把传感器和控制室连接起来

将温度测量送到控制室所做的选择可能对工厂的运行和成本产生深远的影响。温度测量可以在控制、监测或记录情况下进行，通常温度是工厂中最常用的测量变量。每个应用程序都有其对准确性、可靠性和兼容系统架构的独特要求。将这些要求与正确的连接选择相匹配，将确保温度测量以正确的成本提供正确的性能。

最终目标是将温度测量数据送到控制室，并具有应用所需的准确性、可重复性和稳定性。此外，解决方案应该提供易于维护和最低的实际拥有成本。设计工程师必须考虑许多技术、性能和拥有成本问题才能做出正确的决定。

在开始评估应用程序时，请考虑以下问题:

• 测量是用RTD(电阻温度检测器)还是TC(热电偶)?
• 测量点(传感器位置)距离系统连接有多远?
• 每一端是如何连接的?
• 是否有接线盒、导管或电线?
• 原始传感器信号如何以及在何处转换为可用的测量值?
• 使用发射器会有帮助吗?如果有，是什么样的发射机?
• 发射器可以安装在哪里?
• 无线发射器是一个选择吗?
• 这是严格的模拟，还是在工厂中使用数字设备级网络(现场总线)?如果有，是哪一个?

连接选项

在选择一种可靠的方法来将信号从现场传感器传输到控制系统时，需要考虑几个选项，以提供应用程序所需的性能水平。图1说明了最常见的选择。

直接连接-将现场传感器直接连接到控制室系统的输入卡机架。信号被调节或转换为表示用于该系统的温度测量的模拟信号或数字值。

远程I / O—I/O卡、机架和电源被放置在现场编组柜中，通过数字链路连接到控制系统。与直接布线相同的属性适用，但传感器布线运行更短。

多路复用器-通常使用串行RS232C或RS485通信或以太网，多路复用器与控制系统通信。通信可以是许多主机协议中的任何一种，如Modbus、OPC、Profibus或其他专有协议。虽然一般来说是可靠的，但这是一种过时的方法，已经看到使用的减少。

本地安装的发射机-发射器通常位于与传感器整体安装或非常接近的连接头或外壳中。最基本的是一个简单的4-20 mA输出版本，选项和功能有限。支持hart的变送器是最常见的，为大多数应用提供了高性能和低成本的选择。现场总线架构使用基金会现场总线或Profibus，允许多个发射机共享一个公共的两线信号电缆到控制室。采用这两种现场总线体系结构中的任何一种，通常都是适用于整个工厂设施或一个单元操作的管理决策。无线技术是一项快速发展的技术，WirelessHART (IEC62591)和ISA100.11a (IEC62734)的部署数量不断增长。无线发射器可以提供与有线版本相同的过程变量信息和诊断功能。

关键因素

每种技术都有优点和缺点，如图2所示。您应该寻找最符合您的需求且性价比最高的解决方案。

使用长传感器电缆的直接布线必须传输非常容易受到干扰的低电平传感器信号。这种电干扰可能来自泵、电机、变频驱动器(vfd)、无线电以及静电放电源(电焊机和闪电)和其他瞬态电。低电平传感器信号有可能产生非常大的误差，传感器引线越长，风险就越大。如果电线运行距离短，并且有良好的隔离和对干扰源的保护，直接布线可以提供足够的安装。

远程I/O机柜对于高密度测量位置和提供足够的干扰保护可能具有成本效益。远程I/O需要一个运行电源，通常需要冗余或不间断电源用于关键应用。安装还可能需要环境保护。在大量测量点集中的情况下，可能允许相对较短的导线运行，但传感器导线长度仍然可能是噪声敏感性和潜在的重大误差的问题。

