過(guò)程變量變送器的發(fā)展趨勢(shì)

過(guò)程變量變送器的發(fā)展趨勢(shì)

張衛(wèi)民

一、什么是過(guò)程變量變送器（PVT） 為實(shí)現(xiàn)水泥工藝過(guò)程控制，自動(dòng)化控制系統(tǒng)中必須從現(xiàn)場(chǎng)采集工藝過(guò)程變量。過(guò)程變量主要集中于四大類，即壓力、溫度、料位、流量，所謂過(guò)程變量變送器是將傳感器感受的物理量的變化轉(zhuǎn)換為準(zhǔn)確的、標(biāo)準(zhǔn)的模擬或數(shù)字信號(hào)，并向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送，實(shí)現(xiàn)在現(xiàn)場(chǎng)的過(guò)程傳感器和控制系統(tǒng)的連接。過(guò)程變量變送器在控制系統(tǒng)金字塔模型中處于最下層，卻是十分關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，一個(gè)典型的5000t/d的水泥生產(chǎn)線需檢測(cè)的過(guò)程變量約為500～600個(gè)，需報(bào)警的點(diǎn)約為1000個(gè)。據(jù)中聯(lián)水泥集團(tuán)下屬某一條2500t/d生產(chǎn)線的統(tǒng)計(jì)，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)要監(jiān)控的過(guò)程變量有495個(gè)，需報(bào)警的點(diǎn)約在720個(gè)，故一條2500t/d水泥生產(chǎn)線，需要的過(guò)程變量變送器就在500個(gè)左右?；谶^(guò)程變量變送器應(yīng)用面廣，數(shù)量多，又是工藝監(jiān)控必不可少的，各大水泥集團(tuán)十分重視過(guò)程變量變送器的選用。近二十多年來(lái)，傳感器和變送器技術(shù)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，如靈敏度的提高、響應(yīng)時(shí)間的降低、遲滯性的降低，以及長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定性和耐久性等，這些特性使得過(guò)程變送器變得更精確、更可靠、更穩(wěn)定、更安全。隨著新型干法水泥工藝不斷改進(jìn)以及電子技術(shù)的突飛猛進(jìn)，過(guò)程變量變送器也經(jīng)歷由模擬式、智能式和數(shù)字智能式三代產(chǎn)品，我國(guó)水泥生產(chǎn)線上安裝的過(guò)程變量變送器也由模擬式到智能式，并開(kāi)始采用帶有現(xiàn)場(chǎng)總線FF或PROFIBUS-PA協(xié)議的變送器。 二、壓力變送器的技術(shù)發(fā)展 壓力、差壓變送器是過(guò)程變量變送器中最重要的一類，應(yīng)用范圍很廣，除了可用于壓力、差壓測(cè)量之外，還可用于流量、液位、比重等其他參數(shù)測(cè)量。一條5000t/d的水泥生產(chǎn)線，在工藝流程各關(guān)鍵部位必須設(shè)置壓力變送器，如在窯頭、窯尾，各級(jí)預(yù)熱器的頂部和底部，各次風(fēng)管和冷卻機(jī)各室等，以監(jiān)控工藝正常運(yùn)行。據(jù)統(tǒng)計(jì)，一條新型干法水泥生產(chǎn)線共需設(shè)置壓力變送器約為80臺(tái)。 壓力變送器按測(cè)量機(jī)理來(lái)分，最常用的有電容式、電感式、擴(kuò)散硅、振弦式等。近幾年來(lái)ABB、YOKOGAVA等公司又推出單晶硅諧振式和復(fù)合固態(tài)硅為測(cè)量機(jī)理的新型變送器，其各方面性能進(jìn)一步提高；按結(jié)構(gòu)形式變送器將其分為模擬式、智能式和數(shù)字智能式三代產(chǎn)品。