過程變量變送器及其發展趨勢

摘要:
一． 什么是過程變量變送器(PVT)

　　為實現水泥工藝過程控制，自動化控制系統中必須從現場采集工藝過程變量。過程變量主要集中于四大類，即“壓力、溫度、料位、流量”，所謂過程變量變送器是將傳感器感受的物理量的變化轉換為準確的、標準的模擬或數字信號，并向網絡發送，實現在現場的過程傳感器和控制系統的連接。過程變量變送器在控制系統金字塔模型中處于最下層，卻是十分關鍵的環節，一個典型的5000t/d的水泥生產線需檢測的過程變量約為500~600個，需報警的點約為1000個，據中聯水泥集團下屬某一條2500t/d生產線的統計，計算機系統要監控的過程變量有495個，需報警的點約在720個，故一條2500t/d水泥生產線，需要的過程變量變送器就在500個左右。基于過程變量變送器應用面廣，數量多，又是工藝監控必不可少的，各大水泥集團十分重視過程變量變送器的選用。近二十多年來，傳感器和變送器技術取得了長足的進步，如靈敏度的提高、響應時間的降低、遲滯性的降低、以及長時間的穩定性和耐久性等，這些特性使得過程變送器變為更精確、更可靠、更穩定、更安全。隨著新型干法水泥工藝不斷改進以及電子技術的突飛猛進，過程變量變送器也經歷了由模擬式、智能式、數字智能式三代產品，我國水泥生產線上安裝的過程變量變送器也有模擬式到智能式，并開始采用帶有 現場總線 FF或PROFIBUS-PA協議的變送器。我們先以壓力變送器為例，論述過程變量變送器的技術發展。

二． 壓力變送器的技術發展

　　壓力、差壓變送器是過程變量變送器中最重要的一類，應用范圍很廣，除了可用于壓力、差壓測量之外，還可用于流量、液位、比重等其他參數測量。一條5000t/d的水泥生產線，在工藝流程各關鍵部位必須設置壓力變送器，如在窯頭、窯尾、各級預熱器的頂部和底部、各 次風管和冷卻機各室等，以監控工藝正常運行，據統計一條新型干法水泥生產線共需設置壓力變送器約為80臺。

　　壓力變送器按測量機理來分，最常用的有電容式、電感式、擴散硅，振弦式等，近幾年來ABB，YOKOGAVA等公司又推出單晶硅諧振式和復合固態硅為測量機理的新型變送器，其各方面性能進一步提高；按結構形式變送器將其分為模擬式、智能式、數字智能式三代產品。八十年代我國自行建設的水泥廠，大多采用西安儀表廠引進的羅斯蒙特公司的1151系列變送器，除了用于測窯頭負壓的DR型微差壓變送器的精確度是0.5%以外，其余大多是0.25%，它的特點是采用4~20mA傳輸的模擬儀表，就地顯示表頭為指針式，量程比在6:1左右。穩定性為6個月，這是第一代模擬式變送器。第二代產品是智能變送器，所謂“智能”概念是：傳感器和變送器是由微處理器驅動，并且具有通信與自我診斷的能力。美國Honeywell公司在1983年最早推出智能變送器ST3000，1989年又推出全數字雙向協議的智能變送器，以后包括羅斯蒙特在內的許多公司，也紛紛推出智能變送器。智能壓力變送器除了有高精確度（0.1~ 0.075%），大量程比（最大可到100:1）和高穩定性（1~5年）外，它一般帶有HART協議或本公司的協議，如ABB的Bailey FSK, YOKOGAVA的BRAIN協議，在后期的產品還帶有符合現場總線國際標準的FF或PROFIBUS-PA協議，它就地顯示表改為數字式，還可用手操器或在控制系統遠程組態，實現遠方設定或遠方修改變送器組態數據。近幾年來我國新上馬的干法水泥廠幾乎全采用了智能壓力變送器，主要產品有：重慶橫河川儀生產的EJA系列變送器 ，E+H的Cerabar S變送器, ABB的MV2000T，西門子的SITRANS P以及羅斯蒙特升級的1151和3051C變送器，有許多廠還選用了帶有FF或PROFIBUS-PA協議的智能壓力變送器。

　　進入21世紀，第三代變送器--數字智能式變送器又逐步走入我們的視野，其代表性的產品是羅斯蒙特的3051S變送器，ABB的2600T265系列變送器，橫河的EJX變送器等。第三代變送器由于采用了先進的檢測技術，消除了濕氣、粉塵及其他現場惡劣環境對變送器測量的影響，精確度更高，據稱它的精確度均優于 0.05% ；量程分檔更細，量程比擴大到200:1；穩定性達到5年以上；通訊協議更全，新的變送器還通過了安全論證，能保證在工藝條件超過臨界值時安全停機。由于第二代變送器已能滿足水泥廠監控要求，且第三代變送器價格還較高，故筆者認為在水泥廠暫不宜推廣。

