数字化在线气体分析仪器

数字化在线气体分析仪器Ｄｉｇｉｔａｌｉｚｅｄ　Ｐｒｏｃｅｓｓ　Ｇａｓ　Ａｎａｌｙｚｅｒ北京北分麦哈克分析仪器有限公司（北京１０００９５）郭肇新摘要：本文简述了测量分析仪器向数字化方向发展的必要性和必然性，介绍了此类仪器演进的大致历程其在Ａｂｓｔｒａｃｔ：　Ｔｈｅ　ｐａｐｅｒ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ　ｔｈａｔ篮篇续ｄｅｖｉｃｅｓ／ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓｗｉｌａｎｄ　　ｈａｖ　ｅ　ｉｎｅｖｉｔａｂｌｅｄｅｖｅｌｏｐ　ｅｄ　ｔｏ・ｄｉｇｉｔ－ａｌｉｚｅｄ　ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ，　ｍｅｎｔｉｏｎｅｄ　ｅｖｏｌｖｅｍｅｎｔ　ｈｉｓｔｏｒｙ　ｏｆ　ｓｉｇｎａｌ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ｍｏｄｅ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｄｅｖｉｃｅｓ，ｉｎｄｉｃａｔｅｄ　ｔｈｅｉｒ　ｒｏｌｅ　ａｎｄ　ｓｔａｔｕｓｉｎ　ｍｏｄｅｒｎ　ｉｎｄｕｓｒｔｉａｌ　ｎｅｔｗｏｒｋ，　ａｓ　ｗｅｌｌ　ａｓ　ｇｅｎｅｒａｌ　ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｐｒｏｄｕｃｔｓ．关键词：勤掌必份奋气效分折戊器：戊器ＤＣＳ　ＦＣＳ厕场．９纷ａｎａｌｙｚｅｒ　ＤＣＳ　ＦＣＳ　ＦｉｅｌｄｂｕｓＫｅｙｗｏｒｄｓ：　Ｄｉｇｉｔａｌｉｚｅｄ　ｄｅｖｉｃｅＧａｓ　１在线分析仪器的发展１．１引言１．２发展概述在线分析器成为网络神经元正在向两个方向上发　　　　展：首先是其本身的智能化即分析仪器设备不仅要有很强的分析计算能力还要具有满足要求的智能性；另外要使信息能够大量、全面、高速、可靠地传送出去，精密仪器目前正经历着第二次跳跃发展。第一次　　　　是从模拟式测量到数字化智能型高精度、高稳定性的数字化测量、运算分析、诊断及控制等功能的跨越发同时能接收并执行来自通讯线路（网络）上主控设备的命令。展；第二次是向以通讯为基础的网络化、信息化方向发展。　　　　几年前工业网络及数字化在线气体分析器在过程自动控制中的应用，先在以石油和煤炭为主的能源工业，以钢铁、化工为主的原材料及化肥工业的流程上开展起来。最近全国化肥行业会议已经形成决议，推荐建立我国自己的行业现场总线和网络通讯标准。事　　　　５０年代中期，出现了所谓数字式的仪器。这个阶段，模拟仪器的精度、分辨率及速度等有了超过一、两个数量级的发展。６０年代，计算机的引人不仅可对个别的被测电　　　　量，也对测量系统的一些特征参量进行分析、处理、计算甚至控制。７０年代随着Ｉ　　　　Ｃ集成电路的迅速发展，出现了Ａ／Ｄ转换芯片，使模拟量的数码运算向高精度、高速度方向发展。实上该标准已被国际标准化委员会作为国际推荐标准之一—ＥＰＡ。这标志着我国工业过程生产自动化已经开始第二次跳跃发展：具有检测、监控、信息传输特征的数字化仪器已经成为集监、管、控综合功能为一体的监管控网络系统最前端的网络神经元。这种网８０年代，微处理器（ＭＰＵ或ＣＰＵ）开始进入这种　　　　运算。它引人的一个最重要的功能，就是加人了软件运算，这得益于微电子技术的快速发展，使计算发生了革命性变化。２９络化分布式智能计算系统以其高效率、大信息量、高度实时性等优势迅速发展。