[转帖]工业仪表与装置智能化网络化的进展

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               工业仪表与装置智能化网络化的进展
　　本文作者吴钦炜先生，中国仪器仪表学会名誉理事、教授。　　
　　
　　“工欲善其事，必先利其器”，这是中国的一句老话，人们早就知道了工具的重要性。随着以知识经济为特征的信息时代的到来，人们对仪器仪表的认识已经超越一般工具的范畴，进而发生着明显的观念更新。作为工业自动化技术工具的自动化仪表与控制装置，在高新技术的推动下，正跨入真正的数字化、智能化、网络化的时代。其技术发展的主流趋势表现在：测量信息数字化，检测控制仪表智能化，控制管理集成化。
　　
　　专家们认为，在计算机与自动化领域内，20世纪80年代的热点是个人计算机，90年代的热点是计算机网络，新世纪第一个10年的热点将是传感、执行与通信。这种预测是有一定根据的。我们知道，智力活动的基础必须是依靠仪器仪表获取应有的可靠的信息，于是人们终于认识到仪器仪表已不仅仅是工业时代必不可少的“工具”，而是当今高科技信息时代的“尖兵”，是信息的源头。科技要发展，生产要发展，仪器仪表必须先行发展，这已成为有识之士的共识。
　　
　　近年来，各种高新技术迅猛发展，特别是微电子、微机械、新材料和新工艺的发展，以及计算机、通信技术的广泛应用，正在彻底改变着自动化仪表的本质及其工作原理，进而实现传统仪表不可能完成的全新更佳功能，创造出新一代传感检测仪表和控制系统装置。下面扼要叙述一下我国自动化仪表与装置的技术进展。
　　
　　一 关于仪表的智能化和柔性化
　　
　　“智能化”是自动化技术当前和今后的发展动向之一，它已经成为工业控制和自动化领域的各种新技术、新方法、新产品的发展趋势和显著标志。中国人工智能学会理事长涂序彦教授曾撰文论述：“什么是‘智能化’？目前尚缺乏明确的、公认的、科学的定义。但是，‘智能化’与‘电脑化’是有区别的，不是同一个概念。‘智能化’应当有两方面的含义：(1)采用‘人工智能’的理论、方法和技术；(2)具有‘拟人智能’的特性或功能，例如自适应、自学习、自校正、自协调、自组织、自诊断、自修复等。这可作为衡量是不是智能化装置、设备、系统的性能标准。由此可得到关于智能化的定义：是‘采用人工智能理论、方法、技术’或/并‘具有某种拟人智能特性和功能’。也就是说：利用计算机来代替人的一部分脑力劳动，具有运用知识进行推理、学习、联想解决问题的能力。就智能化仪表和装置来说，则应该具有以下特征：(1)能自动完成某些测量任务或在程序指导下完成预定动作；(2)具有进行各种复杂计算和修正误差的数据处理能力；(3)具有自校准、自检测、自诊断功能；(4)便于通过标准总线组成一个多种仪表的复杂系统，实现复杂的控制功能，并能灵活地改变和扩展功能”。
　　
　　前不久，涂序彦教授又撰文指出：“现有的测控系统通常具有刚性体系结构，缺乏自组织、自维修、自适应等方面的柔性，智能水平不高。现在一些新型智能仪表虽冠以智能化的名称，实际上是电脑化，名不副实，只是采用了计算机，电脑化并不等于智能化，应该向智能化方向努力”。
　　
　　为此他提出了柔性智能测控仪表的研究思路，就是在现有电脑化仪表的基础上，采用硬件软化、软件集成、虚拟现实、软测量等人工智能的方法和技术，实现测控仪表的柔性化，研究开发具有拟人智能特性或功能、名副其实的智能化仪表。例如，上海自动化仪表研究所研究开发的带有人工智能预估控制的多回路数字调节器(TDM-50A型)，它能解决特大纯滞后(超过12min)过程的启动和稳定控制，自动检测纯滞后时间，自动寻优建立全部控制参数，实现快速无超调的控制品质。又如上海宝科自动化仪表研究所创新设计的通用流量演算器(FC-6000型)，从理论分析解决了流量测量上各种复杂计算和补偿修正的工程应用问题，能有效地提高流量测量的精确度，并判断出故障产生的原因。
