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    引言

    變送器是自動控制系統的基礎，它既是獲取信息的傳感器，也是信息工業的源頭。目前，變送器已經從模擬型、智能型發展到了現場總線型。

    智能型變送器(指采用HART、DE協議的變送器)是數字信號與模擬信號混合的變送器，它和DCS(分散控制系統)的連接仍然采用兩線制。智能型變送器與DCS通信時，在DCS中還必須配有智能卡(數字檢測卡)，否則，即使是同一廠家的產品，也不能通信。不同廠家的DCS和智能型變送器之間一般不能進行數字通信，絕大多數仍是4~20mA的模擬量傳輸。因此這種智能型變送器的互操作性差，智能作用也不大。隨著計算機、通信和微處理機技術的發展，控制系統發生了新的變革，產生了取代傳統DCS(指未吸納現場總線技術的DCS)的現場總線控制系統(簡稱FCS)。為了適應現場總線控制系統的要求，現場總線型變送器得到了迅速發展。

    一、特點

    現場總線型變送器與目前開始廣泛使用的智能型變送器相比較，具有如下特點。

    (1) 全數字性

    現場總線作為一種數字式通信網絡從控制室一直延伸到生產現場，使過去采用點到點式的模擬量信號傳輸變為多點一線的串行數字式傳輸。在現場總線型變送器中，不論是傳感器電路，還是轉換器電路，都是數字式的。不像智能型變送器那樣，既有數字電路，又有模擬電路。因而，現場總線型變送器的全數字性使得變送器的結構更加簡單，其分辨力、測量速度、穩定性都高于智能型變送器。

    (2) 精確度高

    在智能型變送器中，其傳感器有的不是直接轉換成數字的，而是把壓差作用在膜片上，使其產生位移，改變電容或電阻，先輸出電壓，再經過模/數(A/D)轉換變成數字信號后，送微處理機。當然，也有一些智能型變送器，壓差膜片的位移直接轉換成頻率信號，沒有A/D轉換器。但是，為了保留有4~20mA模擬信號，數/模(D/A)轉換器還都是存在的。所以，在智能型變送器中，其信號傳輸精確度在反復的A/D和D/A轉換中有所降低。而現場總線型變送器中不存在A/D和D/A轉換電路，所以不會產生A/D和D/A的轉換誤差，因而信號的傳輸精確度有所提高，故現場總線型變送器要比智能型變送器精確度高。

    (3) 抗干擾能力強

    在模擬型和智能型變送器中，信號是以4~20mA的連續形式存在的，信號值的變化可以無限小，因此，噪聲和信號畸變在模擬信號傳輸中是無法避免的。也就是說，變送器傳輸模擬信號時穩定性較差，零點容易漂移。而在現場總線型變送器中，信號的有效值只有兩個：0或1，電平較高，一般的噪聲很難扭曲它，只有在很大的干擾出現時，才可能使信號發生畸變。所以，現場總線型變送器要比智能型變送器(當它傳輸4~20mA模擬信號時)的抗干擾能力強。

    (4) 內嵌控制功能

    現場總線型變送器除了保持智能型變送器優良的測量性能外，還增加了運算和控制功能。在每臺現場總線型變送器中都內嵌有PID控制、邏輯運算、算術運算、累加等模塊，用戶通過組態軟件對這些功能模塊進行任意調用，以實現參數的現場控制。由于現場總線型變送器就安裝在生產設備附近，使信號傳輸的距離大大縮短，這不但提高了回路的控制質量，降低了回路的不穩定性，而且還可取消控制柜，進一步節省了控制室的空間。

    (5) 高速通信

    智能型變送器不論是采用HART通信協議，還是采用DE通信規程，其通信速率都不高，因此不能有效地實現實時控制。現場總線型變送器要像4~20mA系統那樣實現閉環實時控制需要更高的通信速率。由于高速需要更大的電源消耗，這個要求就與本質安全產生了矛盾。因而，需要選擇適當的通信速率，使系統的通信負荷盡可能小。