中回械其试夜２００６年第７期至９０年代初，　　　　以数字计算为基础的仪器发展到具度移偏、温度补偿、背景补偿、故障诊断等有综合处理能力；３）主成分的测量分析和多个参量的测量分析：单　　　　有智能特性，这一特点是以ＶＬＳＩ／ＰＶＬＳＩ为基础的硬件和嵌人式软件相互之间的紧密结合的结果，由单纯的数字向数字、文字、图形方向发展，甚至包括谱图、一量程，附带多重参量；如自动标定操作，需要日期、峰值、趋势图等的计算绘制等。时间、单点／双点量程，切换时间间隔等；多量程，附图１可以简要说明在线分析仪器在计算技术方面　　　　带多重参量。及主要功能方面的大致演变过程。　　　　４）精度高，测量范围宽，１：　１０，　１：　１００；（１）数字化智能型在线分析仪器的一般特点：　　　　５）中间量程，不但有且可任意截取；　　　　１）操作自动化，无需在测量过程中扳动开关、按　　　　６）信号传输、采用标准化接口、信息量大、全　　　　钮等；面、高速，且可以收发／反控。２）诊断功能；　　　　２数字化在线分析仪器在现代工业过程自动控　　　　３）消除各种干扰信号，如信号尖峰干扰、背景制领域的作用　　干扰、测量元件误差干扰、电源干扰等；４）数据处理：可以对数据进行自动管理、分类、　　　　２．１数字化在线分析仪器作用工业流程自动控制系统的体系结构如图２所示。　　　　５）数字、文字、图形等数字化信息的输出，包　　　　现代流程制造企业的监督、管理与控制从技术层面考察，从下往上有３个主要层次：６）单个主测成分或／　　　　和多个主测成分，多参量测（１）　ＦＣＳ／ＤＣＳ层，即现场总线网络层；（２）　ＭＥＳ层，即制造执行管理系统或生产执行系７）　　　　在线式编程技术奠定了柔性化生产方式的基础。统层；（２）在线气体分析仪器，还应具有的主要计算特　　　　（３）　ＥＲＰ层，即企业资源规划层即高层管控层。占．ＦＣＳ层是自动化最底层的现场控制器、现场数字　　　　１）高可靠性及稳定性，数字化技术的使用使得　　　　化智能仪器设备互连的实时监测控制通讯网络，是全数字式的连接，它遵循ＩＳＯ的ＯＳＩ开放系统的互连参２）智能计算特点，对输人信号将线性补偿、跨　　　　考模型的全部或部分通讯（握手）协议。这一层所完模拟线路ｆ　（Ｘｉ）数字运算精密模拟指示（Ｄ）图１测量分析仪器内部计算方式的演进３０２００６年第；期中阎依其该表筛选、计算、统计等；括（同时）显示、传输（网络）、存储；量与检测；这一问题的解决获得了更加灵活、更佳的途径；互联网：（Ｉｎｔｅｒｎｅｔ）ＥＲＰ：企业资源规划层及广泛的范围内化解了分布控制集中运算对系统所承受的集中性风险，使中枢神经尽可能地避开这种风险。局域网：（　ｉｎｔｒａｎｅｔ　）ＭＥＳ（企业）制造执行系统网桥，总线桥，网关等（二者现在已经呈现相互融合现象）分布式控制系统：（ＤＣＳ　）／　现场总线：（Ｍｏｄｂｕｓ，火ＦＤＣＣＳ：现场总线控制系统／Ｓ：集散控制系统飞ＣＡＮ，　Ｐｒｏｆｉｂｕｓ，…）各种全数字通讯智能传感器现场总线设备　　（现场总线设备）　　　　图２一个现代工业自动化过程控制体系结构　　　　　　　　　　　　成的主要工作是：将总线上传输的信号按照“信息公路交通规则”进行编码、解码，转换、甄别、纠错、分配等。由于其历史的原因，ＤＣＳ接纳的在线仪器可以是　　　　数字式的，也可以是模拟量输出的。当前一个发展现象是ＦＣＳ被部分或大部分纳人到ＤＣＳ中，替换其信号获取的方式及由此而导致的传输方式。这种分布式采控模式对分布式计算的发展产生了很大的促进作用。