过程变量变送器及其发展趋势

摘要:
一． 什么是过程变量变送器(PVT)

　　为实现水泥工艺过程控制，自动化控制系统中必须从现场采集工艺过程变量。过程变量主要集中于四大类，即“压力、温度、料位、流量”，所谓过程变量变送器是将传感器感受的物理量的变化转换为准确的、标准的模拟或数字信号，并向网络发送，实现在现场的过程传感器和控制系统的连接。过程变量变送器在控制系统金字塔模型中处于最下层，却是十分关键的环节，一个典型的5000t/d的水泥生产线需检测的过程变量约为500~600个，需报警的点约为1000个，据中联水泥集团下属某一条2500t/d生产线的统计，计算机系统要监控的过程变量有495个，需报警的点约在720个，故一条2500t/d水泥生产线，需要的过程变量变送器就在500个左右。基于过程变量变送器应用面广，数量多，又是工艺监控必不可少的，各大水泥集团十分重视过程变量变送器的选用。近二十多年来，传感器和变送器技术取得了长足的进步，如灵敏度的提高、响应时间的降低、迟滞性的降低、以及长时间的稳定性和耐久性等，这些特性使得过程变送器变为更精确、更可靠、更稳定、更安全。随着新型干法水泥工艺不断改进以及电子技术的突飞猛进，过程变量变送器也经历了由模拟式、智能式、数字智能式三代产品，我国水泥生产线上安装的过程变量变送器也有模拟式到智能式，并开始采用带有 现场总线 FF或PROFIBUS-PA协议的变送器。我们先以压力变送器为例，论述过程变量变送器的技术发展。

二． 压力变送器的技术发展

　　压力、差压变送器是过程变量变送器中最重要的一类，应用范围很广，除了可用于压力、差压测量之外，还可用于流量、液位、比重等其他参数测量。一条5000t/d的水泥生产线，在工艺流程各关键部位必须设置压力变送器，如在窑头、窑尾、各级预热器的顶部和底部、各 次风管和冷却机各室等，以监控工艺正常运行，据统计一条新型干法水泥生产线共需设置压力变送器约为80台。

　　压力变送器按测量机理来分，最常用的有电容式、电感式、扩散硅，振弦式等，近几年来ABB，YOKOGAVA等公司又推出单晶硅谐振式和复合固态硅为测量机理的新型变送器，其各方面性能进一步提高；按结构形式变送器将其分为模拟式、智能式、数字智能式三代产品。八十年代我国自行建设的水泥厂，大多采用西安仪表厂引进的罗斯蒙特公司的1151系列变送器，除了用于测窑头负压的DR型微差压变送器的精确度是0.5%以外，其余大多是0.25%，它的特点是采用4~20mA传输的模拟仪表，就地显示表头为指针式，量程比在6:1左右。稳定性为6个月，这是第一代模拟式变送器。第二代产品是智能变送器，所谓“智能”概念是：传感器和变送器是由微处理器驱动，并且具有通信与自我诊断的能力。美国Honeywell公司在1983年最早推出智能变送器ST3000，1989年又推出全数字双向协议的智能变送器，以后包括罗斯蒙特在内的许多公司，也纷纷推出智能变送器。智能压力变送器除了有高精确度（0.1~ 0.075%），大量程比（最大可到100:1）和高稳定性（1~5年）外，它一般带有HART协议或本公司的协议，如ABB的Bailey FSK, YOKOGAVA的BRAIN协议，在后期的产品还带有符合现场总线国际标准的FF或PROFIBUS-PA协议，它就地显示表改为数字式，还可用手操器或在控制系统远程组态，实现远方设定或远方修改变送器组态数据。近几年来我国新上马的干法水泥厂几乎全采用了智能压力变送器，主要产品有：重庆横河川仪生产的EJA系列变送器 ，E+H的Cerabar S变送器, ABB的MV2000T，西门子的SITRANS P以及罗斯蒙特升级的1151和3051C变送器，有许多厂还选用了带有FF或PROFIBUS-PA协议的智能压力变送器。

　　进入21世纪，第三代变送器--数字智能式变送器又逐步走入我们的视野，其代表性的产品是罗斯蒙特的3051S变送器，ABB的2600T265系列变送器，横河的EJX变送器等。第三代变送器由于采用了先进的检测技术，消除了湿气、粉尘及其他现场恶劣环境对变送器测量的影响，精确度更高，据称它的精确度均优于 0.05% ；量程分档更细，量程比扩大到200:1；稳定性达到5年以上；通讯协议更全，新的变送器还通过了安全论证，能保证在工艺条件超过临界值时安全停机。由于第二代变送器已能满足水泥厂监控要求，且第三代变送器价格还较高，故笔者认为在水泥厂暂不宜推广。