    現場總線型變送器采用通信調度系統來控制變量的采樣、算法的執行和通信系統的優化。如FF(Field Foundation, 現場總線基金會)把數據分為周期性和非周期性兩部分：對周期性數據必須在系統所需的周期內處理完畢；而對非周期性數據則可以在通信通道空閑時傳輸。這樣的通信調度就使得現場總線型變送器具有了和模擬型變送器一樣的通信速率，并達到了和模擬控制系統一樣的高速閉環控制性能。

    (6) 多變量測量

    所謂多變量測量是指一臺變送器可以同時測量多個過程變量。在過去的模擬通信方式中，測量一個變量就需要一對導線，因此，每臺變送器只能測量一個過程變量。而采用了現場總線通信方式后，由于每臺現場總線型變送器內配有多個感測元件，它就可以同時測量多個過程變量，并通過現場總線傳輸出去。例如，在現場總線型流量變送器中，除了測量流體流量外，還可以測量過程壓力、溫度等多種變量；再例如，在現場總線型液位變送器中，除了測量容器的液位外，還可以測量介質密度、容器內壓力和溫度等多種變量。

    (7) 系統綜合成本低

    在4~20mA通信方式下，變送器只能測量一個物理變量，如果要將這個測量變量轉換為控制上必要的數據，還需要其他附屬的儀表。例如，測量帶有溫度和壓力補償的蒸汽流量時，需要3臺變送器分別測量溫度、壓力和壓差(流量)。而在現場總線控制系統中，則只需要一臺現場總線型變送器就可以了。這不但使系統結構大大簡化，而且還降低了系統的綜合成本，減少了系統安裝和調試費用。

    (8) 真正的互操作性

    現場總線通信方式正在向國際標準化推進，標準化確保了互操作性的實現。所謂互操作性是指來自不同廠家的設備可以互相通信，并且可以在多廠家的環境中完成功能的能力。互操作性使不同廠家的設備可以互相使用，其控制系統的組成是自由的。凡是符合現場總線國際通信標準的現場總線設備，不論是哪一個廠家生產的都可以互相交換信息。這樣，用戶就不必圍繞著某一家儀表公司選擇設備，控制系統構成的自由度大大增加，用戶能夠以最優的性能/價格比構成符合自己要求的控制系統。

    二、產品與應用

    不少檢測儀表雖然在習慣上未被稱作變送器，但是，就其功能來說仍有變送器的功能，例如氧量分析儀、電磁流量計、渦街流量計、超聲流量計等。目前，世界各大儀表生產廠都相繼推出了現場總線型變送器，通過FF認證的變送器已經有60多種，如SMAR公司的LD302、TT302；Rosemount公司的3051、3244MV、OXYMITTER4000、4081C/T、8742；FUJI公司的FFX-T系列、FFX-P系列；Yokogawa公司的EJA、YTA-302、YEWFLOW、EXAXTPH；Honeywell公司的FFOPTION、STT35F Fieldbus；Foxbro公司的IASPT10、RTT25、IAP10、IAP20；Endress+Hauser公司的CERABARS；ABB公司的600TEN等。

    現場總線型變送器現已開始在國內企業的控制系統中得到使用，如中原石油化工總廠鍋爐控制系統、安慶石化腈綸廠乙腈回收裝置的控制系統、濱洲化工自備電廠鍋爐控制系統、安慶煉油廠硫磺回收/富液再生控制系統等。這些控制系統結構精簡，沒有龐大的控制柜、I/O柜，多臺變送器共用一根電纜，使安裝和調試費用大大減少，獲得了較大的經濟效益。

    三、結束語

    綜上所述，現場總線型變送器已經不是傳統意義上的變送器了，它是一個集變送、控制和通信功能于一身的現場設備。現場總線型變送器的出現，必將給儀表和自動化領域帶來新的革命性變革。