有句老話(huà)說(shuō)得好，想要控制過(guò)程，必先測(cè)量過(guò)程，今天這句話(huà)仍舊奏效。這句老話(huà)的推論就是只有具備值得信賴(lài)的過(guò)程測(cè)量信息，用戶(hù)才會(huì)在進(jìn)行控制改進(jìn)時(shí)感覺(jué)放心。

　　例如，一個(gè)過(guò)程需要最小10gpm(加侖每分鐘)的流量。如果操作人員不信任流量測(cè)量?jī)x表的精度，安全起見(jiàn)就會(huì)將流量設(shè)置在11gpm，哪怕會(huì)增加原材料成本和處置費(fèi)用。有了可信賴(lài)而且精確的智能流量?jī)x表，操作人員就可以放心地將流量減小至10.1gpm，通過(guò)提高效率節(jié)約成本。

　　智能儀表能夠在儀表故障發(fā)生之前，將目前操作中的問(wèn)題或者潛在的問(wèn)題告知操作人員，進(jìn)而減少故障的發(fā)生。使用大多數(shù)測(cè)量設(shè)備可以很容易地發(fā)現(xiàn)顯著的故障，但是只有智能儀表才能發(fā)現(xiàn)細(xì)微問(wèn)題，而這些細(xì)微問(wèn)題正是導(dǎo)致測(cè)量不準(zhǔn)確的罪魁禍?zhǔn)?，更是故障的前兆?/p>

　　何為智能儀表？

　　智能儀表的定義在過(guò)去幾十年里發(fā)展演化(表1)。老式的非智能儀表是3-15psi氣動(dòng)設(shè)備，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)單循環(huán)控制器完成控制作業(yè)。信息通常以指示表的形式在本地顯示，技術(shù)員在現(xiàn)場(chǎng)巡視，使用鋼筆和白紙手動(dòng)記錄數(shù)據(jù)。如果數(shù)據(jù)需要自動(dòng)記錄并分析，那么需要使用本地圖表記錄儀。

　　過(guò)程變量按照比例換算成1-5、4-20、10、50mAdc信號(hào)輸出為儀表增加了一定程度的智能性。一旦數(shù)據(jù)可以遠(yuǎn)程變送，遠(yuǎn)程測(cè)量、顯示和控制就有可能實(shí)現(xiàn)。

　　帶有中央處理和I/O的控制系統(tǒng)的并行發(fā)展引入了新方法，能夠更有效地采集4-20mA儀表產(chǎn)生的信息，并將這些信息轉(zhuǎn)換成工程單位，集中處理并記錄這些信息?；芈饭╇妰x表也成為可能www.cechina.cn，可以通過(guò)一個(gè)電流源對(duì)多臺(tái)變送器供電，通常是通過(guò)模擬I/O模塊完成。

　　微處理器越來(lái)越耐用，可以直接安裝在現(xiàn)場(chǎng)儀表中，這是智能儀表前進(jìn)的一大步，使本地?cái)?shù)據(jù)信號(hào)處理成為可能，造就了第一批真正的智能儀表，因?yàn)檫@些設(shè)備可以將模擬4-20mA信號(hào)轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)，進(jìn)而在網(wǎng)絡(luò)上傳輸，本地微處理器也可以完成一些儀表級(jí)別的任務(wù)，即校準(zhǔn)和診斷。

　　既然智能儀表可以將過(guò)程變量和其他參數(shù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字形式，那么現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的產(chǎn)生就水到渠成。最初的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)使用現(xiàn)有的4-20mA信號(hào)線(xiàn)作為物理傳輸媒介，手持校準(zhǔn)設(shè)備可以接入4-20mA電流環(huán)路的任意位置。除了手持設(shè)備，一些離散控制系統(tǒng)隨之獲得了通訊功能并可以對(duì)過(guò)程變量和設(shè)備診斷數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字存取。

　　很多供應(yīng)商都有自己的網(wǎng)絡(luò)，使用現(xiàn)有的4-20mA信號(hào)作為傳輸媒介，HART技術(shù)的適時(shí)出現(xiàn)，統(tǒng)一了各種不兼容的網(wǎng)絡(luò)。HART成為了供應(yīng)商的中立基礎(chǔ)，并最終發(fā)展成為優(yōu)秀的多層現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備通訊協(xié)議，被大多數(shù)儀表和控制系統(tǒng)供應(yīng)商支持。因此，智能設(shè)備也貼上了HART的標(biāo)簽。

