使用智能仪器
在整个流程中部署智能仪器，并获得可用的最高性能所需的所有知识。如果你把这些能力运用到工作中，它们就存在了。
从简单的气动到复杂的智能仪器的演变是由用户对更好的性能、更容易的维护和更长的正常运行时间的需求所驱动的。智能仪器已经满足了这些需求，尽管越来越复杂。但是，一旦理解并部署了智能工具，在整个过程控制和信息系统生命周期的平衡过程中，收益是更低的复杂性、更好的性能和更低的成本。
有一句古老的谚语说，为了控制过程，必须测量过程，这在今天和过去都是正确的。这句格言的一个推论是，需要可靠的过程度量信息，这样用户才会放心地冒险进行更严格的控制改进。
例如，假设一个流程要求最小流量为10 gpm(加仑/分钟)。如果操作人员不相信流量测量仪器的准确性，为了安全起见，他们可能会将流量设置为11 gpm，即使过量的流量会增加原材料和处理成本。使用可靠、准确的智能流量仪，作业者可以轻松地将流量降至10.1 gpm，通过提高效率节省成本。
智能仪器还通过在仪器全部故障之前通知工厂操作人员当前或即将发生的故障来减少中断。大多数类型的测量设备都很容易发现完全的故障，但只有智能仪器才能检测到可能产生不准确测量的微妙问题，并且通常是故障的前奏。
是什么让仪器变得智能?
在过去的几十年里，智能仪器的定义不断发展(表1)。老式的哑仪器是基于3- 15psi的气动设备，通过本地单回路控制器进行控制。信息是在当地显示的，通常是用仪表，一般是技术人员查房时用笔和纸手工记录的。如果数据需要自动保存和分析，解决方案是本地图表记录仪。
接下来，以与PV(过程变量)成比例的1- 5,4 -20或10-50 mAdc输出的形式将小程度的智能添加到仪器中。一旦数据可以远程传输，就有可能实现远程测量、显示和控制。
具有中央处理和I/O的控制系统的并行开发引入了更有效的方法来捕获这些4-20 mA仪器产生的信息，将这些信息扩展到工程单元，并集中处理和记录信息。环路供电仪器随后变得可行，使得通过一个电流源为多个发射机供电成为可能，通常是通过模拟I/O模块。
当微处理器变得足够强大，可以直接安装在现场仪器中，实现基于本地数字的信号处理时，就向前迈出了一大步。这创造了可能被归类为第一个真正的智能仪器，因为这些设备可以将模拟4-20 mA变量处理成适合通过网络传输的数字信号。本地微处理器还可以管理仪器级别的其他任务，即校准和诊断。
现在，智能仪器可以产生PV和其他参数的数字表示，现场总线网络开始出现。首先是使用现有4-20 mA信号布线作为物理传输介质的网络，主要用于支持手持校准设备在4-20 mA电流环路上的任何地方访问。除了手持设备访问，一些分布式控制系统能够承载这些通信，并通过设备诊断数据对PV进行数字访问。
随着时间的推移，HART(高速公路可寻址远程换能器)技术统一了使用现有4-20 mA信号作为传输介质的多个且不兼容的特定供应商网络。HART被置于供应商中立的基础上，最终成为叠加现场设备通信的卓越形式，获得了大多数仪器和控制系统供应商的支持。因此，智能仪器被定义为支持HART的仪器。
但是HART是有限的，需要更高的性能来使用PV的数字值进行实时控制，并向远程主机传递更多的信息。随着微处理器变得越来越强大，智能仪器也获得了智能，并很快能够在PV之外产生大量有价值的信息，进一步刺激了对更强大网络的需求。
专门设计用于连接仪器和自动化系统的数字网络开始出现，其中最主要的是基金会现场总线H1和Profibus PA。这些平台放弃了成熟的4-20 mA输出，利用增强的电子和软件标准来提高速度，增强诊断能力，并增加了嵌入式本地控制等功能。这两个，以及其他，获得了标准化机构的认可，并成为由多个供应商生产的智能仪器的嵌入式通信选项。
最近，强大且经过验证的无线技术的出现，导致了针对特定供应商和基于标准的解决方案的开发，重点关注现场设备信息与远程接入点之间的通信。HART通信基金会开发了向后兼容的无线技术，并通过IEC 62591获得了标准化认可。ISA SP 100.11a委员会也正在朝着批准的无线仪器通信标准迈进。
今天，智能仪器通常被定义为包含一个或多个数字网络通信选项的设备。由于提供数字通信需要微处理器，现代智能仪器通常也提供广泛的其他功能。
智能仪表功能
测量的成功建立在正确安装在正确应用中的适当类型的仪器技术上。除了直接传感器的输入外，哑仪器不能感知任何其他过程信息。但是智能仪器具有诊断功能，可以检测安装中的故障或应用程序中的问题，每个问题都可能影响测量质量和/或可靠性。智能仪器还可以响应查询或将状态信息推送到自动化系统以及其他联网平台。
解锁智能仪器产生的信息的关键之一是操作员界面。该接口可以是仪器的本地显示，本地手持HMI(人机界面)，或网络HMI。信息可以更容易地在技术人员或工程师和具有HMI的仪器之间流动，而不是本地显示器。
通过多个内部传感器同时测量多个pv并以数字或无线方式传输数据的多变量仪器是智能仪器的最高形式。例如，科里奥利流量计可以测量和/或计算质量流量、粘度、密度、温度和总流量。
一些配备了通信协议(如HART 6+、WirelessHART或基金会现场总线H1)的智能仪器可以在配备类似设备的仪器之间直接交换pv。然后，这些pv无需自动化系统或额外的计算代理，即可在现场执行附加计算。例如，涡流流量计可以与压力变送器连接并产生校正的能量流，或者两个压力表压力变送器可以连接以产生差压值。
