使用多变量仪器扩展边缘数据收集

高级过程仪器的一个鲜为人知的好处是它通常能够测量多个变量。例如，压力变送器可以提供温度读数。并非每种类型的仪器都是如此，因为有些仪器的功能比其他仪器更强。仪器越简单，比如用来测量温度的仪器，变量就越少。另一方面，复杂的仪器，如差压(DP)流量计往往测量或推断多个过程变量。

这些二级、三级和更大的变量来源于各种各样的来源。有些只是为了补偿初级测量。例如，许多用于测量压力的传感器(压阻式、电容式和其他)需要对温度进行补偿，因此变送器必须包括一个内部温度传感器作为调节因子。

在其他情况下，包括不同类型的传感器扩展了仪器的能力和多功能性。让我们来看看这些和其他场景，并研究在工业物联网(IIoT)上下文中捕获其他信息。

严格的补偿

如前所述，传感元件会受到操作条件的影响。例如，压力仪器中使用的压阻式传感器在10°C时的读数为100磅/平方英寸(psi)，与在80°C时的读数不同。变送器必须有一个内部传感器来确定压力传感器的温度，以便读数可以适当调整。

一个聪明的工程师可能会意识到有一个捕获温度读数的规定。但这在实践中如何实现呢?首先，仪器制造商必须为压力传感器本身提供补偿读数，这样温度传感器就可以捕获该值，但该温度可能无法反映过程。它可以在某些情况下，但压力传感器也可能与工艺流体有一定距离并有效绝缘。温度读数可以简单地监测变送器外壳内部。任何使用温度读数的人都必须了解它来自哪里以及它代表什么。

我ntentionally变量

在某些情况下，仪器旨在提供一系列信息，因此在过程介质中插入一个或多个传感器以达到最高的精度。让我们来看一个具体的例子。

DP流量计是最常用的流量测量技术。这个概念很简单:当一个障碍物(主元件)被放置在流体流动的路径上时，将会有一个压降，与通过主元件的流体体积成正比。DP变送器测量压降，其电子元件将压降转换为流量读数。这是来自变送器的主要变量，但是还有其他可能的测量吗?

多变量变送器在单个变送器内具有额外的传感器。附加的压力传感器位于变送器模块内，用于测量管路压力。而不是简单地知道压差是3psi，这种额外的测量可以知道主元件上游和下游的压力。此外，多变量变送器可以从温度传感器读取读数。这些有效的过程读数可以作为单独的值使用，而不需要在同一条线上安装单独的压力或温度变送器。

计算流量只需要知道压差。这可能就足够了，但通常一个流量测量点需要完全补偿超过25个参数，包括密度、粘度和流量系数。补偿这些参数的关键是温度。获得准确的过程温度读数需要温度传感器在正确的位置(图1)，这在大多数情况下意味着另一个过程渗透。DP流量计组件可以将温度传感器作为其安装的一部分，确保可靠的质量流量测量的准确读数。

有已知的特征

当可以测量DP、管道压力和流体温度时，这三个值可以与输入到变送器配置中的测量值相结合(图2)。如果工厂人员向变送器提供流体类型、主要元件配置和管道尺寸，则可以计算一系列过程测量值，例如:

• 质量流量
• 体积流量
• 能量流，和
• 总结了流。

这些测量结果可以由一个具有一个主输出的仪器产生。如果将这种复杂的仪器安装在传统的模拟I/O环境中，操作人员将获得一个可变流量，仅此而已。工程师在观看发射机的本地显示时，可能会看到发射机内部实际情况的迹象。它将从变量步进到变量，显示流量值，DP读数，温度和可能的线路压力，这取决于变送器的配置方式。这意味着错失了一个机会。

获取补充数据

在大多数环境中，试图与现有过程仪器进行交互的技术人员面临着挑战。通过传统的4-20 mA模拟环路与分布式控制系统(DCS)通信的现场仪器不容易与IIoT网络协议接口。可以通过与之相连的DCS或历史机访问特定的仪器。但是，如果DCS的I/O基础设施已经使用了几年以上，那么它可能仅限于普通的模拟环路。

那么，多变量仪器(如DP流量计)如何将其额外的数据发送到主机系统呢?

最简单的答案是通过数字过程现场总线协议，如Foundationwpe现场总线。协议可以轻松地发送大量信息，至少就现场仪器创建的数据量而言，这在IT标准下仍然相当低。一台DP流量计可以通过现场总线信号发送一个、两个或多个变量，主机系统可以处理所有的数据和信息。使用IIoT协议(如以太网/IP)进入主机系统应该是易于管理和直接的。然而，使用现场总线I/O的工厂仍然是少数，尽管这种情况正在改善。

第二种解决方案是使用支持hart的I/O，它几乎和现场总线一样简单，具体取决于DCS。如果DCS的使用年限小于10年，则可以配置智能I/O，能够读取叠加在常规4- 20ma信号上的HART信息。这个HART信号可以被主机系统检测和解码，显示仪器发送的附加数据。如果工厂是渐进式的，并且正在使用这种类型的I/O，则提取额外的数据类似于现场总线系统，尽管HART的可用带宽较低，因此信息的流动速度不会那么快。然而，不幸的是，即使是一些新的DCS平台也不包括支持hart的I/O。

如果现场总线和Hart都不可用，解决方案就会变得更加复杂。一些工厂通过添加HART多路复用器克服了传统I/O的限制。单个设备从一组仪器中捕获HART数据，按顺序扫描它们。带宽限制使其成为一个缓慢的过程，不适合监视快速变化的变量。

使用HART信号转换器是捕获单个仪器(如DP流量计)额外读数的另一种方式。它读取来自发射器的数据，捕获附加变量并将其作为4-20 mA输出。就好像多变量仪器实际上是一组独立的仪器，每个仪器都有自己的4-20 mA输出。

无线的简洁性

如果没有刚才提到的复杂的I/O方法之一，添加一个WirelessHART适配器(或使用本地WirelessHART发射器)可以说是将过程数据(无论是简单的还是多变量的)获取到IIoT环境中的最佳接口。适配器(图3)安装在发射器外壳上，可以将数据发送到WirelessHART网关，而不会中断与主机系统建立的有线连接。由于WirelessHART是数字的，网关可以将其转换为以太网或其他协议，如Modbus RTU。近年来，安装WirelessHART基础设施的工厂数量迅速增加，因此对许多工厂来说，在网络中再添加一个设备是一件很简单的事情。大多数支持hart的仪器都可以配置为根据需要优先考虑变量。

使用WirelessHART解决了多变量捕获和模拟到iiot转换问题，允许用户最大限度地提高仪器和技术网络功能的多功能性，即使在传统环境中也是如此。其结果是使用领先的工业物联网技术和协议轻松访问安装。

本文发表在面向工程师的IIoT补充的控制工程和设备工程。请参阅下面增刊中的其他文章。

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