　　為了使用過(guò)程變量的數(shù)字值來(lái)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制并將更多信息發(fā)送至遠(yuǎn)程主機(jī)，人們對(duì)性能有更高的要求，而HART已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足。隨著微處理器的功能越來(lái)越強(qiáng)大控制工程網(wǎng)版權(quán)所有，除了過(guò)程變量之外，智能儀表能夠提供更多有價(jià)值的信息，這進(jìn)一步刺激了對(duì)更強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)的需求。

　　專(zhuān)門(mén)為了將儀表和自動(dòng)化系統(tǒng)連接的數(shù)字網(wǎng)絡(luò)開(kāi)始出現(xiàn)，其中佼佼者是基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)H1和ProfibusPA。這些平臺(tái)不再使用4-20mA輸出，轉(zhuǎn)而使用先進(jìn)的電子和軟件標(biāo)準(zhǔn)來(lái)提升速度、改進(jìn)診斷，帶來(lái)了嵌入式本地控制等新功能。這兩種現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)和其他現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)被標(biāo)準(zhǔn)化組織采納，成為多家智能儀表供應(yīng)商的嵌入通訊選擇。

　　最近，經(jīng)過(guò)實(shí)踐檢驗(yàn)的強(qiáng)大的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的出現(xiàn)，導(dǎo)致聚焦于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和遠(yuǎn)程存取站點(diǎn)之間通訊的特定供應(yīng)商和基于標(biāo)準(zhǔn)的解決方案獲得發(fā)展。HART通訊基金會(huì)開(kāi)發(fā)了向后兼容的無(wú)線(xiàn)技術(shù)并且獲得IEC62591標(biāo)準(zhǔn)化認(rèn)可。ISASP100.11a委員會(huì)也正在致力于無(wú)線(xiàn)儀表通訊的標(biāo)準(zhǔn)化認(rèn)可工作。

　　今天，智能儀表的大概定義就是包含一個(gè)或者多個(gè)數(shù)字網(wǎng)絡(luò)通訊選項(xiàng)的設(shè)備。由于數(shù)字通訊要求使用微處理器，所以現(xiàn)代智能儀表還能提供很多種類(lèi)的其他功能。

　　智能儀表的性能

　　成功的測(cè)量源自在正確的應(yīng)用場(chǎng)合正確安裝合適的儀表。除了自帶傳感器的輸入，非智能儀表無(wú)法得知其他任何過(guò)程信息。但是智能儀表具有診斷功能，可以檢測(cè)到安裝期間的故障或者運(yùn)行中的問(wèn)題，這兩者都會(huì)影響測(cè)量質(zhì)量和/或設(shè)備可靠性。智能儀表還可以對(duì)查詢(xún)做出響應(yīng)，或者將狀態(tài)信息發(fā)送至自動(dòng)化系統(tǒng)以及其他聯(lián)網(wǎng)的平臺(tái)。

　　某些智能儀表帶有本地HMI，可以進(jìn)行基本設(shè)置、校準(zhǔn)和診斷功能。圖片來(lái)源：EH

　　解鎖智能儀表信息的關(guān)鍵就是操作員接口www.cechina.cn，此接口可以是儀表上的本地顯示、本地手持HMI(人機(jī)接口)或者聯(lián)網(wǎng)HMI。與本地顯示相比，HMI可以使技術(shù)人員或者操作人員與儀表之間的信息交流更加流暢。

　　使用多種內(nèi)置傳感器同時(shí)測(cè)量多種過(guò)程變量并使用數(shù)字技術(shù)或者無(wú)線(xiàn)技術(shù)進(jìn)行通訊的多變量?jī)x表就是智能儀表的最高階段。例如一臺(tái)科里奧利流量計(jì)可以測(cè)量和/或計(jì)算質(zhì)量流量、粘度、密度、溫度和總流量。

　　一些配有HART6、無(wú)線(xiàn)HART或者基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)H1之類(lèi)的通訊協(xié)議的智能設(shè)備可以在類(lèi)似配置的儀表之間直接交換過(guò)程變量。這些過(guò)程變量被用于在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行加和計(jì)算，無(wú)需自動(dòng)化系統(tǒng)或者額外計(jì)算單元的幫助。例如，一臺(tái)渦街流量計(jì)可以與壓力變送器接口生成經(jīng)過(guò)修正的能量流，或者兩臺(tái)壓力變送器可以相互連接生成差壓值。

