智能传感器提高生产力

数字革命正深入到生产设施中，延伸到监测温度、压力和许多其他条件的众多传感器。这些模拟传感器正在增加更多的功能，将数据数字化，并且通常在向控制器发送信息之前进行一些初步处理。

过程传感器通过提供关键参数的持续监测，帮助工厂管理人员不断努力增加产量和提高质量。与模拟信息相比，数字化数据可以以更快的速度和更高的精度传输，为操作人员提供更多的操作参数和诊断监测输入。

结果往往是生产率的提高。当传感器进行一些处理时，如果参数开始偏离范围，控制器可以快速响应。这可以帮助机器更接近峰值速度，同时提高质量并减少废物产生。

“当反应快速发生时，过程传感器可以提供实时数据。你甚至可以在现场总线设备上进行统计过程监控，”艾默生过程管理公司PlantWeb技术总监Evren Eryurek说。

向智能网络化过程传感器过渡的基础在几年前Hart设备出现时就已经奠定了。Hart协议最初代表公路可寻址远程发射机，由Rosemount公司开发，现在是艾默生过程管理公司的一部分，现在由位于德克萨斯州奥斯汀的Hart通信基金会管理。支持hart功能的设备同时提供a

4- 20ma组件和数字组件，并且可以在任何应用中使用，而不考虑限制分立器件特定任务的参数值。Hart的引入与关注资产管理以获得最大利益相一致。

西门子过程自动化公司网络工程师Tanmoy Basu表示:“智能传感器改变了资产管理的模式，帮助运营商尽可能延长正常运行时间。”

现在，传感器正在与现场总线和更快的主干网一起使用，为操作员、维护人员甚至前台工作人员提供实时信息。企业范围内的网络无缝运行的趋势依赖于过程传感器，过程传感器提供信息以保持工厂在最高水平运行。

例如，在药品生产中，微小的变化很容易破坏批次，Eryurek指出。如果实时提供数据，可以在问题出现之前纠正这些变化。有了现代过程传感器，化学家可以高精度地监测参数，以避免破坏生产运行。

现场总线，如Profibus和Foundation现场总线，通过在全数字通信架构中提供实时信息而获得认可。由Profibus International管理的Profibus协议为离散设备网络(Profibus DP)、过程网络(Profibus PA)和以太网TCP-IP (Profinet)等提供规范。基金会现场总线，由现场总线基金会管理，专注于过程应用，具有稳健和安全的过程通信和高速以太网连接协议。“我们看到基金会现场总线的活动增加了，”Eryurek说。

赶上公共汽车

如今，人们关注的焦点是如何让这些实时信息对作业者更有用。管理人员拥有的数据越多，他们的运营效率就越高。“提供可以集成到资产管理中的实时信息并不是事后才设计出来的。它必须作为数字控制系统软件的一部分来构建，”巴苏说。

虽然现场总线在新系统中提供了最大的好处，但过程传感器和现场总线的组合可以为传统操作带来显着的好处。这些现场总线架构使得向现有工厂添加功能变得简单。

例如，艾默生的3420接口模块可以与多达64台设备进行通信。这些设备可以通过内网连接查看。Eryurek补充说，通过基金会现场总线通信的过程传感器比使用4- 20ma链路的速度要快得多。

这些变化极大地改变了工厂管理者看待系统的方式。以前，系统以每个设备的物理边界结束。但随着网络和过程传感器的出现，界限变得模糊了。

“当你构建系统时，它不再以4-20个单元的I/O(输入/输出)终端结束，因为系统的边界已经改变了。由于采用了智能传感器，该系统包括最远的现场设备，”巴苏说。

远离4- 20ma接线也消除了模拟信号在经过许多数字模块路径时的许多转换所带来的许多变幻莫测的问题。巴苏将这些模拟传输比作难以精确控制的“烟雾信号”。巴苏说:“一旦你在智能传感器中捕捉到数据，它就会终身保持数字化，因此环境条件的影响就会降到最低。”

提高生产率的努力促使人们更加关注将工厂车间设备与前台连接起来。这与工厂对更多带宽的需求相吻合。其结果是推动了最受欢迎的网络。

“在过去的6到12个月里，开放式以太网的需求是最大的。加州北山摩尔工业国际公司的战略营销总监斯科特·桑德斯说:“每个人都想从工厂获得更多的数据，他们已经把CAT-5(以太网)电缆或光纤作为骨干。”

使用以太网可以添加更多智能传感器，并与更多可能需要这些数据进行相关任务的机器共享它们提供的数据。使用以太网布线使得添加新的数字控制系统比使用Hart设备和其他旧技术使用的传统4-20 mA布线系统要容易得多。

