图1 液位开关可应用于液体或浆料，如涂料和充气液体

数字工厂的核心是利用现场智能化提高工厂运行性能；利用无线技术在无需接线成本、不破坏工厂原有结构的情况下实现液位监测。

液位开关可应用于液体或浆料，如涂料和充气液体。传感器不受流动、涡流、气泡、泡沫、振动、固体颗粒、沾敷或液体特性的影响。它可作为时实液位变送器的后备，监测储罐的液位高低，根据液位情况启动泵，开启或关闭搅拌器。

如今无线通信不断发展，它能够提供更简便、成本更低的方案来实现液位监测，无需敷设电缆，也不会破坏工厂现有结构，只要在中控室就能进行设备配置和故障排除。

液位开关内置的智能功能可区分音叉粘连搭接和液位过高的情况，有效减少了现场勘查的麻烦。因为液位开关自带电子设备描述语言（EDDL），因此可以和工厂其他压力或温度变送器等智能设备一样通过设备管理软件进行配置和监测。

工厂中很多储罐并不适合安装可连回控制室的仪表，这样就无法对冷却剂和润滑剂的液位进行连续监测。

事实上，大多数工厂考虑到接线成本，一般在设计时都尽可能降低仪表的需求量。对于设备信息，通常是依靠人工记录。但是工厂对于质量、产量、利用率、可靠性、更短的停车时间、能源效率和符合新的环境法规的关注度越来越高，这就要求工厂的维护和运行模式不得不作出改变。设备的监测要实现自动化，无线技术显然是理想之选。

克服局限性

在现有工厂中添加硬接线的液位开关成本会很高，不但需要布线，还可能需要额外的线槽、系统输入卡件和系统点数，而且安装费时，在这种情况下，增加新测点的想法往往被束之高阁。无线液位开关恰好克服了这种硬接线的局限性，它的通信采用IEC 62591（WirelessHart）标准，这是目前无线技术应用于过程工业的惟一国际标准。使用无线液位开关无需接线和系统卡件，而且调试更简单，它的电源模块是本安型的，可在危险场合换电池，如果每60秒刷新一次，电池寿命最高可达10年。

无线液位开关可与无线变送器(如压力、温度、pH、振动、电导率、液位、阀位监测等)共享一个网络，所有的信息也可通过同一个网关进行传递，一个网关最多可支持100台基于IEC?62591标准的仪表。一旦网关安装完毕，就能根据需要任意扩展网络，因此将液位开关安装在以前没有被控制系统监测到的位置，可有效提高操作和人员的安全性。能够方便地添加和安装新设备也是工厂将无线技术作为首选方案的原因之一。

图2 振动音叉液位开关根据音叉的原理工作

因为IEC 62591设备采用相同的协议，所以来自于不同厂商的设备或网关都可以进行无缝整合。这些设备自组织成一个网状网络，相互之间都能通信，即使相隔很远，也可通过接力的方式将信号传递到网关。其他无线拓扑结构，如星状或点对点的结构都不适用于高密度的工厂环境，必须再投入高额的成本搭建主干路由器。

自组织网状网络不要求设备到网关之间存在直接的可视路径，而且无需在工厂建立接入点网络，也不需要在危险场合用电。设备可以自动寻找最佳通信路径，无线系统对信号的质量进行连续监测，以确保网络通信能力强劲，数据可靠性达到99%以上。如果设备有增减，网络会自动调整通信路径，而不会打断数据的传递，也无需进行人工设置或重设。

正是因为有了这些技术，要在现有工厂增加液位开关以提高自动化程度就变得十分容易，例如，不必再派工作人员到现场拿着测量尺测量读数，无线液位开关可每隔几分钟或几秒钟测量一次液位，而不是每天、每周或每个月测量一次，与人工记录相比，自动测量的效率要高几千倍，而且测量精度更高，无线液位开关还可用于机器装置中的油液监测。由于入门方便，小型的无线项目很容易就能实现。

工作原理

振动音叉液位开关根据音叉的原理工作。内置的压电晶体使外部的音叉在一定共振频率下振动，音叉的频率根据被测介质而改变，液体的密度越高，频率越低，音叉是否浸在被测介质中也会产生不同的频率，而这些频率的变化都能够被监测得到。

选择短音叉的固有频率一般为1400Hz，以防止受到设备振动的干扰，这种干扰可能引起错误的开关动作。音叉的设计为使液体可快速从音叉末端滴落。

根据频率还能够知道音叉的状况。与其他液位开关的技术不同，振动音叉无可移动部件，因此不容易出现故障。

监测功能

智能振动音叉液位开关能够监测音叉沾连搭接，这种情况往往会造成传统液位开关不工作而引发停产、溢流和泵损坏等严重后果。

来自于硬接线式浮筒液位开关的简单开/关信号，无法判别是开关沾连还是高液位状态，同样它也无法判别是液位开关坏了还是信号无效，因此技术人员不得不定期去现场进行检测和再确认，但结果往往是没有出任何问题。