　　網(wǎng)絡(luò)時(shí)代帶來(lái)了巨大的連通性、信息管理和接入選項(xiàng)。雖然很多技術(shù)已經(jīng)被自動(dòng)化平臺(tái)采用，例如可編程邏輯控制器、可編程自動(dòng)化控制器和離散控制系統(tǒng)，在將關(guān)鍵過(guò)程儀表接入以太網(wǎng)或者其他類(lèi)似網(wǎng)絡(luò)之前，仍需考慮保護(hù)和安全問(wèn)題。

　　某種程度上正式因?yàn)榭紤]安全和保護(hù)問(wèn)題，很大一部分已經(jīng)安裝的儀表仍舊以古老的4-20mA信號(hào)形式將過(guò)程變量發(fā)送至自動(dòng)化系統(tǒng)，這些變量隨后在自動(dòng)化系統(tǒng)中進(jìn)行轉(zhuǎn)化和管理。但是例如基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)、Profibus和Ethernet/IP的數(shù)字通訊系統(tǒng)和無(wú)線(xiàn)HART之類(lèi)的的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)卻越來(lái)越多地將來(lái)自于儀表的數(shù)字過(guò)程變量直接提供給自動(dòng)化平臺(tái)，無(wú)需使用4-20mA信號(hào)和其所需的I/O基礎(chǔ)設(shè)備。

　　定義能源用度、環(huán)境報(bào)表、供應(yīng)鏈監(jiān)視和過(guò)程單位監(jiān)視的過(guò)程變量通常都不是自動(dòng)化系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制體系結(jié)構(gòu)的組成部分——所以這些變量可以通過(guò)IT接入點(diǎn)直接從智能儀表發(fā)送至數(shù)據(jù)庫(kù)，極大地簡(jiǎn)化了自動(dòng)化系統(tǒng)和信息系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)。

　　過(guò)程變量之外的功能

　　智能儀表不僅僅能夠?qū)⑦^(guò)程變量發(fā)送至多個(gè)主機(jī)，還有很多其他功能。智能儀表可以在提供儀表狀態(tài)數(shù)據(jù)的同時(shí)，將測(cè)量、線(xiàn)性化和/或經(jīng)過(guò)其他調(diào)整的原始模擬數(shù)值形成一個(gè)或者更多工程化的過(guò)程變量。這些工程化過(guò)程變量與設(shè)備數(shù)據(jù)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)或者無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)與自動(dòng)化系統(tǒng)和/或其他聯(lián)網(wǎng)接入點(diǎn)進(jìn)行數(shù)字通訊。

　　表2列出了一些智能儀表目前能夠提供的幾種關(guān)鍵數(shù)據(jù)點(diǎn)，詳述了其優(yōu)點(diǎn)。例如，儀表狀態(tài)數(shù)據(jù)可以指明數(shù)據(jù)質(zhì)量問(wèn)題或者發(fā)出警報(bào)。工程或者維護(hù)工具能夠在本地使用，也可以聯(lián)網(wǎng)使用控制工程網(wǎng)版權(quán)所有，評(píng)估問(wèn)題，形成解決方案?？赡艿难a(bǔ)救措施包括重新校準(zhǔn)、配置更改或者更換儀表。

　　按照溯源標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)定，儀表的測(cè)量輸出按照校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)估，以確保測(cè)量信息的質(zhì)量。很多智能儀表可以進(jìn)行內(nèi)部自檢診斷，例如科里奧利流量計(jì)動(dòng)態(tài)管測(cè)試可以顯示是否需要使用可溯源方法進(jìn)行校準(zhǔn)確認(rèn)。一些智能儀表提供美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院(NIST)可溯源確認(rèn)工具，以支持ISO20017.7條款中規(guī)定的可溯源確認(rèn)和校準(zhǔn)要求。

　　能夠設(shè)計(jì)安全儀表系統(tǒng)(SIS)的4-20mA儀表生產(chǎn)商越來(lái)越多地按照IEC61508標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)備設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和生命周期管理。安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員通常都遵循IEC61511、ISA和ANSI84.01-2004安全系統(tǒng)生命周期管理標(biāo)準(zhǔn)，也有一部分使用帶有內(nèi)部診斷功能的經(jīng)過(guò)IEC61508標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證的儀表。

　　這些經(jīng)過(guò)認(rèn)證的儀表可以幫助設(shè)計(jì)人員達(dá)到所要求的過(guò)程安全完整性等級(jí)(SIL)。智能SIL儀表還能夠與狀態(tài)監(jiān)控工具交互診斷信息，以幫助完成儀表維護(hù)。