三． 智能溫度變送器的技術發展

　　溫度也是過程變量變送器中很重要的一類，它是測量流量、密度及其他過程變量的基本要素之一。一條5000t/d的水泥生產線，在工藝流程及重要設備的關鍵部位必須設置溫度變送器，據統計一條新型干法水泥生產線共需設置壓力變送器約為80~100臺。
基于在溫度測量的發展上已取得了巨大進步，它也促進了在過程控制工業領域中溫度變送器精確度、可靠性和重復性的提高，同時也為過程控制質量的不斷提高做出了貢獻。

　　所謂“智能溫度變送器”指的是將溫度傳感器技術和附加的電子部件結合在一起的一種溫度變送器，它可以實現遠方設定或遠方修改組態數據。縱觀當前的溫度變送器市場及水泥行業的應用，主要有三大類不同的智能溫度變送器產品。從應用和成本的角度來看，每一類智能溫度變送器都有其優點和不足之處。

1． 防風雨型溫度變送器
　　這類溫度變送器通常裝在對變送器性能有很高要求，苛刻的應用場合，如在窯尾、分解爐、五級預熱器等。這類溫度變送器被封裝在密封的殼體內，而這種殼體通常由不銹鋼制成，其特點是精確度高、可靠性高、安全性好、防風雨，它的主要缺點是價格較高。它通常都帶有現場表頭，可現場監視，調整和組態。代表性的產品是EMERSON生產的3144，3244和北京遠東的444，另E+H和西門子也有同類產品。

2． DIN導軌安裝、儀表盤安裝型溫度變送器

　　這類溫度變送器可以采用DIN導軌安裝，通常在控制室內安裝使用。它價格便宜、安裝和維護簡單，可以通過改變組態來匹配不同類型的溫度傳感器。由于同遠程安裝的傳感器之間的連接導線較長導致測量精確度較低。在水泥廠磨系統可推薦使用這類溫度變送器。

3． 一體化溫度變送器

　　這類溫度變送器可以直接安裝在溫度傳感器的DIN連接頭上，它的優點是安裝費用低廉，體積小巧，兼容各種類型的溫度傳感器。由于這種溫度變送器直接安裝在溫度傳感器的接頭上，所以電氣連接和傳感器接線都非常簡單。水泥廠的窯系統除要求高的部位外可采用一體化溫度變送器，磨系統也可選用。

　　智能溫度變送器所采用的通訊協議和壓力變送器一樣，處于支配地位是HART協議，另外還帶有符合現場總線國際標準的FF或PROFIBUS-PA協議的產品。

　　物位和流量過程變量變送器筆者在“新型流量計開始在水泥行業應用”和“現代化的水泥儲存和檢測計量技術”等文章中已有論述，這里不再贅述。

四． 過程變量變送器的技術發展

　　當前過程變量變送器主要發展趨勢是無線應用、更小的外形尺寸、多變量過程變送器的應用。由于有些水泥大集團局部輔助流程已采用了無線技術，如冀東水泥集團在循環水泵站已采用了無線控制，浙江有些水泥廠采用無線控制裝卸散裝水泥船等，無線變送器也將受到我國水泥行業的關注。將無線功能加到過程變量變送器是物有所值，考慮到有些水泥廠占有的物理空間很大，有些工藝測量的位置難于安裝，而有些工藝測量點環境十分惡劣，用傳統的硬連線安裝器件成本又過高，如果消除過程變量變送器和控制電路之間連接，改用無線通訊能夠節約能源，減少配線和維護費用，故將無線功能加到過程變量變送器是物有所值，無線通訊技術也是繼現場總線和工業以太網后又一熱點技術。無線變量變送器典型產品和應用是2004年美國Honeywell公司推出的基于ZigBee無線傳輸協議的無線壓力變送器XYR5000系列，它可監控壓力、差壓、時間和超聲噪音，它們帶有用以添加無線功能到4~20mA器件上的模擬輸入接口以及可選的外部天線，它的精確度為±0.1% ，電池的使用壽命是五年。
　　至于過程變送器有更小的外形尺寸、多變量過程變送器的論述限于篇幅，我們在這里不再論述。

五．結論

　　在新型干法水泥生產線中，過程變量變送器作為監控的眼睛是非常重要的，它精確度、可靠性、穩定性、安全性的提高，為過程控制質量和最終產品質量的不斷提高做出了貢獻。