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十分鐘全面了解工業自動化儀表及控制裝置設備

發布時間：

2022-01-10

隨著生產規模的不斷擴大和生產技術的發展，對生產過程的自動化水平提出了越來越高的要求。因此，工業儀表也經歷了一個從無到有，從簡單到復雜，從單一功能到多功能的發展過程。從最初只能在現場測量和顯示溫度(如玻璃溫度計)、壓力(如U型管壓力表)、流量(如玻璃轉子流量計)、液位(如玻璃管液位計)的就地檢測儀表和只能進行簡單控制的就地調節器，逐漸向遠傳、集中顯示和遠程控制的方向發展。除了檢測各種參數的檢測元件和儀表更加齊全外，過程控制儀表的發展也是日新月異，經歷了從qdz、電氣單元組合儀表、電子集成控制裝置到工業計算機控制系統的飛躍。

工業自動化儀表種類繁多，從信息的獲取、傳輸、反映和處理過程來看，可以分為五大類。(1)檢測儀器；(2)顯示儀表；(3)控制儀表；(4)執行機構；(5)集中監控裝置。

(1)測試儀器

在生產過程中，設備和管道的不同部位的介質的溫度、壓力、流量、料位等物理量都在快速變化，而且總是在變化。測量儀器用于測量上述物理量在每個瞬間的大小。

根據被測工藝參數的不同，檢測儀器可分為以下幾種類型。

1.溫度儀表:常用的溫度測量儀表有玻璃溫度計、雙金屬溫度計、壓力(溫度包)溫度計、溫度開關、熱電偶和熱電阻，以及輻射高溫計、光學高溫計、光電比色高溫計等輻射溫度計。

2.壓力儀表:壓力測量儀表用于檢測壓力、真空和壓差。按其工作原理可分為:彈性壓力計(按其彈性元件可分為彈簧管壓力計、隔膜壓力計、膜片壓力計、壓力開關等。);傳感壓力表(如電阻式、電容式、電感式、霍爾壓力表等。);液柱壓力計(如U形管、直管和斜管壓力計)；還有精度很高的活塞式壓力表，通常用來校準標準壓力表。

3.流量儀表:流量測量儀表有很多種。目前應用最廣泛的是節流裝置及其配套的差壓流量變送器。常用的節流裝置有孔板、噴嘴和文丘里管。其他常用的流量計還有水表、轉子流量計、橢圓齒輪流量計、靶式流量計、電磁流量計、渦街流量計、阿奴巴流量計、質量流量計等。

4.液位計:液位計主要測量某種介質的液位或兩種比重不同的液體的界面以及塔、罐、槽中固體物料的液位。最常見的液位計有玻璃管液位計和玻璃板液位計，其他還有差壓液位計和浮力液位計(如浮球液位計、液位開關、浮筒液位計、浮筒液位計、鋼帶液位計、儲罐液位稱重儀表等。).固體料位檢測采用電阻液位計、電容液位計、液位開關、重錘檢測液位計、音叉液位計、超聲波液位計、放射性液位計。

5.成分分析儀:成分分析儀用于驗證工藝介質的成分，并確定某些成分(或某些成分直至所有成分)的含量。按其工作原理可分為電化學分析儀(如電導率儀、工業酸度計、氧化鋯分析儀等。)、熱分析儀(如熱導分析儀、熱化學分子式分析儀、紅外分析儀)、磁導率分析儀、光電比色分析儀、質譜儀、工業氣相色譜儀等。

安裝在線成分分析儀時，一般需要對樣品進行預處理，使樣品的狀態、溫度、壓力、流量等參數滿足分析儀工作條件的要求。因此，需要配置一些管道系統，包括過濾器、除塵器、干燥容器、冷卻器、轉子流量計、水封、閥門和管道等。，以便對樣品進行一般預處理。對于一些特殊介質(如煙氣污濁氣體樣品、爐氣等高溫氣體樣品、重油分析取樣、腐蝕性組分取樣、環境檢測取樣等。)，其采樣預處理系統更加完善。這種成品取樣預處理系統稱為取樣預處理裝置。

此外，一些物理測試儀器如濕度計、濕度計、密度計、密度計、濁度計、粘度計等也常被歸為成分分析儀器。

6.機械測量儀器:常用的工業機械測量儀器有測厚儀、熱膨脹檢測儀、拉力檢測儀、撓度檢測儀、軸振動、軸位移、轉速檢測裝置、旋轉機械稱重裝置(如大型汽輪機壓縮機等。)(如電子皮帶秤、皮帶跑偏和打滑檢測裝置、稱重顯示裝置、稱袋重裝裝置等。).