互联网时代带来了广泛的连接、信息管理和访问选项。尽管其中许多技术已经适用于自动化平台，如可编程逻辑控制器、可编程自动化控制器和分布式控制系统，但在通过互联网或相关技术连接关键过程仪器之前，必须解决安全问题。
部分原因是出于安全和安全考虑，绝大多数已安装的仪器仍然通过古老的4-20 mA信号向自动化系统提供PV，该信号在自动化系统中进行重新调整和管理。但是数字通信系统，如基金会现场总线、Profibus和EtherNet/IP，以及无线网状网络(如WirelessHART)，越来越多地从仪器直接向自动化平台提供数字pv，消除了对4-20 mA信号及其相关I/O基础设施的需求。
定义能源使用、环境报告、供应链监控和流程单元监控的pv通常不是自动化系统实时控制方案的一部分，因此这些变量可以通过IT连接的接入点直接从智能仪器传递到利益相关者数据库，极大地简化了自动化和信息系统架构。
在过程变量之外
但智能仪器可以做的远不止测量PV并将其传送到多个主机。在智能仪器中创建一个或多个工程pv，基本上是缩放、线性化和/或以其他方式调节的原始模拟值，以及仪器状态数据。这些经过设计的pv与设备数据通过现场总线或无线网络以数字方式与自动化系统和/或其他网络接入点通信。
表2列出了目前可用的智能仪器提供的一些关键数据点，并详细说明了可以获得的好处。例如，仪器状态数据可以指示数据质量故障或警告。然后，可以在本地或通过网络使用工程或维护工具进行深入研究、评估问题并确定解决方案。可能的补救措施包括重新校准、改变配置或更换仪器。
仪器测量输出根据校准标准进行评估，以确认测量信息的质量。这是通过对可追溯的标准进行校准来实现的。许多智能设备中的内部自检诊断，如科里奥利流量计管动力学检查，可以指示是否应通过可追溯手段验证校准。一些智能流量仪器提供国家标准与技术研究所的可追溯验证工具，以支持ISO 2001第7.6章可追溯验证和校准要求。
可用于设计安全仪器系统(SIS)的智能4-20 mA仪器的制造商越来越多地遵循IEC 61508设备设计、制造和生命周期管理指南。安全系统设计者通常遵循IEC 61511, ISA和ANSI 84.01-2004安全系统生命周期管理标准，部分通过使用带有内部诊断的IEC 61508认证仪器。
这些经过认证的仪器可以帮助设计人员达到工艺所需的安全完整性级别(SIL)。智能SIL仪器还可以将诊断信息传递给仪器状态监测工具，以帮助仪器维护。
随着智能仪器的激增，诊断信息在数量和复杂性上都有所增加，需要有识别错误和诊断代码的标准。这一标准化工作的一部分是NAMUR的NE107建议，该建议建议将智能仪器的诊断信息分为五个标准状态信号类别(见表3)。
遵循NE107的仪器中的自我监控和错误诊断将诊断信息分离并分组为可操作的指示。这降低了复杂性，减少了操作人员和技术人员所需的培训，有助于提高安全性和仪器的可用性。
标准化智能仪器数据交付的其他工具是根据描述符和术语定义每个数据点应该是什么样子的标准。目前用于此目的的两个主要标准是电子设备描述语言(EDDL)和现场设备工具(FDT)。
随着仪器不断进化，以数字方式高速传输大量数据，它们变得真正智能，为用户带来更多好处，同时更简单的部署和操作。
从聪明到聪明
仪器已经从哑巴发展到智能，真正的智能就在眼前。期望未来的仪器具有多个通信通道，每个通道都具有内置的安全性，就像现在的以太网管理交换机一样。这些通道将通过IP寻址和服务器技术进行管理，使仪器成为真正的数据服务器。
高速通道将用于将PV传输到实时控制器，该通道将优先于所有其他仪器的通信资源。其他通信渠道将用于将仪器直接连接到过程监控、设备监控、环境监测、能源管理、资产管理、预测性维护和高级诊断等应用程序。这种直接连接将绕过实时控制系统，简化整体自动化和信息系统架构。
可以制定超出WirelessHART和ISA100.11a的工业无线标准，以满足用户的需求，例如符合NAMUR NE124。随着用户越来越适应无线作为主流解决方案，智能仪器信息将越来越多地定向到无线接入点，无线接入点将直接集成到控制或IT网络数据服务器中。
系统设计者和终端用户在复杂集成问题上的挫败感迫使主要仪器制造商和现场总线协议组织就集成的现场设备集成(FDI)规范达成一致。该FDI规范将巩固现有的EDDL和FDT规范，并将产生一个真正通用的现场设备集成方案，通过任何现场总线网络连接几乎任何现场设备。
基于现场总线的安全过程仪器将得到更广泛的应用，因为目前正在开发仪器以满足与安全相关的建议，如NE 97和IEC 61508-2等标准。安全认证的仪器将与现场总线安全协议(如CIP安全，基金会现场总线SIS和PROFIsafe)协同工作。
将所有这些进步结合起来，将产生一种真正智能的仪器，可以轻松地集成到未来的自动化和信息系统中。这将使用户能够实现智能仪器提供的所有优势:更好的过程控制，更高的效率，更低的能源使用，更少的停机时间和更高的质量。
Craig McIntyre是Endress+Hauser公司的化学工业经理。
欲了解更多信息，请访问:
www.hartcomm.org
www.fieldbus.org
更多阅读:
ISO 9001:2000，第7.6节，监视和测量设备的控制
IEC 61508，功能安全
基金会现场总线中NAMUR 107的支持提高了操作人员的效率
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