化工厂中的智能传感器

刘涛

一般的传感器只能作为敏感元件，须配上变换仪表来检测物理量、化学量等的变化。随着微电子技术的发展，出现了智能传感器。智能传感器采用超大规模集成电路，利用嵌入软件协调内部操作，在完成输入信号的非线性补偿、零点错误、温度补偿、故障诊断等基础上，还可完成对工业过程的控制，使控制系统的功能进一步分散。
智能传感器集成了传感器、智能仪表全部功能及部分控制功能，具有很高的线性度和低的温度漂移，降低了系统的复杂性、简化了系统结构。特点如下：
● 一定程度的人工智能是硬件与软件的结合体，可实现学习功能，更能体现仪表在控制系统中的作用。可以根据不同的测量要求，选择合适的方案，并能对信息进行综合处理，对系统状态进行预测。
% F# ~  ?) R, m" X● 多敏感功能将原来分散的、各自独立的单敏传感器集成为具有多敏感功能的传感器，能同时测量多种物理量和化学量，全面反映被测量的综合信息。
7 x' U9 k0 `4 C4 I7 P● 精度高、测量范围宽随时检测出被测量的变化对检测元件特性的影响，并完成各种运算，其输出信号更为精确，同时其量程比可达100:1，最高达400:1，可用一个智能传感器应付很宽的测量范围，特别适用于要求量程比大的控制场合。
$ }6 e1 v4 B. e2 B" y! y● 通信功能可采用标准化总线接口，进行信息交换，这是智能传感器的关键标志之一。
1 G4 S  E# Z3 I1 ^2 h" s4 {- F  T智能传感器的出现将复杂信号由集中型处理变成分散型处理，即可以保证数据处理的质量，提高抗干扰性能，同时又降低系统的成本。它使传感器由单一功能、单一检测向多功能和多变量检测发展，使传感器由被动进行信号转换向主动控制和主动进行信息处理方向发展，并使传感器由孤立的元件向系统化、网络化发展。
! E8 @% ]7 T8 ]) T2 z7 I. e化工厂中的智能传感器与仪表工程
; G( ~1 I  f% F图1为化工厂某仪表工程项目示意图，液体通过阀门定位器进入化工槽罐，在进口管道中安装了电磁流量计，以进行瞬时流量和累计流量的控制；在化工槽罐底部安装了压力传感器，以进行液位的检测。该项目由于在化工现场，需要本质安全型仪表，且需要进行数据交换，控制精度要求高。
% K. A3 K0 p- I8 w% q
# S& b8 D, j' D- E* e图1、化工厂某仪表工程项目的示意图根据工程需要，结合西门子PLC控制的实际情况，化工厂仪表工程项目可以按照如图2进行控制系统构建。

图2、控制系统构建该控制系统中，DP/PA耦合器是PROFIBUS-DP和PROFIBUS-PA两种总线的结合点和物理连接器。DP/PA耦合器可以单独使用，也可以和DP Link配合使用，在本项目中单独使用即可。
% Q' B  L; ~5 g; D. l( O/ M& J5 R/ tD P / PA耦合器有两种型号， 即Exi DP/PA耦合器和FDC 157-0 DP/PA耦合器，前者最大输出电流110mA，用于防爆场合；后者最大输出电流为1000mA。由于控制柜安装在中央控制室，只有传感器和执行器安装在现场，需要本安型现场仪表，因此从经济的角度出发选择FDC 157-0 DP/P耦合器。
压力传感器选型 SITRANS P DSⅢ为智能数字压力变送器，带有HART、PROFIBUS PA或FF总线通讯，具有按键操作、诊断功能以及高精度等特点（如图3所示）。该智能压力变送器主要用于压力、压差、绝压和液位测量，具有特殊的安全标准。
/ T# I2 `) g5 @" ^$ N
图3、压力传感器SITRANS P DSIIISITRANS P智能压力变送器先进的诊断功能有：
● 双时间寄存器可以设置何时需要预防维护或是校准的提示信号。
● 可以任意调节的三个极限值，这就意味着可以执行预设定报警或温度监控。
8 R0 `1 V$ F" U# U● 超限记录：采用不可恢复的瞬间实际值记录压力的最大/最小值，传感器温度和电子单元的温度。记录信息也包括SITRANS P的状态、进程和环境温度等。
● 仿真功能：使变送器可以对传感器后面的电子部分和整个回路进行检查，例如对于开车前的系统调试。这提供了重要的信息：变送器电子部分是否正常工作? 多少压力时产生超限响应？控制回路是否正常工作？所有显示功能是否起作用？
" G& z" b/ c1 U: P1 x) p# V2 g) M● 简单的即插即用功能：在现场，如果变送器在电子或测量单元出现故障，可以只替换故障的部件，无需重新校准。
  e( G- w, ?2 ~3 b( h1 s● 现场调校更容易：DS III系列智能变送器具有独特的就地按钮。通过就地按钮，可对变送器进行各种功能组态，如零点调整、加压和不加压的测量上下限的设定、单位选择、阻尼设定、输出选择等。此外，由于就地按钮采用磁感应原理，因而即使在危险场所，无需打开变送器表盖，无需采用任何专用工具，也可以调整参数，运用自如。此外还可以锁定组态按钮，以避免误操作。
流量传感器选型 在本安类型中，SITRANS FM系列电磁流量计拥有满足ATEX和FM认证的各个量程的类型，包括分体式和一体式安装。它具有本质安全级输入输出、符合NAMUR NE 21、多信息和多语言显示、实时流量和累积正反向流量、高级的自诊断功能和出错记录。在化学工业中常常具有苛刻环境，因而要求使用宽范围防腐材质。西门子SITRANS FM提供的衬里、电极和外壳材质都可以经受住如此苛刻的过程介质的腐蚀。

3 P- B1 S0 p/ d! _图4、气动阀门定位器门定位器选型 如图4 所示的SIPART PS2系列阀门定位器具有以下特点：
● 自动初始化。SIPART PS2可以在很短的几分钟内，通过简单的菜单进行自动初始化设定。在这个过程中，微处理器可以自己确定零点、终点位置、运动方向和速度。从这些项可以确定最小脉冲时间和死区并且进行优化控制。
8 h# G3 i( {/ a6 d● 低耗气量。SIPART PS2的另一个显著的特点是极低的耗气量，传统的阀门定位器在工作中会有很多仪表空气的排放或泄漏，造成仪表空气的较大需求，产生高的运行成本。由于新压电阀的技术，SIPART PS2在阀门不动作时不会有任何仪表空气排放，只在最需要的时间（即阀门动作的时候）用气。
● 丰富的诊断功能。新型的SIPART PS2可以提供更多的参数和附加诊断信息，包括工作时间记录、当前温度、最小/最大温度、每个温度段的工作时间、在线控制阀座（上、下行程位置）、监视或显示可调阈值等。
阀门定位器的选型结束后就是安装接线，如图5所示为仪表PA总线接线。
4 ?) s! R( {" O, }  r- R( ^
图5、仪表PA总线接线
文章关键词： 化工、传感器、测量