變送器的研究與發(fā)展現(xiàn)狀

馬守英

摘要：隨著科學技術(shù)的快速發(fā)展，智能化成為時代熱詞，掀起了科技與信息革新的浪潮，電廠自動化儀表也趨于智能化，多樣化，出現(xiàn)了總線型變送器和智能型變送器。目前總線變送器已在電廠得到廣泛應用，它們是現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)發(fā)展的基礎，是信息工業(yè)的源頭，推出的一種測量差壓、絕壓、表壓、液位等工藝參數(shù)的現(xiàn)場總線變送器，設備功能強大，已在電廠生產(chǎn)方面得到廣泛的應用。

關鍵詞：熱控變送器;發(fā)展現(xiàn)狀;

前言：熱控變送器是直接與被測介質(zhì)相接觸的儀表，常常在高溫、低溫、腐蝕、振動、沖擊等環(huán)境中工作，在熱控測量運行中起著重要作用，而且應用非常廣泛。

一、總線型變送器的結(jié)構(gòu)特點及應用

1.變送器的組成：LD302電路部分主要由傳感器組件板、主電路板和顯示板組成，在傳感器組件板上，CH和CL 為2 個電容器，它們是感受壓力或差壓的傳感器部件，作用在LD302 高低壓力側(cè)的壓力通過密封的灌充液傳送到檢測膜片的兩邊，檢測膜片是差動電容的活動電極，而固定電極是傳感器的殼體，壓力差推動膜片產(chǎn)生位移，引起電容的變化。振蕩器作用是產(chǎn)生一個交流頻率以使電容傳感器發(fā)揮功能，來自主電路板CPU 的控制信號通過光電耦合器傳輸，來自振蕩器的信號通過變壓器傳輸從而實現(xiàn)了信號隔離。同樣，傳感器組件板上的電源也必須是隔離的，這樣才能防止輸入信號與地形成地環(huán)而引入干擾，電源隔離是采用把直流轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣鳎⑹褂米儔浩鞣指綦姷穆?lián)系來實現(xiàn)的。在傳感器組件板內(nèi)還有一個EEPROM，它含有傳感器部件在不同壓力和溫度時的特性，它使得傳感器組件與主電路間具有互換性，這將大大方便儀表的制造和現(xiàn)場儀表的運行維護。中央處理單元CPU 是LD302 的核心部件，它控制著整個儀表各個部件的協(xié)調(diào)工作、線性化和通訊。系統(tǒng)程序存貯于CPU 外部的只讀存貯器PROM，運算數(shù)據(jù)暫存貯于RAM，如果電源開關斷開，RAM 中的數(shù)據(jù)就會丟失。然而，CPU 內(nèi)還有一個非易失存貯器EEPROM，當電源開關斷開等應用程序都存貯在這里。CPU 與信號模型之間是通訊控制器，這個控制器用來監(jiān)視現(xiàn)場總線上的占空系數(shù)，調(diào)制和解調(diào)通訊信號，引入和刪除數(shù)字信號中開始和結(jié)束的定界符。該機調(diào)整為2 個干簧管（也稱磁性開關）。在該機調(diào)整時，不用打開儀表的端蓋，即在儀表的電路全部被密封的情況下，利用磁棒的置入與置出就可觸發(fā)LD302 內(nèi)的磁開關，進行儀表的組態(tài)和調(diào)整，從而使現(xiàn)場儀表內(nèi)的電子元件不與現(xiàn)場的惡劣環(huán)境直接接觸，大大延長了電子元件的使用壽命，使儀表適應惡劣環(huán)境的性能得到提高。顯示板是一個從CPU 接收數(shù)據(jù)的微功耗液晶顯示器，它為4 位半數(shù)字值和5 位字母的LCD（液晶顯示器）。通過組態(tài)可交替顯示多個變量。

2.應用注意事項：變送器自投用運行以來，故障率出現(xiàn)極低，在應用過程中常見的故障是變送器和操作站之間的通訊故障，即在操作臺上現(xiàn)場數(shù)據(jù)出現(xiàn)“*”號，針對這類故障要分別從系統(tǒng)軟件和硬件兩方面進行排除。