ＭＥＳ可以为用户提供一个快速反应、有弹性、精　　　　细化的制造业环境，帮助企业减低成本、按期交货、提高产品和服务质量。不仅适用于能源、原材料等基础产业，还有如家电、汽车、半导体、通讯、ＩＴ、医药等行业，能够对单一的大批量生产和既有多品种小批量生产又有大批量生产的混合型制造企业提供良好的企业信息管理。目前国内外都在大力发展ＭＥＳ以提高企业竞争　　　　力。流程型生产企业按照ＭＥＳ实用模型，从基础功能着手，然后在此基础上根据企业的实际情况进行功能扩充，逐步完善企业生产管理系统，实现从ＤＣＳ到ＥＲＰ的信息畅通。ＥＲＰ层对一个生产段内部，或由数个生产段构成　　　　一个完整的生产流程段，乃至整个企业进行资源的最优化管理，使其得到更加高效率的合理的使用。　　　　作为要连人ＦＣＳ的在线分析仪器的主要工作是：将物理信号转变成数字信号并对其进行转换、处理、运算、分析、编码存储、编码传输等，并对这个分析计算设备本身进行自适应调节，自整定，自标定以及检查报警、识别故障，记录状态并报告等，因此，在其有效地解决了ＤＣＳ的结构性问题：在很大程度　　　　中阎碱界械夜２００６年第７期２．２数字化在线分析仪器要成为现场总线终端智能节点的理由　　　　图３展示了一个具有现场总线接口能力的数字化在　　　　线气体分析仪器接人工业自动监控网络体系，并表现出由数字化仪器作为神经元构成的现场总线的独特ｉｔ质：（１）系统的开放性　　　　系统开放是指作为一国或国际标准的协议要对公　　　　众发布，从而对集成参与者是公开的。这样就把系统集成权交给了总线使用者包括仪器供应商和最终用户。（２）现场设备的功能自治性　　　　　　　　这种智能化及功能自治性将传感测量、各种计算、工程量处理与控制等集中在一个终端节点上进行，其运算、设备监测及自诊断结果具有很强的自治性，且可随时由高层调取。（３）对现场环境的适应性　　　　现场总线及设备是专为作为工作在工厂网络底层　　　　而设计的，通讯介质及方式灵活多样，适应于复杂的工业现场，如绞线、同轴电缆、光缆、红外线、电力线，射频等，可以采用两线制进行送电与通讯，并可以满足安全防爆要求。（４）互可操作性与互用性　　　　可实现点对点、单点对多点、多点对多点等的数　　　　字通讯，还可实现不同生产厂家性能类似的设备互连、互换、互用。这些特性给用户带来了更多的利益获取点：　　　　　　　　１）节省硬件数量与投资由于测量、计算几分析及控制是在现场就地进行，　　　　因此传统ＤＣＳ系统中必不可少的信号调理、转换、隔离等被很大程度地省却，包括模块及众多的信号线及其复杂的缆接，不但使集中控制柜的体积有可能减小，其占地面积也可以相应缩小。　　　　２）节省安装及维护费用包括数字化仪器在内的现场总线系统的缆接十分　　　　简单，一对绞线或一条线缆上可以挂接多个设备，从而减少诸如电缆、槽盒、端子、桥架等辅助设施，相应的工作量也减少了。增加新设备也只是简单的在现线分析仪器必须是数字化的。Ｉｎｔｒａｎｅｔ互联网交换机服务器服务器Ｉｎｔｒａｎｅｔ局域网１／０网络接口（柜）｝ＤＣＳ系统传统１／０设备现场总线网桥（网关）Ｋｌ：　Ｋｌ：　Ｋ１Ｋｌ：　Ｋｌ：　Ｋ１现场总线集成系统现场总线（多种介质）数字化气体在线分析仪器ＳＯ，ＨＩＳ　Ｉ｛！ＣＯＣ０２ＣＯ／ＣＯ２｝一一ＣＨ，／ＮＨ，」｝｝ＣＨ，脱硫！中变出口低变出日脱碳精炼气｝合成循环气｝多段制氢重油制氢汽化（炉）合成氨流程生产线工艺段的数字化在线分析器与现场总线　　　　　　　　图３具有现场总线接口能力的数字化在线气体分析器接人工业自动监控网络场就近进行接人，成本相对很低。