　　隨著智能儀表的普及，診斷信息的數(shù)量和復(fù)雜度急劇增加，對(duì)誤差辨識(shí)和診斷代碼的標(biāo)準(zhǔn)提出了要求。NAMUR的推薦技術(shù)規(guī)范NE107就是故障診斷標(biāo)準(zhǔn)化工作的一部分，它建議將來(lái)自智能儀表的診斷信息分成5類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)信號(hào)類(lèi)別(表3)。

　　遵循NE107的設(shè)備具有內(nèi)部自監(jiān)視和故障自檢功能，將診斷信息分類(lèi)組合，形成具有指導(dǎo)性的提示。降低了復(fù)雜度，減少了對(duì)操作人員和技術(shù)人員的培訓(xùn)，提升了安全性和儀表實(shí)用性。

　　其他用于標(biāo)準(zhǔn)化智能儀表數(shù)據(jù)交付的工具是一些標(biāo)準(zhǔn)，即使用描述符號(hào)和術(shù)語(yǔ)定義每一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的具體形式。目前為此目的使用的兩個(gè)主要標(biāo)準(zhǔn)是電子設(shè)備描述語(yǔ)言(EDDL)和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備工具(FDT)。

　　儀表能夠變送的數(shù)據(jù)越來(lái)越多、速度越來(lái)越快，它們變得就越來(lái)越智能，為用戶(hù)帶來(lái)了更多的便利，同時(shí)簡(jiǎn)化了安裝和操作過(guò)程。

　　聰明到智能的蛻變

　　儀表從非智能發(fā)展為智能儀表，真正的智能就不遠(yuǎn)了。未來(lái)的專(zhuān)家儀表具有多種通訊通道，每一個(gè)通信通道都具有內(nèi)置的安全性，很像目前的以太網(wǎng)管理交換機(jī)。這些通道將會(huì)被分配IP地址并輔以服務(wù)器技術(shù)，讓儀表成為真正意義上的數(shù)據(jù)服務(wù)器。

　　一條高速通道用于將過(guò)程變量傳送至實(shí)時(shí)控制器，按照儀表的通訊源，這條通道被賦以所有通道中最高的優(yōu)先級(jí)。其他通訊通道將會(huì)用于直接將儀表與應(yīng)用連接，例如過(guò)程監(jiān)視、設(shè)備建設(shè)、環(huán)境監(jiān)視、能源管理、設(shè)備管理、提前維護(hù)和高級(jí)診斷。這種直接連接將會(huì)跨越實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，簡(jiǎn)化整個(gè)自動(dòng)化和信息系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)。

　　無(wú)線(xiàn)HART和ISA100.11a之外的工業(yè)無(wú)線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)將會(huì)繼續(xù)發(fā)展，滿(mǎn)足用戶(hù)的需求，列入NAMURNE124。用戶(hù)越來(lái)越接受無(wú)線(xiàn)技術(shù)作為一種主流的解決方案，智能儀表信息將會(huì)越來(lái)越多地與無(wú)線(xiàn)接入點(diǎn)連接控制工程網(wǎng)版權(quán)所有，結(jié)果就是直接演化為控制或者IT網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)服務(wù)器。

　　系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員和最終用戶(hù)對(duì)于集成重復(fù)作業(yè)的煩惱正在迫使主流儀表生產(chǎn)廠商和現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議組織接納現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備集成(FDI)規(guī)范。此FDI規(guī)范將會(huì)鞏固現(xiàn)有的EDDL和FDT規(guī)范，應(yīng)該會(huì)形成真正統(tǒng)一的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備集成體系結(jié)構(gòu)，允許通過(guò)幾乎任何現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接任何現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。

　　隨著儀表正在朝著符合NE97和IEC61508-2之類(lèi)的安全相關(guān)推薦規(guī)范發(fā)展，基于現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的安全過(guò)程儀表的應(yīng)用將會(huì)更加廣泛。經(jīng)過(guò)安全認(rèn)證的儀表將會(huì)與現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)安全協(xié)議協(xié)同工作，例如CIPSafety、FoundationfieldbusSIS和PROFIsafe。

　　所有這些發(fā)展的結(jié)合，將會(huì)帶來(lái)真正意義上的智能儀表，這種儀表可以很容易實(shí)現(xiàn)未來(lái)自動(dòng)化系統(tǒng)和信息系統(tǒng)整合。對(duì)于用戶(hù)來(lái)說(shuō)，這具有很強(qiáng)的實(shí)用意義，用戶(hù)可以借此實(shí)現(xiàn)所有智能儀表帶來(lái)的好處：更優(yōu)秀的過(guò)程控制、更高效率、更低能耗、更少停機(jī)時(shí)間和更高質(zhì)量。