上世紀(jì)80年代我國(guó)自行建設(shè)的水泥廠，大多采用西安儀表廠引進(jìn)的羅斯蒙特公司的1151系列變送器，除了用于測(cè)窯頭負(fù)壓的DR型微差壓變送器的精確度是0.5%以外，其余大多是0.25%，它的特點(diǎn)是采用4mA～20mA傳輸?shù)哪M儀表，就地顯示表頭為指針式，量程比在6：1左右，穩(wěn)定性為6個(gè)月，這是第一代模擬式變送器。第二代產(chǎn)品是智能變送器，所謂智能的概念是：傳感器和變送器是由微處理器驅(qū)動(dòng)，并且具有通信與自我診斷的能力。美國(guó)Honeywell公司在1983年最早推出智能變送器ST3000，1989年又推出全數(shù)字雙向協(xié)議的智能變送器，以后包括羅斯蒙特在內(nèi)的許多公司，也紛紛推出智能變送器。智能壓力變送器除了有高精確度（0.1%～0.075%），大量程比（最大可到100：1）和高穩(wěn)定性（1～5年）外，它一般帶有HART協(xié)議或本公司的協(xié)議，如ABB的BaileyFSK，YOKOGAVA的BRAIN協(xié)議，后期的產(chǎn)品還帶有符合現(xiàn)場(chǎng)總線國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的FF或PROFIBUS-PA協(xié)議，它就地顯示表改為數(shù)字式，還可用手操器或在控制系統(tǒng)遠(yuǎn)程組態(tài)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)方設(shè)定或遠(yuǎn)方修改變送器組態(tài)數(shù)據(jù)。近幾年來(lái)我國(guó)新上馬的新型干法水泥廠幾乎全采用了智能壓力變送器，主要產(chǎn)品有：重慶橫河川儀生產(chǎn)的EJA系列變送器，E+H的CerabarS變送器，ABB的MV2000T，西門子的SITRANSP以及羅斯蒙特升級(jí)的1151和3051C變送器，有許多廠還選用了帶有FF或PROFIBUS-PA協(xié)議的智能壓力變送器。 進(jìn)入21世紀(jì)，第三代變送器——數(shù)字智能式變送器又逐步進(jìn)入我們的視野，其代表性的產(chǎn)品是羅斯蒙特的3051S變送器、ABB的2600T265系列變送器、橫河的EJX變送器等。第三代變送器由于采用了先進(jìn)的檢測(cè)技術(shù)，消除了濕氣、粉塵及其他現(xiàn)場(chǎng)惡劣環(huán)境對(duì)變送器測(cè)量的影響，精確度更高，據(jù)稱它的精確度均優(yōu)于0.05%；量程分檔更細(xì)，量程比擴(kuò)大到2001；穩(wěn)定性達(dá)到5年以上；通訊協(xié)議更全，新的變送器還通過(guò)了安全論證，能保證在工藝條件超過(guò)臨界值時(shí)安全停機(jī)。由于第二代變送器已能滿足水泥廠監(jiān)控要求，且第三代變送器價(jià)格還較高，故筆者認(rèn)為在水泥廠暫不宜推廣。 三、智能溫度變送器的技術(shù)發(fā)展 溫度也是過(guò)程變量變送器中很重要的一類，它是測(cè)量流量、密度及其他過(guò)程變量的基本要素之一。一條5000t/d的水泥生產(chǎn)線，在工藝流程及重要設(shè)備的關(guān)鍵部位必須設(shè)置溫度變送器，據(jù)統(tǒng)計(jì)，一條新型干法水泥生產(chǎn)線共需設(shè)置壓力變送器約為80～100臺(tái)。 基于在溫度測(cè)量的發(fā)展上已取得了巨大進(jìn)步，它也促進(jìn)了在過(guò)程控制工業(yè)領(lǐng)域中溫度變送器精確度、可靠性和重復(fù)性的提高，同時(shí)也為過(guò)程控制質(zhì)量的不斷提高做出了貢獻(xiàn)。 所謂智能溫度變送器指的是將溫度傳感器技術(shù)和附加的電子部件結(jié)合在一起的一種溫度變送器，它可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)方設(shè)定或遠(yuǎn)方修改組態(tài)數(shù)據(jù)?？v觀當(dāng)前的溫度變送器市場(chǎng)及水泥行業(yè)的應(yīng)用，主要有三大類不同的智能溫度變送器產(chǎn)品。