过程检测:获取数据，使用数据

套用一句古老的公理，精确的测量是控制的先决条件。对于工业自动化应用，这意味着传感器和仪器必须首先一致、可靠和准确地测量数据。一旦进行了这些测量，就可以采取改进的实时控制和主动维护的措施。

终端用户在设计新工厂或升级现有设施时，越来越多地放弃依赖气动、机械或模拟技术的传统解决方案。这些传统技术正在被依赖于创新测量技术和数字技术的新解决方案迅速取代。最终的结果是得到更多更好的数据——如果使用得当，这些数据可以提高质量、可靠性和安全性。

随着对更现代仪器的购买在过去20年发生了巨大变化，终端用户所需的产品组合说明了这一点。例如，随着终端用户认识到移动部件较少的传感器提高精度和可靠性的价值，流量计的购买出现了科里奥利流量计销售增加和机械流量计购买减少的戏剧性趋势。

另一个例子是压力变送器市场空间。压力变送器已经从一个简单的单测量模拟设备发展成为一个数字产品，能够同时测量多个变量，同时提供实时过程诊断，如脉冲线堵塞监测。

曾经被认为是新技术的产品和特性，如科里奥利仪表;带数字传感器的压力变送器;具有数字信号处理、高级诊断和数字通信协议的智能仪器现在已经成为主流。随着成千上万的现代智能现场仪器的安装和运行，最终用户的应用程序和期望显然已经永久性地改变了。

本讨论将讨论一些具体的例子，如何使用现代仪器进行最艰难的测量，以及如何使用这些仪器的数据来提高自动化系统的性能，同时降低维护成本。

好的数据很难找到

几十年来，传感器和仪器一直被用于测量各种工艺参数，其中主要是压力、流量、液位和温度，但许多困难的应用仍然对现代技术构成挑战。

在其中一些应用程序中，最终用户必须求助于离线实验室分析。这种类型的分析需要抽取样品，带到实验室，并用实验室仪器进行处理。实验室分析是昂贵的，易变的，和缓慢的交付结果。

在其他苛刻的应用中，数据是在线和现场测量的，但在准确性、可重复性和所需维护的频率方面做出了妥协。

但至少在这些困难的应用中，现代仪器和技术已经可以使在线、准确和可靠的测量成为现实。侧边栏中详细介绍了两个具体示例。

在第一个侧栏中，化学注射应用的精确流量测量，双频激励磁力计用于在生产线中注射点的下游进行精确流量测量。旧的磁谱仪和其他流量测量技术会对注入产生的扰动产生伪峰值，但应用新技术可以实现更精确的测量。

在第二个侧栏中，多变量变送器提升天然气并降低成本，在石油钻井应用中，多变量压力表和差压变送器被用于取代两个压力变送器。该应用还显示了数字传感元件与传统传感方法相比的价值。

使用数据

正如上面和边栏中所详细介绍的，现代仪器和测量技术通常可以用来解决特别棘手的测量问题。但获得准确的数据只是问题的一半，另一半是如何使用获得的数据。

当多变量智能仪器通过数字现场总线类型的网络连接到现代自动化系统时，交付的数据量可能令人生畏。除工艺变量外，其他关键信息还包括仪器状态、标签号、功能的书面描述、时间戳、序列号和可跟踪的验证号。

总之，单个多变量发射机可以提供100多个参数。在一个工艺装置中，将100+个参数乘以数百甚至数千个仪器，数据的绝对数量可能是压倒性的。除了数据过载之外，这些参数中的许多都不是静态的，并且可能经常发生变化，无论是在流程变量的正常操作期间，还是在状态信息的异常情况下。

有许多不同的方法来处理这种潜在的数据过载。下面概述了工艺装置中可能采用的典型方法，表1中列出了这些数据的常见用途。

首先，每台仪器都通过数字现场总线连接到自动化系统。自动化系统利用过程变量进行实时控制，系统的人机界面将过程变量显示给操作人员。

智能设备，哑巴网络

对于没有也不打算安装数字通信的工艺工厂，选择性升级智能仪器仍然可以带来好处。例如，现有的具有模拟4-20 mA连接到自动化系统的哑仪器可以被具有HART通信能力的智能4-20 mA仪器所取代。

这将允许仪器通过手持HART通信器沿着4-20 mA线路的任何地方访问。手持设备可用于远程校准，并检查各种仪器参数。

可以通过以下两种方式之一启用与主机自动化系统的通信。首先，可以升级主机以提供HART连接。这将提供全面升级到数字通信基础设施的一些好处，尽管通信速度较低。当许多仪器正在升级到包括HART连接时，这种方法是实用的。

其次，可以安装HART转换器，当需要升级的仪器相对较少时，这通常是最好的方法。单个转换器可以通过HART协议与一个或多个启用HART的智能仪器通信。然后，仪器的输入数据转换为各种类型的输出信号，包括离散输出、模拟输出和数字通信协议(如Modbus)。然后将这些输出连接回主机自动化系统。

管理告警，校准

由于有很多潜在的报警和故障数据可用，大多数大型加工厂都需要某种类型的报警管理系统，通常是基于pc的软件解决方案。这些告警管理系统可以配置为自动显示关键告警信息，如按总数和平均每小时显示的前10条告警。

来自正确配置的报警管理系统的信息可被工厂工程师和操作人员用于消除有害警报和优先级警报，以促进操作人员的快速响应。还可以进行告警分组，在一个屏幕上显示来自同一设备的告警，以帮助排除故障。

