推廣精密智能儀表提高企業生產效率

      導讀：從簡單的氣動設備到精密智能儀表的進化源自用戶對于更高性能、更便捷的維護和更長壽命的需求。智能儀表不但能滿足這些需求，還能提供更多，雖然代價就是智能儀表更加復雜，但是一旦理解并安裝了智能儀表，不僅有助于降低過程控制和信息系統生命周期的復雜度，還能提升性能和降低成本。
 
      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，用戶才會在進行控制改進時感覺放心。
　　
　　例如，一個過程需要*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，**起見就會將流量設置在11gpm，哪怕會增加原材料成本和處置費用。有了可信賴而且**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，通過提高效率節約成本。
　　
　　智能儀表能夠在儀表故障發生之前，將目前操作中的問題或者潛在的問題告知操作人員，進而減少故障的發生。使用大多數測量設備可以很容易地發現顯著的故障，但是只有智能儀表才能發現細微問題，而這些細微問題正是導致測量不準確的罪魁禍首，更是故障的前兆。
　　
　　何為智能儀表？
　　
　　智能儀表的定義在過去幾十年里發展演化(表1)。老式的非智能儀表是3-15psi氣動設備，通過現場單循環控制器完成控制作業。信息通常以指示表的形式在本地顯示，技術員在現場巡視，使用鋼筆和白紙手動記錄數據。如果數據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。一旦數據可以遠程變送，遠程測量、顯示和控制就有可能實現。
　　
　　帶有中央處理和I/O的控制系統的并行發展引入了新方法，能夠更有效地采集4-20mA儀表產生的信息，并將這些信息轉換成工程單位，集中處理并記錄這些信息。回路供電儀表也成為可能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，可以直接安裝在現場儀表中，這是智能儀表前進的一大步，使本地數據信號處理成為可能，造就了**批真正的智能儀表，因為這些設備可以將模擬4-20mA信號轉化成數字信號，進而在網絡上傳輸，本地微處理器也可以完成一些儀表級別的任務，即校準和診斷。
　　
　　既然智能儀表可以將過程變量和其他參數轉換成數字形式，那么現場總線網絡的產生就水到渠成。*初的現場總線網絡使用現有的4-20mA信號線作為物理傳輸媒介，手持校準設備可以接入4-20mA電流環路的任意位置。除了手持設備，一些離散控制系統隨之獲得了通訊功能并可以對過程變量和設備診斷數據進行數字存取。
　　
　　很多供應商都有自己的網絡，使用現有的4-20mA信號作為傳輸媒介，HART技術的適時出現，統一了各種不兼容的網絡。HART成為了供應商的中立基礎，并*終發展成為優良的多層現場設備通訊協議，被大多數儀表和控制系統供應商支持。因此，智能設備也貼上了HART的標簽。
　　
　　為了使用過程變量的數字值來進行實時控制并將更多信息發送至遠程主機，人們對性能有更高的要求，而HART已經無法滿足。隨著微處理器的功能越來越強大控制工程網版權所有，除了過程變量之外，智能儀表能夠提供更多有價值的信息，這進一步刺激了對更強大的網絡的需求。
　　
　　專門為了將儀表和自動化系統連接的數字網絡開始出現，其中佼佼者是基金會現場總線H1和ProfibusPA。這些平臺不再使用4-20mA輸出，轉而使用先進的電子和軟件標準來提升速度、改進診斷，帶來了嵌入式本地控制等新功能。這兩種現場總線和其他現場總線被標準化組織采納，成為多家智能儀表供應商的嵌入通訊選擇。
　　
　　*近，經過實踐檢驗的強大的無線網絡技術的出現，導致聚焦于現場設備和遠程存取站點之間通訊的特定供應商和基于標準的解決方案獲得發展。HART通訊基金會開發了向后兼容的無線技術并且獲得IEC62591標準化認可。ISASP100.11a委員會也正在致力于無線儀表通訊的標準化認可工作。
　　
　　今天，智能儀表的大概定義就是包含一個或者多個數字網絡通訊選項的設備。由于數字通訊要求使用微處理器，所以現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量和/或設備可靠性。智能儀表還可以對查詢做出響應，或者將狀態信息發送至自動化系統以及其他聯網的平臺。
　　
　　某些智能儀表帶有本地HMI，可以進行基本設置、校準和診斷功能。圖片來源：E H
　　
　　解鎖智能儀表信息的關鍵就是操作員接口www.cechina.cn，此接口可以是儀表上的本地顯示、本地手持HMI(人機接口)或者聯網HMI。與本地顯示相比，HMI可以使技術人員或者操作人員與儀表之間的信息交流更加流暢。
　　
　　使用多種內置傳感器同時測量多種過程變量并使用數字技術或者無線技術進行通訊的多變量儀表就是智能儀表的*高階段。例如一臺科里奧利流量計可以測量和/或計算質量流量、粘度、密度、溫度和總流量。
　　
　　一些配有HART6 、無線HART或者基金會現場總線H1之類的通訊協議的智能設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場進行加和計算，無需自動化系統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。
　　
