获得更强的过程读数

考虑一下这个典型的情况:化工厂的一个工艺装置需要从反应堆读取压力。机组的自动化系统使用读数来帮助确定反应速率，控制室的操作人员希望在他们的人机界面(HMI)屏幕上看到它。如果读取丢失，则必须关闭进程。工厂的仪表工程师应如何确保读数是正确的，并始终对操作员和自动化系统可用?

对于本文的目的，重点是测量压力，但这些概念适用于过程仪表的大部分范围。思考一下将读数从链的一端传递到另一端必须发生什么:

• 工艺流体必须有到达传感器的路径。
• 压力传感器必须以可测量的方式偏转，与对大气的流体压力成比例。
• 电子元件必须将偏转转换成模拟信号。
• 发射器必须清理原始信号，将其缩放，并使用规定的格式(模拟或数字)传输它。
• 电线或无线电必须将信号传输到自动化系统的输入/输出(I/O)卡。
• 自动化系统必须将信号转换为适当的工程单元以供显示，并将数据用于它正在执行的任何方程中，以便进行更大的控制工作。

所有这些元素都必须正确工作，以实时捕获正确的值，以支持控制和监视。让我们稍微拉一下链条，寻找潜在的薄弱环节。

通过传感器

传感器本身是整个画面中一个移动的部分。它必须以一种可预测和一致的方式对压力做出反应。通常，它包括带有应变片的金属隔离膜片，或者通过电容测量运动(见图1)。对于应变片，运动必须足够线性，在相同程度的压力变化下偏转相同的量，并在压力释放时恢复到原始形式。它必须灵敏，但同时能够承受远高于其读数范围的压力。

要使传感器移位，必须有一个机构允许工艺流体对其施加压力，这意味着必须有一个工艺连接。工艺流体必须有一个到传感器的路径，否则压力通过不可压缩的中间流体传递，在这种情况下，将有两个隔离膜片一个填充夹在中间的液体。也可能有一个脉冲线，因此传感器可以安装在距离实际工艺设备一定距离的地方。

到传感器或隔离器膜片的路径必须是畅通无阻的。任何堵塞都会减慢反应速度或降低准确度。一些发射机有能力确定脉冲线何时堵塞，并可以提醒操作员问题的形成。液体管线中的气体段塞，或反之亦然，会导致读数不准确。脉冲管道应该是清晰和放血的，尽管在蒸汽压力管道中有一些冷凝物是有益的。

读取链的物理和机械元素已经被很好地理解和建立起来。近年来，传感器技术并没有太大的变化，但在下一阶段有了更引人注目的进步。

繁忙的发射机

过程仪表的变送器有很多事情要做，以至于我们倾向于把一个完整的仪器称为变送器。但从技术上讲，发射器是大单元的一个特定部分，传感器是另一个主要部分。

发射器从传感器获取原始模拟信号并进行清理。根据传感器的类型，它可能会根据过程变量产生电阻、电压、电容或其他类型的信号。发射器必须测量信号，并根据设备的配置方式将其与所需的范围进行比较。

这可能是一个复杂的过程(见图2)。例如，变送器通常需要一个内部温度传感器，因为压力传感器的输出除受压力外还受温度的影响。传感器的任何非线性都必须进行额外的修正。所有这些元素，以及更多，都必须进入信号处理。

变送器甚至可能有一个本地显示器，以显示适当的工程单位的主要变量，以及可能的次要变量，如温度。最终，最终输出是计算和/或查找表的结果，以根据发射器的配置缩放读数。更复杂的电子产品的发展使这变得容易得多，用户往往意识不到这些改进。

这本身是令人印象深刻的，但只是一部分。今天的发射器有额外的功能，如自我诊断。在进行主要信号处理功能的同时，也有内部功能评估进入发射机的电力质量、内部电子元件的状况、传感器功能和其他项目，包括刚才提到的插入脉冲线。如果出现或正在出现问题，诊断程序可以通过数字有线或无线协议发送警告。

到达I/O点

在某个地方，经过处理的电子信号必须被转换成人类能够理解的东西。如果反应堆压力为110 psi，则必须转换并显示为该值或7.59 bar或操作人员需要的任何值。发射机上的本地显示对于协助配置和故障排除非常方便，但是很少有应用程序需要人离发射机足够近，能够定期看到它并根据需要做出反应(参见图3)。