实时控制、改进的操作界面和报警管理是现场仪器和传感器提供的数据的三个主要用途，但现代加工厂也有其他利用这些数据的系统。

在智能仪器和数字现场总线网络出现之前，校准管理系统主要基于纸张。通常，校准管理包括将纸和笔连同所需的校准设备带到仪器上。仪器进行了校准，结果被记录下来并存档。

今天，现代仪器仪表和自动化系统提供自动在线校准检查，根据可追溯的校准标准评估，以确认被测变量的质量。许多智能仪器具有内部自检诊断，指示是否需要进行校准验证。

基于pc的CMMSs(计算机化维护管理系统)通常包括校准管理系统，以及生成和跟踪维修工作单。利用仪器的数字数据，CMMS可用于管理仪器从购买到处置的整个生命周期。由于使用了数字数据，人工数据输入错误最小化，劳动时间大大减少。

资产管理功能有时是CMMS的一部分，但也可以由单独的系统提供，同样是基于pc的。资产管理系统通常包括复杂的算法，可以在问题发生之前预测问题，允许在主动的基础上执行维护，而不是被动地进行维护。

合理的维护可以节省数百万美元。研究表明，高达40%的间接制造成本用于维护。如果没有资产管理，大约50%的维护通常是被动的，其成本是预测性维护的10倍。

仪器数据的另一个用途是在ERP(企业资源计划)系统中，通常用于生产数据的内部报告。大多数大型流程工业公司在整个企业中都安装了这些系统，许多ERP系统通过自动化系统或直接连接到仪器。

通过增加现代仪器的连接选项，包括以太网端口和web服务器功能，可以促进这些直接连接。事实上，在一些加工厂，多达70%的仪器没有任何相关的控制功能，因此直接连接到CMMS、资产管理和ERP系统是最好的选择。

智能仪表和数字现场总线网络可以自动向过程装置内的各种控制、监控和维护系统传递大量信息。智能使用这些数据可以改善工厂运营，减少维护，并减少所需的劳动时间。只要整个自动化和仪表系统正确安装，并与相关的监控和维护系统集成在一起，就可以实现这些好处。

丹·彼得森是流量营销经理，克里斯·施耐德是传输营销经理横河美国公司．联络他们的地址是dan.peterson (at) us.yokogawa.com而且chris.schneider (at) us.yokogawa.com．

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用于化学注射应用的精确流量测量

在许多加工厂，一种或多种化学品被注入到一个工艺流程中。测量这些注入点下游的流量是很困难的，因为注入会扰乱流动剖面并改变流体的化学成分。

该图描述了一个典型的化学注入流程，在注入点的下游安装了一个磁性流量计来测量流量。在这个特定的实验室测试中，盐水被注入自来水流作为模拟。在自来水中注入盐水会引起电导率的突然变化，并且工艺流中的电导率分布不均匀。

在实验室测试和许多化学注射过程中，这种类型的注射会导致磁力计产生不准确的读数，如标记为Y, K, A和e的图表所示。这些图表是由各种常规磁力计的测量变量4-20 mA输出生成的。为了消除这些尖峰，可以使用一种称为双频激励的独特激励方法来提供准确和稳定的读数。

大多数磁力计用交流电或脉冲直流电激励电磁铁，但双频磁力计同时使用两种激励方法。这结合了交流和直流励磁的好处，使用高75 Hz频率和低6.25 Hz频率励磁。双频磁力计对噪声的抗扰性和高频激励表的快速响应，同时保持低频激励的零点稳定性。

最初，双频磁力计需要四线连接，两线用于信号，两线用于电源。但最近的进步使这种测量技术可用的两线仪表，赋予一些特定的优势。

用两线仪器取代四线仪器可减少超过96%的电力消耗。这使得碳足迹减少了46公斤CO₂每年排泄1.2公斤。

安装成本也大大降低。假设从仪器到接线盒的电缆长度为100米，那么两线制设备的电缆安装成本将降低1500美元。此外，还不需要电源和相关的外壳，成本又降低了约500美元，总安装成本可节省2000美元。

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多变量变送器提升天然气，降低成本

在许多压力传感应用中，差压和静压都必须测量。传统上，这需要两个独立的压力变送器，但新的仪器允许用一个设备进行两种测量。这节省了前期和整个产品生命周期的成本，还简化了安装。

在气举系统中，压缩气体被注入井下生产油管中，以降低钻井液柱的静水压力。由于压力降低，可以以更高的流量生产石油或天然气。适当的监测和控制需要测量静态压力和差压。

如图所示，气举系统的压力测量通常使用两个仪器，分别位于高压气体输入和油气输出管线上。在两条线路上，第一个标记为pt的发射器测量静压。第二个变送器，标记为FT，测量孔板上的压差，并得出与压差平方根成正比的流量值。

使用多变量压力变送器，最终用户可以在两条管线上使用一个仪器，而不是PT和FT。这种配置如图右侧所示。使用多变量变送器可降低40%的采购成本，减少安装成本和时间，并减少所需的维护。

为该应用选择的特殊多变量变送器还具有独特的硅胶谐振数字传感器。这些传感器表现出优异的稳定性和重复性，即使在超压和高静压条件下。

这对于该应用非常重要，因为井下油气地层有时会产生意想不到的超压。注气管线的工艺静压也相当高，一般约250psi (1.7 MPa)。

与传统的传感元件不同，这些多变量变送器中的数字传感器具有固有的故障安全功能。这使得变送器提供TÜV-certified安全，符合IEC 61508，而不需要任何外部组件。

这是2011年10月控制工程北美版封面故事。点击这里查看数字版和10月份的其他文章:

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