最好和最常见的替代方案是使用发射机，模拟或现场总线，设计用于拒绝共模和正模干扰，并提供高度的抗电磁干扰(EMI)、静电放电(ESD)和射频干扰(RFI)。在可能和可行的情况下，变送器应安装在靠近测量点的地方，以最大限度地减少传感器引线拾取的任何潜在噪声。这对于低电平的TC信号尤其重要，因为这些信号特别容易受到噪声的影响。这种变送器可能是简单的4-20 mA模拟或HART启用。现场总线变送器具有与全数字架构相同的特点。变送器的使用有时被认为是昂贵的，但当考虑到电缆和生命周期维护成本时，这种平衡就会发生变化。

对于许多应用来说，无线发射机可能被证明是具有成本效益的，特别是在安装传统仪器基础设施困难或昂贵的地方。一个高度健壮的无线系统，就像今天可用的，是通过适当的网络设计来实现的。这种方法只适用于少量的测量，或者可以为整个工艺单元操作设计一个系统。

变送器vs.直接布线

考虑到直接有线系统的高安装成本及其包括维护和性能问题在内的高拥有成本，强烈建议使用发射机方法对大多数应用具有明显的优势。

• 指定单个温度变送器、传感器和热电偶组件以满足特定的性能目标，简化了采购并将责任放在单个供应商身上。
• 变送器可以提供更高的精度性能，通常降低一半的精度百分比。
• 单个传感器类型可以从TC更改为RTD，也可以更改为不同类型的TC或RTD，同一发射机通常可以轻松地重新配置为新的传感器类型。输出电缆与DCS输入卡保持一致。对于直连系统，可能需要更换扩展电缆和DCS输入卡。
• 与直接布线使用的TC延长线或四线RTD延长线相比，用于变送器的标准两线铜线要便宜得多。
• 更高的性能得到保证，因为发射机和传感器组件可以作为一个系统进行校准，以获得最佳精度。这不能通过直接连接的系统和传感器来完成。通过使用高端变送器固有的传感器-变送器匹配程序，可以实现非凡的性能。虽然I/O子系统(DCS或PLC输入卡)具有合理的规格，但它们的性能无法与当今高质量的温度变送器相比。
• 变送器便于在现场使用全铜线，消除了由于使用不同类型的TC延长线而可能出现的接线安装错误。
• 变送器能够与多种传感器类型一起工作，这意味着用户通常可以从同一制造商购买所有的变送器，甚至可能是同一型号，从而最大限度地减少备件。
• 来自发射机的4-20 mA信号或数字现场总线数据远比来自传感器的低电平信号更不容易受到EMI、ESD和RFI的影响。一些发射器还提供智能过滤选项，以保护数据完整性。这样的软件甚至可能在控制系统主机中不可用。
• 到目前为止，与安全相关的应用最好在配备发射机的系统中完成。在SIS(安全仪表系统)中，超过2%的误差被认为是未诊断的故障。
• 一些变送器提供了一个选项，支持在现场的本地显示，无论是作为内置读出或安装在外部。在故障排除或操作员经常在该区域的情况下，这可能是一个主要优势。
• 通过使用DCS输入卡中不可用或非常有限的大量变送器诊断，可以减少故障排除和维护时间。
• 控制系统需要单一类型的高级输入卡，而不是高级和更昂贵的低级卡的混合，从而减少库存。
• 铜线通常在工厂的生命周期内持续使用，无需定期更换退化的TC延长线。

良好的设计产生了高性价比的性能

在创建仪器和网络设计时，始终考虑总体拥有成本，而不仅仅是购买成本。低成本产品或设计缺陷导致的性能差、维护成本高、更换频率高，往往使拥有成本的规模强烈倾向于使用高质量组件的设计。

吉姆·科布是艾默生过程管理公司的高级产品经理。

关键概念:

• 温度传感器比大多数其他类型的仪器有更多的选择连接到控制系统。
• 不同的连接策略在持久性和准确性方面有不同的权衡。
• 在传感器上使用发射器可以消除许多与其他传感器布线方法一起出现的令人头痛的问题。

在线

阅读下面温度系列的前两部分。

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