某种自动化系统总是会出现在画面中。它可能是像带有简单报警功能的远程显示器这样基本的东西，也可能是更复杂的平台，如可编程逻辑控制器(PLC)或分布式控制系统(DCS)。传统上，这涉及到连接传输4-20 mA模拟加HART信号或数字现场总线数据，但是无线HART现在使用得相当频繁。

对于使用有线模拟方法的传统用户来说，自动化系统可以通过不同的方式处理从发射机接收到的信息。有些可以本机读取HART，但如果I/O只能单独读取模拟信号，那么所有其他诊断信息将滞留在发射机中。它可以警告问题，但系统无法听到它。

解决这个问题的一种方法是添加一个无线HART转换器到发射机。这使得HART施加的4-20 mA信号仍然可以传输到自动化系统无线传送到其他地方的HART信号，如资产管理系统，所有诊断信息完好无损。

一些最复杂的诊断功能超出了设备本身，可以检查更大的控制回路。在智能I/O可用的情况下，诊断可以检测和报告能够扭曲读数并创建错误值的条件。这将警告操作人员某些情况看起来是正确的，但实际上是错误的。

尽管布线很简单，但它往往是最薄弱的环节。在传统的有线环境中，从实际的发射机到DCS的I/O卡的路径很容易包括多个编组柜、数百英尺长的电缆和也许20个终端。如果线路已经使用了15到25年，这在今天的设施中当然并不罕见，绝缘可能正在变脆，端子条正在悄悄氧化。如果不受干扰，这些连接可以工作很长时间，但如果为了解决问题而移动电缆束，或者为了排除故障而打开编组柜，则可能会出现问题。例如，短路和信号丢失可能发生，扰乱控制室和自动化系统。

幸运的是，新的布线和I/O系统可以在增加本机HART连接的同时大幅减少终端数量。此外,使用无线HART可以将终止数减少到2个甚至0个。特别是在遗留环境中工作时，无线HART比有线网络具有更高的可靠性评级。

各部分之和

可以看出，所有元素必须一起工作才能进行有效的测量。任何部分表现不好都可能阻碍沟通或导致沟通完全中断。一些公司试图通过治标不治本来解决问题。如果一个临界值无法传递到DCS，解决方案可能是在相同的故障基础设施上增加一个冗余仪器。它可能会提高数据通过的几率，但它就像一个创可贴。

这并不总是最好的方法，但有时它是一个实际的方法。但是，通过添加冗余路径无线HART是一个更好的选择。如果不可能升级现有的基础设施，那么简单地添加另一条存在相同问题的路径并不是最好的选择。即使不存在无线HART网络，一个小型的无线发射机集群可以建立一个可持续的网络，并支持各种不依赖于传统布线的仪器，甚至需要使用传统的I/O卡与DCS接口(见图4)。

加强联系

了解系统的薄弱环节很重要，但建立强大的环节也同样重要。在许多方面，拥有最好的发射机是最重要的因素。如果数据的来源不可靠和准确，世界上最好的基础设施也不会使它变得更好。

今天，各种供应商提供的仪器是复杂的，稳定的，准确的，可靠的。如果在能够与它充分交互的环境中使用，它除了主要变量之外，还可以提供次要变量和诊断信息。

随着公司越来越多地依赖于自动化，可靠的仪器仪表是基础。

复古的设计与今天的复杂

许多用户喜欢传统压力表的功能，但不喜欢其脆弱的波登管，挑剔的机构，和不稳定。一些无线压力表使用带有电子变送器的复杂传感器，以提供全电子变送器的功能，但采用模拟压力表的形式，带有传统的针显示器(见图5)。一个小型步进电机实时移动针。添加基本诊断功能和无线HART通信，它检查最需要的功能框，而没有传统压力表的问题。

梅根·恩斯全球压力产品工程师是做什么的艾默生自动化解决方案在明尼苏达州的Shakopee。在那里，她负责罗斯蒙特压力组合的先进诊断能力。在这个职位上，她致力于实施产品解决方案，提高工厂安全，提高流程效率，增强流程洞察力。

本文发表于应用自动化补充的控制工程而且设备工程．

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