　　
　　二 关于智能检测仪表和执行器
　　
　　检测仪表与执行器是生产过程自动化和经营管理现代化的基础，特别受到人们的重视。随着工业自动化技术的进展，它们起着越来越重要的作用，因为没有性能好、精确度高、质量可靠的仪表来检测现场各种有关信息，要实现高水平的自动化就是一句空话。下面重点介绍国内在这方面研究开发的创新成果。
　　
　　1. 分布式光纤温度传感网络
　　
　　用于工业过程检测的分布式光纤温度传感网络是一种实时、在线、多点光纤温度测量系统，是一种新型检测方法与技术。系统中的光纤既是传输媒体又是传感媒体，利用光纤背向喇曼散射的强度，经波分复用器和光电检测器采集了带有温度信号的背向喇曼散射光电信号，再经信号处理、解调后将温度信息实时从噪声中提取出来并进行显示，它是典型的激光光纤温度通信网络。在一根长为2km的光纤上可采集1000个温度信息并能进行空间定位，它已经应用于煤矿、隧道的火灾自动温度报警系统，也可用于油库、危险品仓库的温度报警和大型设备温度分布测量等。
　　
　　分布式光纤温度传感网络的传感光纤不带电，抗射频和电磁干扰，防燃、防爆、抗腐蚀、耐高电压和强磁场、耐电离辐射，能在有害环境中安全运行，系统具有自标定、自校准和自检测功能。
　　
　　2. 新一代固态传感器与智能压力/差压变送器
　　
　　微电子技术的迅猛发展，促进了微机械加工技术的日益更新，它已引伸到仪表领域，奠定了现代传感器技术的基础，推动着全新的固态传感器和集成化智能变送器的发展和实用化，现已取得了引人注目的成果。固态传感器与传统结构型传感器相比较，在技术和性能上发生了质的变化，它使传感器技术向微型化、高精确度、低功耗、智能化方向迈出了一大步，这标志着检测传感器与变送器将发生一场划时代的变革。
　　
　　近年来，多种微结构的固态硅传感器已被开发出来并投入生产应用，如微型伺服加速度计、微结构加速度开关、微硅谐振式压力传感器、微硅复合应变压力传感器、微硅质量流量计等。人们预测，采用微机械加工技术可以生产出各种微结构传感器，在此基础上再实现传感器与微处理器的集成化，就可设计出新一代数字式智能变送器。
　　
　　3. 一体化节流式差压流量计
　　
　　一体化节流式差压流量计是将节流装置、智能差压变送器与流量显示装置融为一体的流量测量系统。它引入了节流定值的概念，使差压流量计跨上一个新台阶。专家们说，差压式流量计新的辉煌时期即将到来。
　　
　　它的特点是优选喷嘴为节流件(也可选用孔板)，毋需实流标定，耐腐蚀、压损小，方便用户更换，便于批量生产，降低节流件造价；它将节流装置与智能差压变送器做成一体，可消除现场安装偏心或不垂直等可能带来的附加误差，不仅保证了安装准确性和测量精确度，而且缩短了引压管线，减少了故障率，改善了动态特性。它配置了宽量程差压变送器和显示装置，可方便地对在线节流装置扩展量程，使流量计的范围度达6:1~10:1。它对流量系数、流束膨胀系数都采取实时计算，对密度进行查表，因而不确定度可忽略不计，保证测量精确度能大幅度提高。
　　
　　根据近期资料介绍，一体化节流式差压流量计在新建工厂中已有较多应用，预计会有广阔的市场前景。
　　
　　4. 内藏式双文丘里管流量测量装置
　　
　　低流速、大管径气体流量测量中长期存在着计量不准或无法测量的问题。西安航联测控设备公司采用航空气动理论和飞机发动机内流流体力学等方面的最新研究成果，应用大型计算机技术和风洞实验，创新开发并生产了新型内藏式双文丘里管，它是一种整体式管道流量测量装置。国外未有相关报道，已申请专利。
　　