表等目前国际上已进人比较成熟的阶段，国内发展也３）提高系统的可靠性及准确性　　　　十分迅速，但是数字化气体在线分析仪器这方面的发数字化仪器本身在可靠性及准确性方面相比模拟　　　　展在我国却相对滞后。仪器就有很大提高，其次线缆数量的大大减少使得干３．１国外一般情况扰及线缆连接方面的故障率可大幅降低。另一方面，上个世纪８０年代末９０年代初开始，几个主要的　　　　数字化智能仪器的故障报告可以使中央控制台准确地国外在线分析仪器生产厂家如ＳＩＥＭＥＮＳ，ＡＢＢ　，ＲＯＳＥ－知道故障现象及故障点的位置以利及时排除，同时其ＭＯＵＮＴ，　ＹＯＫＯＧＡＷＡ，　ＳＩＣＫ　Ｉ　ＭＡＩＨＡＫ等将其在线分分布式故障的发生不会对整个系统的可靠性及稳定性析仪器打人中国市场。这些产品都是数字化产品，大产生影响。部分具有数据通讯和网络通讯能力。其一般特点如４）成本效益及风险比率得以提高　　　　下：　　　　数字化作为网络智能节点设备其功能自治性使得（１）对采集信号进行数字运算和分析；　　　　集中控制的故障风险率呈现可观程度的降低。一个网（２）测量信号的输出表达均呈线性特性；　　　　络节点的故障甚至瘫痪可以从网络中隔离出来，其优（３）测量信号屏幕直读，均有传统的模拟信号输　　　　点是，对网络系统的影响很小，同时故障点可以被迅出；速定位、解决。（４）具有数字补偿功能，有自动和手动；　　　　５）用户具有高度的系统集成主动权　　　　（５）有较强的自诊断能力；　　　　用户可以选择不同厂家的产品来集成系统，在相　　　　（６）通讯能力通常是ＲＳ２３２／　　　　４８５等，也有网络或当程度上避免了一旦纳人某个（传统的）ＤＣＳ系统后总线输出。便很大程度上受制于这个ＤＣＳ的系统结构，使用户的３．２国内一般情况选择主动权受到制约从而直接间接地增加成本。目前国内生产在线气体分析仪器的厂家有几十家，　　　　３国内外数字化在线分析仪器现状其中北分麦哈克公司的产品较具有代表性。其数字化的Ｃ系列产品，包括红外线分析器、热导式和热磁式、诸如流量、压力、位移等数字化在线智能测控仪磁压式及电化学式分析器均具有国外产品的几乎全部３２２００６年第７期中回试其械夜特点。这一系列产品为北分麦哈克公司自行研制开发，并具有批量生产能力，这一软硬件成果具有完全的自主知识产权。在我国目前广泛采用的是ＣＡＮ总线和以太网接口。表１为部分国产红外线气体分析仪器厂家产品主要性能。数字化在线分析仪器作为网络神经元，有机　　　　地融人网络系统，可实施远程监控，并为高层决策实时提供信息，是工业现代化和信息化的发展趋势。工业现代化产生成果的同时所带来的负面效应日　　　　益明显，更大地降低能源和原材料消耗，更严格地控制污染（排放），更加安全地生产等，使得国际现场总线技术及流程现场装备的发展势头十分迅猛，这是参考文献　　　　　　　　　　　　　　　　　１李正军编著．现场总线及其应用技术．机械工业出版　　社，２００５，１．２孙传友等编著．测控系统原理与设计．北京航空航天国家“十一五”自主创新科技发展规划中将现场总线及具有现场总线信息传输能力的高智能化分析测量设大学出版社，　　２００２，９．３　ＱＧＳ－０８Ｃ红外线气体分析器．北京北分麦哈克分析仪　　器有限公司，２００５，４．４　ＧＨＸ－１０５Ｃ红外线气体分析器．北京北分麦哈克分析仪器有限公司，　　２００６，１．５　ＤＨＹ－１０２Ｃ电化学氧分析器．北京北分麦哈克分析仪器有限公司，　　２００６，１．备作为重点资助发展项目在资金及政策等方面加以扶持的重要理由之一。４总结数字化在线分析仪器进入现代工业自动化流程　　　　生产监测控制，使得ＦＣＳ，已进人以基础产业为主的工业生产流程控制领域，以ＦＣＳ为主融合ＤＣＳ的过程控制系统已经成为目前流程工业自动化发展的主流方向。