俄亥俄州特温斯堡Pepperl+Fuchs公司的智能系统经理赫尔格·霍尼斯(Helge Hornis)说:“网络允许运送更大的数据包，所以你可以添加几乎无限的功能，而无需添加无限的线路。”

虽然以太网是一个巨大的推动力，但观察人士指出，许多过程传感器和其他产品仍然通过4- 20ma方案的两条线连接到网络。

“目前，以太网上的测量变送器、阀门定位器等设备并不多。虽然以太网将成为过程工厂的主流现场总线，但我们仍然需要找到一种方法，通过过程工业喜爱的对线为现场设备供电，”Basu说。

以太网开始对高性能传感器产生影响，这可能为更主流的传感器的转变打开大门。例如，视觉传感器的成本正在下降，因此一些运营商现在正在使用它们在高速运行的应用程序中提供实时反馈。在这些简单的操作中，当过程滑出规格时，摄像头所做的只是发送警报。

马萨诸塞州内蒂克市康耐视公司In- sight vision Sensors的首席产品营销经理马克•西佩尔(Mark Sippel)说:“在装瓶生产线上，视觉传感器可以看到标签的位置是否过高或过低，并将其恢复到规格。这与判断质量是否不好、应该拒绝某些产品有很大不同。”

变得越来越聪明

随着为传感器添加智能的概念不断发展，过程传感器中的智能数量也在不断增加。与当今所有的电子系统一样，这些传感器模块正受益于半导体行业遵守摩尔定律(以英特尔公司联合创始人戈登·摩尔的名字命名)。摩尔定律指出，半导体密度每18个月翻一番。

这将为替换独立传感器的公司带来更好的性能。通过将40 MHz, 8位处理器与温度传感器和其他组件相结合，摩尔工业公司提供了比许多分立产品更好的性能。

桑德斯说:“我们在以太网I/O模块中安装了一个20位模数转换器，它的分辨率比大多数发射机都高。”它提供了0.003华氏度的温度分辨率，对于要求苛刻的行业来说足够精确。

微处理器的发展只是提高性能的一个方面。数字信号处理器(dsp)的运行速度更快，并且改进了开发工具，使得设计人员更容易在需要比通用微处理器更快的数学处理的应用程序中使用它们。

“许多智能设备开始转向dsp，它能够从传感器中提取更多数据，”Eryurek说。他指出，在电压表中，DSP芯片具有执行频率分析的数学能力。dsp还使运行更多诊断成为可能。Eryurek补充说:“使用新的过程传感器，您可以进行常规控制，也可以运行与控制系统相同的诊断算法。”

虽然功能在不断增加，但产品开发人员的重点是简化设置。大部分处理对于运算符和积分器来说是不可见的。通常，它们只是简单地回答几个问题，输入传统传感器常用的数据点。“编程很简单。主要是设置报警点的高低范围。现在你可以在几英里外的中央车站做到这一点，”巴苏说。

太多

尽管智能传感器有很多好处，但使用智能传感器带来的一个潜在难题是数据过载。在一些办公室已经成为问题的信息爆炸可能会波及到工厂。

避免操作符过载的一种方法是使用户更容易访问他们想要的数据。许多系统都使用图形用户界面，当他们想要查看设备运行情况时，减少了他们必须回忆的步骤和指令的数量。其他人则选择类似网络的指令。

避免此问题的另一种方法是将测量数据发送给地面操作人员，同时将诊断数据发送给远程控制器。Basu说:“操作员不需要额外的诊断警报，同样，测量或过程警报也远离维护人员。”

虽然在日常操作中，这些诊断信息可能会让操作人员和工厂管理人员感到烦恼，但密切监控设备的能力对于保持最佳性能和减少停机时间至关重要。诊断信息的一个主要好处是，它可以减少大量人工检查的需要。

例如，大型设备上的阀门可能会随着时间的推移而被涂层，从而随着沉积物的积累而降低性能。传统上，这些情况只有在阀门堵塞或定期维护检查时才会被发现。但是，在维修过程中拆卸昂贵的阀门是非常耗时的，而且如果维修不正确，还会造成问题。

有足够的诊断数据可以使维护更有效。巴苏说:“如果你的工厂有150到200个控制阀，你可以在定期维修停机期间专注于需要维修的阀门，避免不必要的工作。”

确定从过程传感器发送数据的位置和方式部分取决于它们生成的数据量。一个设施中通常有数百个这样的设备，因此它们提供的数据总量可能非常大。

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