軟件方面：由于現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的功能模塊全部在現(xiàn)場變送器中實現(xiàn)，在一條總線上每臺現(xiàn)場變送器有唯一的地址進行標識，每臺變送器的地址成為其在總線上尋址的基本依據(jù)，因此要從軟件方面查看地址是否存在沖突，或地址是否超出某個設定范圍。

硬件方面：首先測量該表供電電壓是否在正常范圍，因為10VDC 的電壓是保證總線變送器通訊正常的最低電壓，低于10VDC 時，現(xiàn)場變送器和操作站的通訊肯定中斷，而總線電源一般是通過安全柵SB302 給現(xiàn)場總線變送器供電的線處被腐蝕、現(xiàn)場接線盒密封不好、終端器BT302 損壞或未接在各支路末端、安全柵SB302 接線不正確等。針對以上分析的原因可以逐一對設備故障進行排查。若電源電壓在正常范圍，可以對該變送器進行初始化，若故障仍不能排除，說明該臺LD302 變送器主電路板硬件有故障，只有更換硬件設備。在LD302 現(xiàn)場變送器出現(xiàn)故障需要更換時，需利用磁棒調(diào)整新表的地址，使其與需要更換的現(xiàn)場變送器的地址相同。地址設定完之后要及時保存，否則在斷電之后較容易丟失。在設定地址時，要注意不能在線調(diào)整地址，因為在線調(diào)整地址的過程中會在短時間內(nèi)在同一條總線上出現(xiàn)相同的地址，造成地址沖突，從而使該條總線上的設備地址混亂，甚至更嚴重的會造成其他設備地址改變或控制器組態(tài)信息丟失，危害性較大。現(xiàn)場總線變送器不再是傳統(tǒng)意義上的變送單元，而是同時起著變送、控制和通信作用的智能設備，它是現(xiàn)場總線技術(shù)發(fā)展的關鍵所在，它的成功應用和功能的進一步完善將推動現(xiàn)場總線技術(shù)進一步得到推廣和發(fā)展。

二、發(fā)展現(xiàn)狀

1.總線變送器的優(yōu)點

其一，設置比較方便，總線變送器的傳輸變?yōu)槎帱c一線的串行數(shù)字式傳輸，并且可以有效的實現(xiàn)多點控制。如果熱控信號檢測出來的結(jié)論為連續(xù)信號，就可以將其設置為任意熱控值，進而只需要對電控部分進行設定就可以了。

其二，為了能夠?qū)嚎s機進行延長壽命，可以對壓縮機進行高級控制。通過壓縮機的變頻技術(shù)，可以有效的使壓縮機運行的更加平穩(wěn)，通過減少相應的啟動次數(shù)，不僅可以能夠延長壓縮機的使用周期，還可以能夠起到環(huán)保節(jié)能的作用。

其三，提高控制精度，能夠使元件的可靠性更好。熱控變送器相比于壓力開關的檢測精度要高出數(shù)倍，所以其控制精度就會得到有效的提高，而熱控變送器的一些敏感元件都是非機械結(jié)構(gòu)，所以就不需要后期的維護工作，從而也可以從一定程度上降低損壞率