６　ＱＺＳ－５１０１Ｃ热磁式氧分析器．北京北分麦哈克分析仪器有限公司，　　２００５，５．７　ＱＲＤ－１１０２Ｃ热导式氢分析器．北京北分麦哈克分析仪器有限公司，　　２００５，５．表１部分国产红外线气体分析仪器厂家产品主要性能简表型号名称类型原产地主要ＱＧＳ－０８Ｃ型ＧＸＨ－１０５Ｃ型ＧＸＨ－１０５０型号ＧＸＨ－３０１０系列９０００Ｄ型Ｇａｓｂｏａｒｄ红外线气体分析器声光气动式红外线气体分析器半导体红外测量红外线气体分析器名称半导体红外测量类型红外线气体分析器半导体红外测量便携式４组分红外线分析系统红外线气体分析器半导体红外测量北京北分麦哈克公司北京均方理化科技研究所原产地主要北京市华云分析仪器研究所武汉四方光电科技有限公司技术参数．测量组分：Ｃ０，，ＳＯ，，ＮＯ，ＣＨ，，ｌ．测量组分：Ｃ０，，ＳＯ，，ＮＯ，ＣＨ、Ｉ测量组分：Ｃ０，，ＳＯ，，ＮＯ，ＣＨ，，ｌＣＯ等多种　　ＣＯ等多种　　ＣＯ等多种　　２，重复性：＜Ｉ％ＦＳ２．稳定性：鉴士１　％ＦＳ／１６８ｈ２稳定性：‘士１　％ａＦＳ／１６８ｈ３．稳定性：＜士２％ＦＳ／４８ｈ３．线性偏差〔士Ｉ％ＦＳ３．线性偏差：Ｓｔｌ％ＦＳ‘士２％ＦＳ．信号输出：电流，ＲＳ２３２／４８５４线性误差：４．信号输出：电流，ＲＳ２３２／４８５４５网络：有（ＣＡＮ总线、以太网）５网络：有（ＣＡＮ总线、以太网）５．输出：电流，网络；无技术参数．测量组分：Ｃ０，，ＳＯ，，ＮＯ，ＣＨ，，Ｉ．测量组分：ＣＯ，，ＳＯ，，ＮＯ，ＣＨ󰀀１．测量组分：ＣＯ，，ＳＯ，，ＮＯ，ＣＨ，，ｌＣＯ等　　ＣＯ等　　ＣＯ等　　２．精度：＜２％ＦＳ２．重复性：０，５％ＦＳ２．线性度：〔士２％ＦＳ３．稳定性：＜２％／－年以上；３．重复性＜Ｉ％ＦＳ３．稳定性５（ｔ２－３）％ＦＳ／２ｈ〔士２％ＦＳ／４ｈ４．输出：电压线性，ＲＳ２３２４输出：电压／电流ＲＳ２３２／ＲＳ４８５；４零点漂移：５．网络；无网络；　　无５输出：电流型号ＧＸＨ－１０５ＰＡ２００ＰＡＩ００型号名称类型ＧＸＨ－５１０ＭＧＡ３０００ＳＲ－２０００系列名称类型原产地主要红外气体分析器半导体红外红外线分析器声光气动式红外线分析器声光气动式红外线气体分析器ＭＧＡ３０００红外线气体分析器红外线气体分析器半导体红外测量重庆川仪九厂原产地北京市西比仪器公司北京优利克电子有限公司北京华分赛瑞分析仪器公司技术参数．测量组分：ＣＯ，，ＳＯ，，ＮＯ，Ｃ礼、ｌ．测量组分：Ｃ０，，ＳＯ，，ＮＯ，Ｃ凡、主ｌ．测量组分：ＣＯ，，ＳＯ，，ＮＯ，ＣＨ，，ｌＣＯ等　　ＣＯ等　　要ＣＯ等　　技２线性度：落士Ｉ％ＦＳ２．线性度：‘十２％ＲＳ２稳定性：蕊士Ｉ　％　ＦＳ／３ｄ术３．重复性：＜０．５％ＦＳ３．重复性：＜０．５％Ｆ．Ｓ３．重复性：＜０．５％ＦＳ参４．稳定性：‘土１　％Ｆ．Ｓ／３ｄ４．稳定性：落士１　％　Ｆ．Ｓ／７ｄ４．线性度：＜士Ｉ％ＦＳ数５．输出：电流ＲＳ２３２／４８５５输出电流，ＲＳ２３２／４８５５．输出：电流．测量组分；Ｃ０２，Ｓ０２，ＮＯ，ＣＨ，，ＣＯ，，ＳＯ，，ＮＯ，ＣＨ，，ｌ１测量组分：ＣＯ，，ＳＯ，，ＮＯ，Ｃ凡、！测量组分：ｃｏ等　　ＣＯ等　　ＣＯ等　　．重复性：‘１　％ＦＳ２．Ｖ定Ｉｔ；　＜ｔ（１－０．５）％ＦＳ凋２２．重复性：ＳＩ％ＦＳ３输出：电流，ＲＳ２３２３．稳定性：蕊士１　％ＦＳ／６Ｍ３．稳定性：（士Ｉ　％　ＦＳ／７ｄ４．线性误差：〔士Ｉ　％ＦＳ４．信号输出：电流，ＲＳ２３２／４８５５．网络；无５．输出：电甜电压中阎仄界械夜２００６年第７期３３