兼容工业4.0的环路供电型现场仪器仪表的信号链设计.doc
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1、兼容工业4.0的环路供电型现场仪器仪表的信号链设计科技和工业的发展不断将人类进步推向新的高度。技术发展历史上的巨大飞跃(或里程碑)称之为工业革命。现在,我们已经迈入一个新阶段:工业4.0。第一次、第二次和第三次工业革命分别带来蒸汽动力和水力生产、大规模电气化生产以及计算机技术,第四次革命的重点则转向了数字自动化工厂。企业全面广泛运用数字自动化技术,通过自动控制提高效率。不仅可实现预测性维护,还可以提高产量和供货效率。通过完全联网的操作,可以更好地规划供应路线,降低仓储成本,确保提高利用率。在需求不断上升的时代,机器停机的代价非常高昂。联网控制工厂有利于规划,从而有助于预防生产中断。工业4.0时
2、代的重点不仅仅是发展新设施。如何继续充分利用和扩充现有基础设施,以实现数字工厂的快速摊销,是从成本角度考虑的另一个重要因素。对于智能工厂的运营者来说,收购成本(越低越好)和是否需要重大结构性变更(最好是不需要)是在成本效益分析中必须评估的重要标准。实现智能工厂的一个关键方面是采用拥有智能处理能力的现场仪器仪表(即所谓的智能变送器)以支持工厂监测和诊断,以及与其他新增现场仪器仪表联网。这些智能变送器可以分布在整个工厂中,不同的传感器可以互连,并且可以对以前没有联网的部件进行监控。现场仪器仪表是实现工业4.0的通用基本智能单元。这些单元需进行更周详的考虑,以仪器仪表为例,它可以与各种传感器(如电阻
3、温度计、热电偶和压力传感器)配合使用。智能变送器是由当今常用的现场仪器仪表发展而来的智能现场仪器仪表,它完全由环路供电,或者由辅助电源补充供电。智能变送除了所含的其他组件之外,主要利用微处理器,包含使变送器智能化的软件。然而,现场仪器仪表的智能功能并非只能存储在微控制器的软件中。诊断和其他安全功能也可以集成到其他半导体模块(例如,模数转换器ADC)中,这样微控制器就可以包含更多处理软件。智能变送器通常使用标准的4 mA至20 mA的电流环路,这限制了变送器的最大功耗。因此,各个元件的功耗必须受到严格的限制。如果使用低至3.2 mA的报警电流,此限值为3.2 mA。对智能变送器的发展趋势包括低功
4、耗、小尺寸空间、更多功能、更好的性能、安全考虑和预测性维护(图 1)。图1. 面向工业4.0的智能变送器的发展趋势。图2. 智能变送器框图。典型的智能变送器信号链如图2所示。这个仪器包含一个传感器和一个ADC,通常由模拟前端和模拟预处理单元组成。数字信号从ADC经过隔离栅送入微处理器,然后进入接口。在当今的工厂自动化中,通常采用一个4 mA至20 mA接口的2线解决方案。这需要一个数模转化器 (DAC)。可寻址远程传感器高速通道 (HART) 协议允许双向使用该接口。如果控制室也兼容HART,则可以通过HART协议传输更复杂的流程,从而通过现场仪器仪表可实现更多应用。下文详细介绍了每个元件的作
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