　　内藏式双文丘里管风量测量装置主要由外部诱导整流装置和核心一次传感元件组成。外部诱导整流装置是核心一次传感元件大差压形成的必要条件，它决定了系统差压的量级和差压值。气流在双文丘里管内的流动状态至关重要，喉管设计为平直结构有利于内部气流的稳定。双文丘里管负压测点是从内文丘里管喉部引出，在喉部同一截面上采用多点取压方式，压差信号引出后由管道直接送入差压变送器。
　　
　　系统可靠性高，压差值大，稳定性好，在大的负荷范围内具有平滑的压差性能，几乎不需维护保养。适用范围宽，精确度高(一般为1~1.5级)，范围度宽。测量流体的流速为3~130m/s。测量装置与智能流量积算仪配套使用，并提供计算软件，已在钢铁厂、热电厂、洛阳石化等10多个单位应用，满意地解决了低压流速、大流量、大管径工作状态下的流量测量问题。
　　
　　5. 通用智能流量演算器
　　
　　上海宝科自动化仪表研究所创新设计了通用智能流量演算器系列仪表(FC-6000型)，它以微处理器为基础，功能齐全，具有通信能力，与差压变送器和各种流量变送器(漩涡、涡轮、腰轮等)配合使用，整机测量的精确度为0.2级。
　　
　　为提高流量测量的精确度问题，对流量测量系统中误差生成与处理进行了理论分析，测量装置中引入了完善的修正技术，设计成多种专用软件。仪表改进的重点是围绕着差压孔板测量和漩涡流量测量中有关雷诺数、流束膨胀系数、气体压缩系数、液体密度与流体相变(如液体气化)的影响，以及差压流量计的静压变化时零位的影响、脉动流量的影响等问题，作了深入分析，提出相应的补偿对策，以实现高精确度测量。仪表能够对一般气体、蒸汽、液体进行准确的联机运算，还可具有贸易结算所需的专用功能。
　　
　　上海炼油厂对原有的流量计标定装置引入先进的传感技术和智能流量演算器FC-6000及PC机，并改进系统设计，实现了流量计自动标定，系统具有故障诊断功能，花钱不多而符合国家鉴定标准要求，可为许多人工标定装置改造提供借鉴。
　　
　　6. 新型电磁流量计
　　
　　电磁流量计的发展方向是小型化和智能化。近年来，电磁流量计在励磁技术、内衬技术、智能化技术等方面都有新的进展。例如在励磁技术上发展的双频矩形波技术，实现了零点稳定性、响应速度、抗干扰能力的良好的统一，使得流量信号幅度为传统电磁流量计的10倍，并且有高信噪比，可扩宽用于液固两相的纸浆、矿浆等的测量。在绝缘衬里材料方面，目前已有采用工业陶瓷衬里，它耐腐蚀、耐磨损、高温高压下不变形，电极与衬里间相烧结以解决管壁渗漏问题；还有无电极电磁流量计是由陶瓷衬里感应在管壁上形成电极，经特种信号处理而获取流量信号，可以测电导率极低的(0.05us/cm)污水流量。在智能化技术方面，借助微处理器和软件编程技术，可实现拓宽量程、补偿测量误差、零点校正、励磁自诊断、正反流向判断、空管与不满管的自诊断等。这些技术都极大地增强了电磁流量计的技术性能和测量功能，而其可靠性和稳定性的改善尤为突出。
　　
　　7. 新型超声流量计
　　
　　超声流量计已有25年的历史，可作为对非导电性液体准确的、无机械阻碍的流量测量仪表。其技术发展方向是传感器与管道壁的一体化设计，全焊接结构，无压力损失。由于超声传感技术和信号处理电路的技术进步，它的测量精确度有显著提高。据报道，多声道的超声流量计的精确度已达到±0.15%测量值，重复性达±0.02%。超声流量计现已有多种测量技术和产品，如多普勒超声流量计、时差式超声流量计、不满管超声流量计、插入式超声流量计、明渠式流量计等。
　　