2.智能型變送器的結(jié)構(gòu)特點

根據(jù)熱控變送器的傳感器原理、結(jié)構(gòu)和設計機構(gòu)不同，種類也多種多樣，對于智能熱控變送器硬件的電路板設計開發(fā)主要是電路板計算機輔助設計軟件。智能型變送器的工作原理是：首先通過熱控傳感器測量被測介質(zhì)，然后通過轉(zhuǎn)換器將信號轉(zhuǎn)換為模擬量電信號，再將信號傳送到單片機，單片機將這些信號處理后經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換器和HART 通信電路處理，使這些熱控和溫度的參數(shù)轉(zhuǎn)換成了4-20mA的標準直流信號，這樣就能將這些數(shù)據(jù)信息及時處理。對智能變送器的硬件設計與實現(xiàn)，首先是熱控傳感器，一般采用的是電容式傳感器，它具有很好的抗沖擊性和抗震動性，能夠使檢測結(jié)果更穩(wěn)定和準確;其次是溫度采樣電路，將高精度的溫度傳感器嵌入到智能熱控傳感器的金屬密封室里，能夠提高精度和變送器由于環(huán)境影響而產(chǎn)生的非線性補償功能;再次是微處理器，它是硬件系統(tǒng)設計中的核心部分，也是硬件設計中最關鍵的一個環(huán)節(jié);大多數(shù)智能傳感器采用單片機微處理器，具有很強大的功能，不僅功耗低、運行快、精度高，而且價格合理，應用十分廣泛;然后是通訊模塊，通常采用HART 現(xiàn)場通訊協(xié)議，該協(xié)議就是在模擬的4-20mA 的信號上疊加一個數(shù)字信號，其信號交流是對稱的，對模擬信號不會產(chǎn)生干擾;最后是HMI 人機界面，通常采用LCD 作為現(xiàn)場知識來顯示參數(shù)和組態(tài)信息，通過LCD 的顯示能夠提高對系統(tǒng)的監(jiān)控和設備系統(tǒng)的維護，LCD 顯示器是將LCD 面板與LCD 驅(qū)動器結(jié)合在一起然后再將其連接到單片機的控制窗口，LCD 的控制主要是通過參數(shù)初始化、循環(huán)主程序和屏幕刷新程序進行控制的。

3.智能型變送器的軟件設計與實現(xiàn)

智能型變送器的軟件結(jié)構(gòu)一般是嵌入式的結(jié)構(gòu)，其運行程序是按照相應的流程進行往復循環(huán)，如果遇到突發(fā)事件就會中斷的一種結(jié)構(gòu)。智能熱控變送器的軟件編寫主要使用模塊化的結(jié)構(gòu)，軟件結(jié)構(gòu)主要分為監(jiān)控程序、測控程序和通信程序。其中監(jiān)控程序是整個軟件系統(tǒng)的核心部分，關系到整個系統(tǒng)的控制和運行，它包括指示表頭檢測、系統(tǒng)自檢測和初始化，測量控制程序主要包括輸出數(shù)據(jù)、k 系數(shù)補償、輸入數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)采集，通信程序主要包括應用層實現(xiàn)、通信發(fā)送和通信接受這三個部分。首先是對溫度補償程序的設計，本文主要使用電容式的傳感器，它的測量精度會由于外部環(huán)境的變化而發(fā)生很大改變，因此要對其進行溫度補償，可以通過神經(jīng)網(wǎng)絡法和最小二乘法對其進行計算，計算結(jié)果為溫度補償在-20-70 攝氏度;其次是對k 系數(shù)程序設計，由于電容式的傳感器制造工藝存在不足使其性能得不到保證，有時候用同一個量程段，在輸出上就會有誤差，因此一般采用A/D 采樣值進行轉(zhuǎn)換，使測量范圍與量程有對應的關系;再次是要對線性化程序設計，該部分主要是采用高精度的標準壓力源對傳感器的零點進行補償，來對輸出特性進行特征化處理從而不斷達到輸出特性的設計要求;最后是對HART 通訊程序進行設計，該協(xié)議的數(shù)據(jù)格式為前導碼的字節(jié)長度為5-20，定界符，命令字節(jié)和校驗字節(jié)的字節(jié)長度都為1，地址的字節(jié)長度為1-5，數(shù)據(jù)的字節(jié)長度為0-25，響應的字節(jié)長度為2。只有智能型變送器才支持HART協(xié)議。

結(jié)束語：當前，熱控變送器的研究還需要進一步深入，我們要對兩種型號的變送器進一步研究，本文闡述了總線變送器的基本內(nèi)容和原理、智能熱控變送器的選型方法，工作時的注意事項，以及當前熱控變送器的設計和實現(xiàn)要點，希望可以為今后的變送器的研究和發(fā)展提供參考。

參考文獻

[1]金黎華. 智能熱控變送器的設計與實現(xiàn)[D]. 大連理工大學，2018.67

[2]夏玉龍. 熱控變送器檢定標準實驗室應用初探[J]. 石油工業(yè)技術(shù)監(jiān)督，2019，12：14-17.