三． 智能温度变送器的技术发展

　　温度也是过程变量变送器中很重要的一类，它是测量流量、密度及其他过程变量的基本要素之一。一条5000t/d的水泥生产线，在工艺流程及重要设备的关键部位必须设置温度变送器，据统计一条新型干法水泥生产线共需设置压力变送器约为80~100台。
基于在温度测量的发展上已取得了巨大进步，它也促进了在过程控制工业领域中温度变送器精确度、可靠性和重复性的提高，同时也为过程控制质量的不断提高做出了贡献。

　　所谓“智能温度变送器”指的是将温度传感器技术和附加的电子部件结合在一起的一种温度变送器，它可以实现远方设定或远方修改组态数据。纵观当前的温度变送器市场及水泥行业的应用，主要有三大类不同的智能温度变送器产品。从应用和成本的角度来看，每一类智能温度变送器都有其优点和不足之处。

1． 防风雨型温度变送器
　　这类温度变送器通常装在对变送器性能有很高要求，苛刻的应用场合，如在窑尾、分解炉、五级预热器等。这类温度变送器被封装在密封的壳体内，而这种壳体通常由不锈钢制成，其特点是精确度高、可靠性高、安全性好、防风雨，它的主要缺点是价格较高。它通常都带有现场表头，可现场监视，调整和组态。代表性的产品是EMERSON生产的3144，3244和北京远东的444，另E+H和西门子也有同类产品。

2． DIN导轨安装、仪表盘安装型温度变送器

　　这类温度变送器可以采用DIN导轨安装，通常在控制室内安装使用。它价格便宜、安装和维护简单，可以通过改变组态来匹配不同类型的温度传感器。由于同远程安装的传感器之间的连接导线较长导致测量精确度较低。在水泥厂磨系统可推荐使用这类温度变送器。

3． 一体化温度变送器

　　这类温度变送器可以直接安装在温度传感器的DIN连接头上，它的优点是安装费用低廉，体积小巧，兼容各种类型的温度传感器。由于这种温度变送器直接安装在温度传感器的接头上，所以电气连接和传感器接线都非常简单。水泥厂的窑系统除要求高的部位外可采用一体化温度变送器，磨系统也可选用。

　　智能温度变送器所采用的通讯协议和压力变送器一样，处于支配地位是HART协议，另外还带有符合现场总线国际标准的FF或PROFIBUS-PA协议的产品。

　　物位和流量过程变量变送器笔者在“新型流量计开始在水泥行业应用”和“现代化的水泥储存和检测计量技术”等文章中已有论述，这里不再赘述。

四． 过程变量变送器的技术发展

　　当前过程变量变送器主要发展趋势是无线应用、更小的外形尺寸、多变量过程变送器的应用。由于有些水泥大集团局部辅助流程已采用了无线技术，如冀东水泥集团在循环水泵站已采用了无线控制，浙江有些水泥厂采用无线控制装卸散装水泥船等，无线变送器也将受到我国水泥行业的关注。将无线功能加到过程变量变送器是物有所值，考虑到有些水泥厂占有的物理空间很大，有些工艺测量的位置难于安装，而有些工艺测量点环境十分恶劣，用传统的硬连线安装器件成本又过高，如果消除过程变量变送器和控制电路之间连接，改用无线通讯能够节约能源，减少配线和维护费用，故将无线功能加到过程变量变送器是物有所值，无线通讯技术也是继现场总线和工业以太网后又一热点技术。无线变量变送器典型产品和应用是2004年美国Honeywell公司推出的基于ZigBee无线传输协议的无线压力变送器XYR5000系列，它可监控压力、差压、时间和超声噪音，它们带有用以添加无线功能到4~20mA器件上的模拟输入接口以及可选的外部天线，它的精确度为±0.1% ，电池的使用寿命是五年。
　　至于过程变送器有更小的外形尺寸、多变量过程变送器的论述限于篇幅，我们在这里不再论述。

五．结论

　　在新型干法水泥生产线中，过程变量变送器作为监控的眼睛是非常重要的，它精确度、可靠性、稳定性、安全性的提高，为过程控制质量和最终产品质量的不断提高做出了贡献。