　　自20世纪90年代以来，气体超声流量计在天然气工业中的成功应用有了突破性进展，一些天然气流量计量的疑难问题可望得到解决。据称由于精确度高和维修费用低，多声道气体超声流量计已被气体工业界接受为最重要的流量计量器具，至今已有12个国家政府机构批准它为法定计量器具。在国外天然气工业的贸易输送、气体分配、调合、控制和检漏等方面都开始采用气体超声流量计。从近几年的发展看，气体超声流量计理论上也具有无需进行流量标定、与介质无关等优点，它现正逐步走向实用化，国外一些著名仪表公司都已进行批量生产，包括在主管道的大口径流量计和家用煤气表的应用上已积累有相当多的应用经验，其价格也将逐步降低以占有市场。
　　
　　超声流量计的出现，已解决了国内炼油厂一些难以解决的特殊介质的流量测量问题，如高温、高精确度的渣油和腊油及带有微粒的循环水、工业污水等流量的测量。当前超声流量计有着良好的推广应用前景。
　　
　　8. 新型微波物位计
　　
　　近年来，高性能、低价格的微波物位计已大量进入过程检测仪表市场，化工、石化、医药、食品等工业普遍存在高温、高压、腐蚀、挥发、冷凝等复杂工况条件，必须采用非接触式测量方法才能达到长期可靠运行的效果。因此，微波物位计在各种连续式物位计中市场增长率最高。
　　
　　微波是一种电磁波，其传播速度不受介质特性影响。目前微波物位计有脉冲雷达和调频连续波雷达两种，近年推出的普及型微波物位计大多采用脉冲方式，精确度已达±(0.2~0.3)%FS，价格较低，能满足一般测量要求。调频连续波雷达物位计将距离转换为频率进行测量，能得到较高的精确度。
　　
　　粉料、干料料位界面测量，浆料、带泡沫液位的连续测量等，历来是物位测量的难点，现在可采用相位跟踪法通过测量发射微波与从物料表面反射的回波之间的相位角来测量物位。这种方法能取得良好效果。
　　
　　9. 高炉炉顶微波料面检测装置
　　
　　上海宝钢股份有限公司创新开发的高炉炉顶微波料面检测系统是集微波技术、电磁散射理论、数字信号处理、计算机应用以及流体力学于一身的高新技术设备。它采用毫米波炉外扫描方式(FMCW调频连续波体制)，能够测量高炉炉顶全料面形状，定位精确度高，检测速度快。
　　
　　检测系统的技术参数是：单点检测速度低于0.01s，料面形状检测像素大于400点，400点的检测速度低于10s，测量误差小于±5cm，自校准误差小于±3cm。它除检测料位形状外，同时还具有单点测量、径向测量、数据存储处理等各种应用功能，此外，还充分考虑了系统的安全性，并与高炉的连续生产进行了有效的联锁控制。它与国外产品的最大不同点是真正做到了三维全料面测量，而不是半圆径的测量，应该说，这套装置处于国际领先技术水平。
　　
　　10. 储罐计量高精确度液位计
　　
　　物位仪表当前发展的重要领域是罐区管理及计量自动化，用于对大型储罐内储液存量进行精密测量，以获得储库库存量，被要求具有高的测量精确度和测量重复性。
　　
　　目前在大量程液位计中可达到1mm精确度的有雷达液位计、伺服型浮子液位计和磁致伸缩式液位计。相比之下，把磁致伸缩式液位计装在储罐顶上，同时在罐底安装高精确度压力变送器，再配上一套包括数据采集器的现场监测计算机管理和远程计算机管理系统，就可组成十分完善的混合式储罐计算系统，它在油库的实际运行中获得满意的效果。
　　
　　磁致伸缩式液位计是用磁致伸缩线性位移传感器来测量的高精确度大量程的新型液位计，能同时测量液位和界面。最大量程达18m，测量精确度达±0.5mm或±0.05%FS。重复性达±0.002%FS。传感元件是非接触式的，由一根测杆和套在杆上的可滑动浮子组成，两个不同密度的浮子浮在液面和油水界面，测杆由保护外管、波导管及铜导线3层组成。它无磨损，可靠耐用，能耐高温、高压，不受介质密度和压力变化的影响，解决了原来液位测量中的许多难题。
　　
　　11. 智能阀门定位器
　　