采用智能设备，根据音叉的频率变化不仅能监测液位的高低，而且可以发现音叉是否沾连搭接，以及音叉外部或是内部晶体是否损坏，音叉是否有腐蚀情况。

图3 显示过程状态和设备健康状态的仪表面板

现场智能化让技术人员前往现场凭直觉检查成为过去，现在可以在中控制室对可疑问题进行远程确认，并安排相应的故障排除和服务计划。

操作界面

维护人员需要管理来自于不同厂商各种型号的智能设备，远程设置对于变送器来说已有20多年的历史，而对于液位开关来说还是较新的方式。

为了实施更方便，设备厂商采用EDDL（电子设备描述语言）来定义设备在系统中显示的方式，这一技术在变送器、定位器和开关量设备（液位开关、开关阀和电子执行机构）等连续设备中广泛使用。

采用EDDL使基于IEC62591的液位开关能够和其他工厂设备一样在同一个智能设备管理软件中进行设置和访问。液位开关的信息和无线压力、温度变送器以及其他过程参数并排显示，它们的显示方式和基金会现场总线以及Profibus设备也是一样的。

显示的一致性使工作更直观，同时也便于技术人员将在其他设备上掌握的经验运用于液位开关，而基于EDDL的系统也使管理不同厂商的不同设备变得更为容易，用户不需要因为设备的不同而学习不同的软件，从而减少工作的差错。厂商说明书根据人性化原则以文本格式通过EDDL文件显示到系统中，即使是经验不足的技术人员也能顺利完成液位开关的设置。

例如，在设备信息页面中，过程状态清晰地显示为“干”或是“湿”，同时还能看到设备的健康状态，操作人员能够轻易辨别是音叉积沾连还是极端高液位状态，并能及时采取相应措施。

音叉沾连能够在初始阶段就被发现，并在屏幕上标注出来进行预报，这样操作人员就可以在过程受到影响前就安排音叉的清洗，因此提前发现音叉沾连搭接的情况可以防止不必要的停车，有效减少停机时间。维护人员也能将更多精力放在真正必要的清洗和维护工作上，而不是无谓地去检查不需要清洗的音叉。

作为一个可以用来进行故障排除的辅助工具，它还能以指针表盘的形式动态显示音叉的频率变化，并用色带区分正常和异常运行状况。内置电源模块的使用状况也能够显示出来。EDDL技术是互操作的关键，它通过一个层级式的菜单结构访问所有仪表的功能，在信息页面中还可以查看到设备的照片，以便在现场识别。

图4 有关设备频率和电源模块的信息可用来排除故障

来自于厂商的EDDL文件定义设备在系统中的显示方式，不同于其他设备的集成技术，采用EDDL调试新的设备或新的设备版本不需要软件安装技术或权限管理。

每台设备的不同版本都对应一个惟一的由厂商提供的EDDL文件，不存在共享文件，因此不会因为添加一台新的设备而将另一台设备的文件覆盖掉。

EDDL是一个压缩的文本文件，独立于Windows 操作系统，它在系统管理的优势高于其他设备集成技术，现有的设备文件不会因为Windows的版本更新而过期，反之，新的设备文件也不会要求Windows作系统升级，它可以兼容新版本的windows操作系统和软件，大大节省管理时间。

开关延迟可最大限度地减少因涡流或液体飞溅而发生的错误开关动作，例如搅拌机。在传统的液位开关上设置延迟，必需要将表打开，并用螺丝刀调节分压计，在现场进行这样的操作很不方便，而且要将电子部件暴露在危险的环境中也不安全。

采用WirelessHart 振动音叉液位开关，可在中控室远程做开关延迟等设置和调节，而无需前往现场。设备管理软件通过EDDL技术维护单一的设备记录审查报告，报告针对所有现场设备，也包括液位开关设置的变化。

更多收益

一旦使用了IEC62591网关，就能利用它的很多功能。例如可任意添加变送器持续改进过程性能，在有线方案无法实现监测的地方逐步增加新的无线测量，其实就像一个个小型项目，能够快速方便地实施。

由于接线成本过高，在现有工厂里有很多液位点并未实施监测。数字工厂的核心是利用现场智能化提高工厂运行性能；利用无线技术在无需接线成本、不破坏工厂原有结构的情况下实现液位监测。

因为有了EDDL技术，设备厂商就能够本着人性化设计的原则开发软件演示，指导操作人员进行工厂智能设备的设置，即使设备来自于不同协议的不同厂商，设备的复杂程度不尽相同，也能轻松管理。

衔接新旧技术的桥梁

现代化的离散控制系统都能支持无线方案，但是老的控制系统也能通过无线网关使用无线液位开关或其他的IEC62591仪表，无线网关可将信号转成Modbus/RTU、Modbus/TCP或OPC。控制系统的工程师站不需要安装特别的软件来支持无线，因为无线网络的设置是通过内置于网关中的网络服务器完成的，设备的设置由智能设备管理软件完成，无需为控制系统安装额外的软件来运行和保护网络，相反工厂原来在用的HART组态工具，包括资产管理软件和手操器等都继续为无线网络服务，一旦无线网络建好后，可根据测量要求任意添加无线仪表，而不会影响已有的无线网络。