從應(yīng)用和成本的角度來(lái)看，每一類智能溫度變送器都有其優(yōu)點(diǎn)和不足之處。 1. 防風(fēng)雨型溫度變送器這類溫度變送器通常裝在對(duì)變送器性能有很高要求、苛刻的應(yīng)用場(chǎng)合，如在窯尾、分解爐、五級(jí)預(yù)熱器等。這類溫度變送器被封裝在密封的殼體內(nèi)，而這種殼體通常由不銹鋼制成，其特點(diǎn)是精確度高、可靠性高、安全性好、防風(fēng)雨，它的主要缺點(diǎn)是價(jià)格較高。它通常都帶有現(xiàn)場(chǎng)表頭，可現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)視、調(diào)整和組態(tài)。代表性的產(chǎn)品是EMERSON生產(chǎn)的3144、3244和北京遠(yuǎn)東的444，另外E+H和西門子也有同類產(chǎn)品。 2. DIN導(dǎo)軌安裝、儀表盤(pán)安裝型溫度變送器這類溫度變送器可以采用DIN導(dǎo)軌安裝，通常在控制室內(nèi)安裝使用。它價(jià)格便宜，安裝和維護(hù)簡(jiǎn)單，可以通過(guò)改變組態(tài)來(lái)匹配不同類型的溫度傳感器。由于同遠(yuǎn)程安裝的傳感器之間的連接導(dǎo)線較長(zhǎng)導(dǎo)致測(cè)量精確度較低。在水泥廠磨系統(tǒng)可推薦使用這類溫度變送器。 3. 一體化溫度變送器這類溫度變送器可以直接安裝在溫度傳感器的DIN連接頭上，它的優(yōu)點(diǎn)是安裝費(fèi)用低廉，體積小巧，兼容各種類型的溫度傳感器。由于這種溫度變送器直接安裝在溫度傳感器的接頭上，所以電氣連接和傳感器接線都非常簡(jiǎn)單。水泥廠的窯系統(tǒng)除要求高的部位外，可采用一體化溫度變送器，磨系統(tǒng)也可選用。 智能溫度變送器所采用的通訊協(xié)議和壓力變送器一樣，處于支配地位是HART協(xié)議，另外還帶有符合現(xiàn)場(chǎng)總線國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的FF或PROFIBUS-PA協(xié)議的產(chǎn)品。 四、過(guò)程變量變送器的技術(shù)發(fā)展 當(dāng)前過(guò)程變量變送器主要發(fā)展趨勢(shì)是無(wú)線應(yīng)用、更小的外形尺寸及多變量過(guò)程變送器的應(yīng)用。由于有些水泥大集團(tuán)局部輔助流程已采用了無(wú)線技術(shù)，如冀東水泥集團(tuán)在循環(huán)水泵站已采用了無(wú)線控制，浙江有些水泥廠采用無(wú)線控制裝卸散裝水泥船等，無(wú)線變送器也將受到我國(guó)水泥行業(yè)的關(guān)注。將無(wú)線功能加到過(guò)程變量變送器是物有所值，考慮到有些水泥廠占有的物理空間很大，有些工藝測(cè)量的位置難于安裝，而有些工藝測(cè)量點(diǎn)環(huán)境十分惡劣，用傳統(tǒng)的硬連線安裝器件成本又過(guò)高，如果消除過(guò)程變量變送器和控制電路之間連接，改用無(wú)線通訊能夠節(jié)約能源，減少配線和維護(hù)費(fèi)用，故將無(wú)線功能加到過(guò)程變量變送器是物有所值，無(wú)線通訊技術(shù)也是繼現(xiàn)場(chǎng)總線和工業(yè)以太網(wǎng)后又一熱點(diǎn)技術(shù)。無(wú)線變量變送器典型產(chǎn)品和應(yīng)用是2004年美國(guó)Honeywell公司推出的基于Zig-Bee無(wú)線傳輸協(xié)議的無(wú)線壓力變送器XYR5000系列，它可監(jiān)控壓力、差壓、時(shí)間和超聲噪音，它們帶有用以添加無(wú)線功能到4mA～20mA器件上的模擬輸入接口以及可選的外部天線，它的精確度為±0.1%，電池的使用壽命是5年。 在新型干法水泥生產(chǎn)線中，過(guò)程變量變送器作為監(jiān)控的眼睛是非常重要的，它精確度、可靠性、穩(wěn)定性、安全性的提高，為過(guò)程控制質(zhì)量和最終產(chǎn)品質(zhì)量的不斷提高做出了貢獻(xiàn)。