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劉憲英 郭慶勝

1  引言

    隨著工業技術的發展，特別是半導體技術、微電子技術、計算機技術和網絡技術的發展，變送器已經從模擬型、智能型發展到了現場總線型。傳統的模擬變送器是使用的單變量、單向傳輸的4～20mA的模擬信號；智能變送器（指采用HART、DE協議的變送器）是數字信號和模擬信號混合傳輸的變送器，它與系統信息的傳遞仍采用4～20mA的模擬信號，迭加其上的數字信號只用于傳遞輔助信息和診斷信息等，這種智能型變送器只能是針對傳統模擬變送器的一種過渡型產品，最終將被現場總線型變送器所代替。現場總線型變送器集檢測、控制和通信于一體，實現了與控制系統之間的全數字化、雙向的數據傳輸。MV2000T智能變送器就是一種輸出符合多種現場總線標準的智能變送器。

2  MV2000T智能變送器

    MV2000T系列智能變送器，主要包括2010TD差壓變送器（可測量差壓、液位和流量），2020TG壓力變送器（可測量壓力、液位），2010TA/2020TA絕對壓力變送器（可測量絕對壓力）和2010TC多參數變送器（可測量差壓、壓力、介質溫度、體積流量和質量流量）。MV2000T變送器輸出符合HART、Bell FSK、PROFIBUS-PA和FF多種現場總線協議，并可利用STT04/HHT275手操器或者SMART VISION通訊管理軟件進行調校和組態。在此主要以MV2010TD智能差壓變送器為例做詳細介紹。

2.1  MV2010TD智能差壓變送器的工作原理
    MV2010TD智能差壓變送器，使用先進的復合微硅固態傳感器，采用模塊化設計，由集成電子適配單元的傳感器模塊和一個帶按鈕控制單元的放大器組成。其中傳感器模塊是一個雙腔系統，具有一個整體化的過載膜片、一個內部絕對壓力傳感器和一個硅差壓傳感器。絕對壓力傳感器僅感受高壓側的壓力，可作為靜壓補償的參考值。差壓傳感器的負壓側經毛細管與變送器的負壓側/真空腔相連，被測的差壓/絕對壓力經隔離膜片和灌充液傳遞給硅差壓傳感器的檢測膜片。硅檢測膜片的微小位移導致檢測系統輸出電壓的變化，該輸出電壓與差壓成正比，由電子適配單元及放大器轉換為標準信號輸出。其結構原理圖如圖1所示。

圖1  2010TD智能差壓變送器的結構原理圖

2.2  MV2010TD智能差壓變送器的特點
(1)  測量介質為氣體、蒸汽和液體，測量參數為差壓和絕對壓力。
(2)  測量范圍（未遷移時）：0-50Pa～10MPa，多個量程可選。
(3)  精度：0.075％（可選0.05％），量程比可達100:1。
(4)  防爆（中國）：本安型防爆等級為Ex iaⅡCT4~6，隔爆型防爆等級為Ex dⅡCT4~6。
(5)  輸出符合多種通訊協議：
    4～20mA變送器（HART）的輸出信號標準設置：I_min＝3.8mA，I_max＝20.5mA，電源是10.5～45VDC，其組態可采用手操器STT 04或HHT 275，也可采用FSK MODEM + SMART VISION軟件。

    現場總線變送器（PROFIBUS-PA或FF）：傳輸技術為IEC61158-2，電源是10.2～32VDC，基本電流是14mA，傳輸速率為31.25Kbps。它可通過SMART VISION軟件和相應的通訊模塊（PROFIBUS-PA，Foundation Fieldbus）組態。

3  MV2000T智能變送器的應用

    由于傳統的集散控制系統（DCS）基于模擬儀表，現場信號的檢測、傳輸與控制是通過傳感器或變送器檢測物理信號并轉換成標準的4～20mA 信號以模擬方式進行傳輸的，因此在檢測方面存在精度低、動態補償能力差和無自診斷功能等問題。現場總線和智能變送器儀表的出現實現了現場儀表與控制系統之間全數字化、雙向數據傳輸，使過程控制的功能進一步分散下移和信息處理現場化。由于現場總線控制系統（FCS）還不能完全代替DCS，因此將現場總線集成于DCS是現階段普遍采用的方案。現場總線與DCS的集成主要有以下3種方式：①現場總線集成在DCS的I/O層上，即通過一個現場總線接口卡掛在DCS的I/O總線上。②現場總線集成在DCS的網絡層，即現場總線通過一個現場總線接口單元掛接在DCS的通信網絡上。③現場總線控制系統和DCS獨立工作，通過網關實現系統之間的信息互訪和通信協議的轉換。