　　智能阀门定位器是新一代智能化的气动执行机构不可缺少的配套产品。它内装高集成度的微控制器，采用电平衡(数字平衡)原理代替传统的力平衡原理，将电控命令转换成气动定位增量来实现阀位控制；利用数字式开、停、关的信号来驱动气动执行机构的动作；阀位反馈信号直接通过高精确度的位置传感器，实现电/气转换功能。智能阀门定位器具有提高输出力、动作速度和调节精确度(最小行程分辨力可达±0.05%)，克服阀杆摩擦力，实现正确定位等特点。
　　
　　智能阀门定位器具备许多符合现代过程控制技术要求的功能，例如对所有控制参数都可组态的功能(如死区、正反作用、报警上下限、行程零点、行程范围、执行机构的类型选择等)，能实现分程控制，上行、下行速度调节功能，线性、等百分比、快开等特性修正功能，自校正、自诊断功能，故障报警及故障处理功能，多种通信支持功能等。由于智能阀门定位器的功能完善，对降低投资、节约能源、提高过程控制水平能带来极大益处，它与智能变送器一起，将会彻底改变现场仪表的状况，促使过程控制早日进入现场总线控制系统(FCS)的新时代。
　　
　　12. 新一代多功能超轻型调节阀
　　
　　重庆华林特种调节阀研究所在全面剖析调节阀的结构特点和缺陷的基础上，将蝶阀阀体的超薄特点，球阀的节流与密封好的特点，偏心阀的转动摩擦小和阀芯、阀座摩损小的特点等综合起来，结合国情，创新开发设计出一种多功能超轻型调节阀。它集调节阀芯旋转、偏心、V型及阀体轻型化等于一体。多功能超轻型调节阀实现了在重量上有所突破，比当前精小型调节阀还轻40~50%，高度下降50%。它还实现了功能上的突破，具备调节、切断、大压差、防堵、耐蚀等功能，成为单座阀、双座阀、套筒阀、传统球阀、蝶阀、隔膜阀的更新换代产品，使调节阀的品种规格简化60~ 70%，简化了选型。同时它在应用上也有所突破，给调节阀维修管理和备品备件带来很大方便和可观的经济效益。在性能上，它调节性能好，可调范围达到100:1以上，它的流路简单，介质直通，防堵性能好，耐腐蚀、抗冲击、耐压、耐温等性能都好。这种新型调节阀于1998年研制成功后，在钢铁厂、造纸厂、化肥厂等多家用户使用中都取得满意结果，并带来很好的经济和社会效益，现已转为正式生产，累计生产4000台以上。
　　
　　13. 新一代智能电动执行机构
　　
　　它是上海自动化仪表股份有限公司在引进国外技术的基础上，跟踪国际先进技术改型创新设计的新产品。它采用了双cpu、电子限力矩保护、电子行程限位、数字式位置发送器、相位自动鉴别、红外线遥控调试，以及故障诊断、自动切换处理多种保护措施等关键技术，提高了产品的稳定性、可靠性和精确度等级，方便了用户使用，产品功能齐全，技术具有创新。它已通过防爆及射频干扰、静电放电、快速瞬变脉冲群等试验，基本误差小于±1.5%，回差为1%，外壳保护等级为IP65，使用环境温度为－25℃~+70℃，这些指标均已达到国际先进水平。
　　
　　智能电动执行机构是一类新型终端控制仪表，它根据控制电信号，直接操作改变调节阀阀杆的位移。由于人们对控制系统的精确度和动态特性提出了越来越高的要求，电动执行机构能够获得最快响应时间，实现控制也更为合理、方便、经济，因而正受到用户的欢迎。它还可免去选用气动执行机构必需配置良好气源设备和气路管线安装的麻烦。　　
　　
　　14. 新一代智能记录调节仪　　
　　
　　智能记录调节仪突破了传统显示仪表的概念，集数显、记录、控制于一身，以大规模点阵液晶为显示界面，充分应用了最新微机技术和新型器件、开关电源和表面贴装技术及相关工艺，使仪表具有功能强、性能可靠、体积小等特点。仪表配有3路输入，两路PID控制，两笔记录等功能，两路模拟输出、4路开关输出，输入输出全部隔离，可实现单参数控制、多参数复杂控制和程序控制，以及多路报警、无纸记录功能，具有实时和历史追忆、记录曲线显示、报警记录显示、数据断电保存、在线面板组态、无需编程语言、在线设置参数和状态、手动和自动无扰动切换等功能。它有高的性能价格比，可满足过程测量和控制的基本要求。