過程變量變送器及其發(fā)展趨勢

一．    什么是過程變量變送器(PVT) 

為實(shí)現(xiàn)水泥工藝過程控制，自動化控制系統(tǒng)中必須從現(xiàn)場采集工藝過程變量。過程變量主要集中于四大類，即“壓力、溫度、料位、流量”，所謂過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，并向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送，實(shí)現(xiàn)在現(xiàn)場的過程傳感器和控制系統(tǒng)的連接。過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)線需檢測的過程變量約為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，需要的過程變量變送器就在500個(gè)左右?；谶^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)十分重視過程變量變送器的選用。近二十多年來，傳感器和變送器技術(shù)取得了長足的進(jìn)步，如靈敏度的提高、響應(yīng)時(shí)間的降低、遲滯性的降低、以及長時(shí)間的穩(wěn)定性和耐久性等，這些特性使得過程變送器變?yōu)楦_、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)，過程變量變送器也經(jīng)歷了由模擬式、智能式、數(shù)字智能式三代產(chǎn)品，我國水泥生產(chǎn)線上安裝的過程變量變送器也有模擬式到智能式，并開始采用帶有 現(xiàn)場總線 FF或PROFIBUS-PA協(xié)議的變送器。我們先以壓力變送器為例，論述過程變量變送器的技術(shù)發(fā)展。 

二．    壓力變送器的技術(shù)發(fā)展 
 
壓力、差壓變送器是過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、差壓測量之外，還可用于流量、液位、比重等其他參數(shù)測量。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。 

壓力變送器按測量機(jī)理來分，最常用的有電容式、電感式、擴(kuò)散硅，振弦式等，近幾年來ABB，YOKOGAVA等公司又推出單晶硅諧振式和復(fù)合固態(tài)硅為測量機(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、數(shù)字智能式三代產(chǎn)品。八十年代我國自行建設(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4~20mA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”概念是：傳感器和變送器是由微處理器驅(qū)動，并且具有通信與自我診斷的能力。美國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Bailey FSK, YOKOGAVA的BRAIN協(xié)議，在后期的產(chǎn)品還帶有符合現(xiàn)場總線國際標(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)。近幾年來我國新上馬的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Cerabar S變送器, ABB的MV2000T，西門子的SITRANS P以及羅斯蒙特升級的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走入我們的視野，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)的檢測技術(shù)，消除了濕氣、粉塵及其他現(xiàn)場惡劣環(huán)境對變送器測量的影響，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，新的變送器還通過了安全論證，能保證在工藝條件超過臨界值時(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 
  
溫度也是過程變量變送器中很重要的一類，它是測量流量、密度及其他過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。 
基于在溫度測量的發(fā)展上已取得了巨大進(jìn)步，它也促進(jìn)了在過程控制工業(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)。縱觀當(dāng)前的溫度變送器市場及水泥行業(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變送器性能有很高要求，苛刻的應(yīng)用場合，如在窯尾、分解爐、五級預(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)場表頭，可現(xiàn)場監(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E+H和西門子也有同類產(chǎn)品。 

2．    DIN導(dǎo)軌安裝、儀表盤安裝型溫度變送器 
  
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)簡單，可以通過改變組態(tài)來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)線較長導(dǎo)致測量精確度較低。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)場總線國際標(biāo)準(zhǔn)的FF或PROFIBUS-PA協(xié)議的產(chǎn)品。 

物位和流量過程變量變送器筆者在“新型流量計(jì)開始在水泥行業(yè)應(yīng)用”和“現(xiàn)代化的水泥儲存和檢測計(jì)量技術(shù)”等文章中已有論述，這里不再贅述。 

四．    過程變量變送器的技術(shù)發(fā)展 
  
當(dāng)前過程變量變送器主要發(fā)展趨勢是無線應(yīng)用、更小的外形尺寸、多變量過程變送器的應(yīng)用。由于有些水泥大集團(tuán)局部輔助流程已采用了無線技術(shù)，如冀東水泥集團(tuán)在循環(huán)水泵站已采用了無線控制，浙江有些水泥廠采用無線控制裝卸散裝水泥船等，無線變送器也將受到我國水泥行業(yè)的關(guān)注。將無線功能加到過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，有些工藝測量的位置難于安裝，而有些工藝測量點(diǎn)環(huán)境十分惡劣，用傳統(tǒng)的硬連線安裝器件成本又過高，如果消除過程變量變送器和控制電路之間連接，改用無線通訊能夠節(jié)約能源，減少配線和維護(hù)費(fèi)用，故將無線功能加到過程變量變送器是物有所值，無線通訊技術(shù)也是繼現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網(wǎng)后又一熱點(diǎn)技術(shù)。無線變量變送器典型產(chǎn)品和應(yīng)用是2004年美國Honeywell公司推出的基于ZigBee無線傳輸協(xié)議的無線壓力變送器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線功能到4~20mA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% ，電池的使用壽命是五年。 
至于過程變送器有更小的外形尺寸、多變量過程變送器的論述限于篇幅，我們在這里不再論述。 

五．結(jié)論 

在新型干法水泥生產(chǎn)線中，過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)。