。
  
  定义能源用度、环境报表、供应链监视和过程单位监视的过程变量通常都不是自动化系统实时控制体系结构的组成部分——所以这些变量可以通过IT接入点直接从智能仪表发送至数据库,极大地简化了自动化系统和信息系统的体系结构。
  
  过程变量之外的功能
  
  智能仪表不仅仅能够将过程变量发送至多个主机,还有很多其他功能。智能仪表可以在提供仪表状态数据的同时,将测量、线性化和/或经过其他调整的原始模拟数值形成一个或者更多工程化的过程变量。这些工程化过程变量与设备数据通过现场总线或者无线网络与自动化系统和/或其他联网接入点进行数字通讯。
  
  表2列出了一些智能仪表目前能够提供的几种关键数据点,详述了其优点。例如,仪表状态数据可以指明数据质量问题或者发出警报。工程或者维护工具能够在本地使用,也可以联网使用控制工程网版权所有,评估问题,形成解决方案。可能的补救措施包括重新校准、配置更改或者更换仪表。
  
  按照溯源标准的相关定,仪表的测量输出按照校准标准进行评估,以确保测量信息的质量。很多智能仪表可以进行内部自检诊断,例如科里奥利流量计动态管测试可以显示是否需要使用可溯源方法进行校准确认。一些智能仪表提供美国国家标准技术研究院(NIST)可溯源确认工具,以支持ISO20017.7条款中规定的可溯源确认和校准要求。
  
  能够设计安全仪表系统(SIS)的4-20mA仪表生产商越来越多地按照IEC61508标准进行设备设计、生产和生命周期管理。安全系统设计人员通常都遵循IEC61511、ISA和ANSI84.01-2004安全系统生命周期管理标准,也有一部分使用带有内部诊断功能的经过IEC61508标准认证的仪表。
  
  这些经过认证的仪表可以帮助设计人员达到所要求的过程安全完整性等级(SIL)。智能SIL仪表还能够与状态监控工具交互诊断信息,以帮助完成仪表维护。
  
  随着智能仪表的普及,诊断信息的数量和复杂度急剧增加,对误差辨识和诊断代码的标准提出了要求。NAMUR的推荐技术规范NE107就是故障诊断标准化工作的一部分,它建议将来自智能仪表的诊断信息分成5类标准状态信号类别(表3)。
  
  遵循NE107的设备具有内部自监视和故障自检功能,将诊断信息分类组合,形成具有指导性的提示。降低了复杂度,减少了对操作人员和技术人员的培训,提升了安全性和仪表实用性。
  
  其他用于标准化智能仪表数据交付的工具是一些标准,即使用描述符号和术语定义每一个数据点的具体形式。目前为此目的使用的两个主要标准是电子设备描述语言(EDDL)和现场设备工具(FDT)。
  
  仪表能够变送的数据越来越多、速度越来越快,它们变得就越来越智能,为用户带来了更多的便利,同时简化了安装和操作过程。
  
  聪明到智能的蜕变
  
  仪表从非智能发展为智能仪表,真正的智能就不远了。未来的专家仪表具有多种通讯通道,每一个通信通道都具有内置的安全性,很像目前的以太网管理交换机。这些通道将会被分配IP地址并辅以服务器技术,让仪表成为真正意义上的数据服务器。
  
  一条高速通道用于将过程变量传送至实时控制器,按照仪表的通讯源,这条通道被赋以所有通道中最高的优先级。其他通讯通道将会用于直接将仪表与应用连接,例如过程监视、设备建设、环境监视、能源管理、设备管理、提前维护和高级诊断。这种直接连接将会跨越实时控制系统,简化整个自动化和信息系统的体系结构。
    
  无线HART和ISA100.11a之外的工业无线标准将会继续发展,满足用户的需求,列入NAMURNE124。用户越来越接受无线技术作为一种主流的解决方案,智能仪表信息将会越来越多地与无线接入点连接控制工程网版权所有,结果就是直接演化为控制或者IT网络数据服务器。
  
  系统设计人员和最终用户对于集成重复作业的烦恼正在迫使主流仪表生产厂商和现场总线协议组织接纳现场设备集成(FDI)规范。此FDI规范将会巩固现有的EDDL和FDT规范,应该会形成真正统一的现场设备集成体系结构,允许通过几乎任何现场总线网络连接任何现场设备。
  
  随着仪表正在朝着符合NE97和IEC61508-2之类的安全相关推荐规范发展,基于现场总线的安全过程仪表的应用将会更加广泛。经过安全认证的仪表将会与现场总线安全协议协同工作,例如CIPSafety、FoundationfieldbusSIS和PROFIsafe。
  
  所有这些发展的结合,将会带来真正意义上的智能仪表,这种仪表可以很容易实现未来自动化系统和信息系统整合。对于用户来说,这具有很强的实用意义,用户可以借此实现所有智能仪表带来的好处:更优秀的过程控制、更高效率、更低能耗、更少停机时间和更高质量。
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