　　網絡時代帶來了巨大的連通性、信息管理和接入選項。雖然很多技術已經被自動化平臺采用，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，在將關鍵過程儀表接入以太網或者其他類似網絡之前，仍需考慮保護和**問題。
　　
　　某種程度上正式因為考慮**和保護問題，很大一部分已經安裝的儀表仍舊以古老的4-20mA信號形式將過程變量發送至自動化系統，這些變量隨后在自動化系統中進行轉化和管理。但是例如基金會現場總線、Profibus和Ethernet/IP的數字通訊系統和無線HART之類的的無線網狀網絡卻越來越多地將來自于儀表的數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基礎設備。
　　
　　定義能源用度、環境報表、供應鏈監視和過程單位監視的過程變量通常都不是自動化系統實時控制體系結構的組成部分——所以這些變量可以通過IT接入點直接從智能儀表發送至數據庫，極大地簡化了自動化系統和信息系統的體系結構。
　　
　　過程變量之外的功能
　　
　　智能儀表不僅僅能夠將過程變量發送至多個主機，還有很多其他功能。智能儀表可以在提供儀表狀態數據的同時，將測量、線性化和/或經過其他調整的原始模擬數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備數據通過現場總線或者無線網絡與自動化系統和/或其他聯網接入點進行數字通訊。
　　
　　表2列出了一些智能儀表目前能夠提供的幾種關鍵數據點，詳述了其優點。例如，儀表狀態數據可以指明數據質量問題或者發出警報。工程或者維護工具能夠在本地使用，也可以聯網使用控制工程網版權所有，評估問題，形成解決方案。可能的補救措施包括重新校準、配置更改或者更換儀表。
　　
　　按照溯源標準的相關定，儀表的測量輸出按照校準標準進行評估，以確保測量信息的質量。很多智能儀表可以進行內部自檢診斷，例如科里奧利流量計動態管測試可以顯示是否需要使用可溯源方法進行校準確認。一些智能儀表提供美國國家標準技術研究院(NIST)可溯源確認工具，以支持ISO20017.7條款中規定的可溯源確認和校準要求。
　　
　　能夠設計**儀表系統(SIS)的4-20mA儀表生產商越來越多地按照IEC61508標準進行設備設計、生產和生命周期管理。**系統設計人員通常都遵循IEC61511、ISA和ANSI84.01-2004**系統生命周期管理標準，也有一部分使用帶有內部診斷功能的經過IEC61508標準認證的儀表。
　　
　　這些經過認證的儀表可以幫助設計人員達到所要求的過程**完整性等級(SIL)。智能SIL儀表還能夠與狀態監控工具交互診斷信息，以幫助完成儀表維護。
　　
　　隨著智能儀表的普及，診斷信息的數量和復雜度急劇增加，對誤差辨識和診斷代碼的標準提出了要求。NAMUR的推薦技術規范NE107就是故障診斷標準化工作的一部分，它建議將來自智能儀表的診斷信息分成5類標準狀態信號類別(表3)。
　　
　　遵循NE107的設備具有內部自監視和故障自檢功能，將診斷信息分類組合，形成具有指導性的提示。降低了復雜度，減少了對操作人員和技術人員的培訓，提升了**性和儀表實用性。
　　
　　其他用于標準化智能儀表數據交付的工具是一些標準，即使用描述符號和術語定義每一個數據點的具體形式。目前為此目的使用的兩個主要標準是電子設備描述語言(EDDL)和現場設備工具(FDT)。
　　
　　儀表能夠變送的數據越來越多、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
　　
　　儀表從非智能發展為智能儀表，真正的智能就不遠了。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置的**性，很像目前的以太網管理交換機。這些通道將會被分配IP地址并輔以服務器技術，讓儀表成為真正意義上的數據服務器。
　　
　　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*高的優先級。其他通訊通道將會用于直接將儀表與應用連接，例如過程監視、設備建設、環境監視、能源管理、設備管理、提前維護和**診斷。這種直接連接將會跨越實時控制系統，簡化整個自動化和信息系統的體系結構。
　　　　
　　無線HART和ISA100.11a之外的工業無線標準將會繼續發展，滿足用戶的需求，列入NAMURNE124。用戶越來越接受無線技術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版權所有，結果就是直接演化為控制或者IT網絡數據服務器。
　　
　　系統設計人員和*終用戶對于集成重復作業的煩惱正在迫使主流儀表生產廠商和現場總線協議組織接納現場設備集成(FDI)規范。此FDI規范將會鞏固現有的EDDL和FDT規范，應該會形成真正統一的現場設備集成體系結構，允許通過幾乎任何現場總線網絡連接任何現場設備。
　　
　　隨著儀表正在朝著符合NE97和IEC61508-2之類的**相關推薦規范發展，基于現場總線的**過程儀表的應用將會更加廣泛。經過**認證的儀表將會與現場總線**協議協同工作，例如CIPSafety、FoundationfieldbusSIS和PROFIsafe。
　　
　　所有這些發展的結合，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未來自動化系統和信息系統整合。對于用戶來說，這具有很強的實用意義，用戶可以借此實現所有智能儀表帶來的好處：更優良的過程控制、更高效率、更低能耗、更少停機時間和更高質量。