    某油田聯合站就采用了第2種方式集成的控制系統，即將PROFIBUS-PA現場總線集成在某一集散控制系統的局域控制網絡層（LCN）。聯合站的中心控制室可以對整個油田的生產過程進行監控，生產過程指站外油氣集輸、站內油氣水三相分離、原油外輸和污水處理等。對于離中心控制室較遠的一些參數的測量與控制，用一根現場總線電纜將智能變送器儀表、控制閥和執行器等連接起來，這樣可以節約大量電纜、橋架和連接件。同時現場總線不僅為現場設備傳送數字信號，還可以為總線上的現場儀表提供電源，這樣就滿足了現場本質安全防爆的要求。由于該聯合站位于沙漠地帶，氣候惡劣，溫差較大，所以選用了適合過程控制而又具有本質安全性的PROFIBUS-PA現場總線。而所有連接到PROFIBUS-PA總線上的設備必須是符合PROFIBUS-PA協議的智能設備，因此該控制系統選用了輸出符合多種現場總線（FF，HART和PROFIBUS-PA）的MV2000T系列智能變送器。其具體的系統結構如圖2所示。

圖2  集成的系統結構圖

    PROFIBUS-PA采用的是IEC61158-2傳輸技術，而PROFIBUS-DP采用的是RS485傳輸技術且可以直接和計算機相連[1]。DP/PA耦合器使IEC1158-2信號轉換為RS485信號傳送到操作站。MV2000T輸出符合現場總線的變送器，其傳輸技術也是基于IEC61158-2的，因此它們可以和PROFIBUS-PA現場總線直接相連。

    2010TD智能差壓變送器主要實現管道中油氣流量的監測與控制，它通過過程法蘭安裝在油氣集輸的管道上，利用能將流量轉換為壓差信號的節流裝置，實現對壓差的測量并通過2010TD的平方根和自由編程的計算功能將壓差信號轉換為相應的流量數字信號，通過現場總線傳送到中心控制室的操作站供操作人員查看，并且可通過對變送器PID調節功能的組態實現對流量的控制。2010TD智能差壓變送器還可以通過液位法蘭直接安裝在被測液位的罐體（生產分離器或脫水器等）上，由于原油具有一定腐蝕性和粘性，為了防止容器內的原油進入變送器而造成管線堵塞或腐蝕，應該將液位法蘭隔離測量過程和變送器本體，這樣2010TD將可能存在零點正負遷移[3]的問題而需要進行零位校正。差壓變送器所測得的差壓與液位高度成線性關系，因此只需要通過2010TD的線性和PID調節功能的組態就可實現對油的液位測量與控制，利用現場總線可將液位的數字信號傳送到中心控制室的操作站。2010/2020TA絕對壓力智能變送器，它安裝需要測量絕對壓力的油氣管道或油井現場，將絕對壓力轉換為數字信號通過現場總線傳到中心控制室的操作站。2010TC多參數智能變送器可同時測量差壓、靜壓和介質溫度，并將它們轉換為與補償后的質量流量成正比的數字信號，它主要用于對外輸原油的質量流量的測量。

    對于2010TD、2010TA、2020TA和2010TC，可以通過就地按鈕進行外部調節零滿，帶液晶表頭后就地按鈕就可對變送器進行零位校正、線性或平方根輸出及PID調節等功能的組態；也可在控制室的工程師站利用SMART VISION通信管理軟件和通信模塊實現對它們遠程的在線功能組態（線性、平方根、自由編程和PID調節）和診斷，通過設備類型管理器（DTM），SMART VISION軟件利用其工程數據庫可實現組態數據和診斷信息在儀表和控制系統之間的傳輸。對于MV2000T智能變送器的選型，應該根據被測參數的測量范圍和精度要求來選擇量程比（量程比≤10:1時變送器的性能最優，而量程比>10:1時將產生附件誤差）和量程代碼。

4  結語

    雖然目前FCS還不能完全取代DCS，而只是取代DCS中的某些子系統，但是FCS是控制系統的發展趨勢，最終將會逐漸取代DCS，與控制系統配套的現場儀表也應向符合現場總線協議的智能型方向發展。因此輸出符合多種現場總線協議的MV2000T智能變送器將有非常好的應用前景。