(2)顯示儀表

這類儀表用于指示或記錄被測參數的瞬時值，如比率表、毫伏表等動圈式指示器、數字指示器、電子電位器、電子平衡電橋(電子電位器和平衡電橋也可與電動調節器或氣動調節器組合)用于指示或記錄溫度，以及具有流量累計功能的集成儀表。

(3)控制儀器

控制儀表一方面接收過程檢測儀表和變送器的測量信號進行顯示，另一方面發出調節信號控制執行機構(執行器和調節閥)的動作，形成閉環控制系統。

控制儀表按信號類型可分為模擬控制儀表和數字控制儀表。

1.模擬控制儀表包括基本儀表、單元組合儀表(氣動和電動)和組合儀表。

(1)單元組合儀表根據其在控制系統中的功能分為不同的單元。每個單元儀器獨立存在，可以根據需要任意組合成不同的檢測和調整系統。系統組成靈活方便。統一標準信號(也稱為模擬信號)用于單元之間的信號傳輸。組合儀表在20世紀50年代和70年代初被廣泛使用，它是一種真正分散的儀表，即使用一種儀表來完成一種要求的功能。

需要注意的是，單元組合儀表中的傳輸單元儀表(溫度變送器除外)在功能上應該是一個檢測儀表。

組合儀表按其工作能量可分為qdz和電動組合儀表。

Qdz: qdz是在原有氣動儀表的基礎上發展起來的。這類儀器以0.14MPa壓縮空氣為工作能量，以0.02 ~ 0.1 MPa壓縮空氣為統一信號。由于其工作能量和信號傳遞都是壓縮空氣，所以氣動單元儀表在煉油化工生產裝置中的應用具有天然的防爆效果。其缺點是氣動信號傳輸距離一般在150m以內，傳輸距離太遠時信號傳輸滯后，影響顯示器調節的靈敏度。Qdz包括以下單元儀器:

A.傳輸單元(即變送器)包括壓力變送器、差壓變送器、目標流量變送器、內置孔板流量變送器、單(雙)法蘭差壓(液位)變送器、內(外)浮筒液位變送器、溫度變送器等。

B.顯示單元儀表，如帶狀指示器、條形指示器、多針指示器、指示器記錄器、累加器等。

C.調節單元儀表包括指示調節器、記錄調節器、串級調節器、比例(積分、微分)調節器等。

D.計算單元儀器，如加減法器、乘除器、比率器等。

E.給定單元儀器，如設定裝置、時間程序設定裝置等。

F.輔助裝置儀表，如氣動(Q型)操作器、手動/自動切換操作器、高(低)值選擇器、繼電器、開關、限制器、比例裝置、負載分配器、大流量過濾和減壓閥等。

電動組合儀表:電動組合儀表使用DC功率作為其工作能量。這種儀器由于其基本電子元件的更新換代，經歷了ⅰ型(電子管電路)、ⅱ型(晶體管電路)和ⅲ型(線性集成電路)三個發展階段。目前，I型和II型已被淘汰，不再使用。ⅲ型仍廣泛應用于煉油和化工生產裝置。現在介紹的電動單元組合儀表僅指III型。ⅲ型電動儀表由DC24V電源供電，安裝在控制室內的各單元儀表之間的信號傳輸采用DC1 ~ 5V電壓信號，而控制室內的儀表與現場傳輸儀表、調節閥、執行機構之間的電流信號為DC4 ~ 20 mA。為了滿足不同的防爆要求，現場安裝的變送器和與之相連的控制室的輸入輸出單元(安全支架、安全柵)分為防爆型和本質安全型。另外，由于工業計算機控制技術的發展，近年來開發了以微處理器為核心的智能單元儀表，成為電氣單元儀表的新軍。

電氣單元組合儀表包括以下單元:

A.傳輸單元(即變送器)包括壓力變送器、差壓變送器、目標流量變送器、內置孔板流量變送器、單(雙)法蘭差壓(液位)變送器、內(外)浮筒液位變送器、溫度(溫差)變送器、智能壓力變送器、智能差壓變送器等。

B.顯示單元儀表，如單(雙)針指示器、帶狀指示器、單(雙)針報警器、單(雙)筆記錄器、多點指示記錄器、比例(根)累加器等。

C.調節單元儀表包括指示調節器、SPC/DDC后備調節器、多路閥位跟蹤調節器、特殊功能調節器、積分器、微分器等。

D.計算單元儀器，如加減法器、乘除器、平方根等。

E.轉換單元儀表包括電流信號轉換器、脈沖/電壓轉換器、頻率/電流轉換器、阻抗轉換器、函數轉換器、電/氣轉換器、氣/電轉換器等。

F.給定單元儀表有恒流設定器、比率設定器、比率設定器、報警設定器、參數程序設定器、時間程序設定器等。

G.輔助裝置儀表，如電動(D型)操作器、DDC操作器、安全支架、安全柵、配電裝置、電壓箱、信號選擇器、隔離器、逆變器、提升器、信號阻尼器、信號逆變器、信號限制器、變化率選擇器等。

(2)組裝集成控制儀表

它是過程控制儀表發展中的一個新系列，也稱為裝配式集成控制裝置。它采用組件式結構，可以方便靈活地組成過程控制系統。系統采用0-10V DC電壓信號系統。還能接收各種氣動信號和電信號(包括電流、電壓、觸點、脈沖、頻率、代碼等。)的現場檢測儀器和檢測元件。

組裝的集成控制裝置包括以下儀器和部件:

A.輸入/輸出組件:輸入轉換組件、輸出轉換組件、脈沖轉換組件、mV/V轉換組件、P/E轉換組件、集成功率驅動器組件等。

B.信號處理部件:信號緩沖部件、繼電器緩沖部件、信號產生部件(斜坡產生部件、定時部件等。)、模擬計算組件(乘除組件、根式切割組件、加法組件、函數組件、限幅組件、信號選擇組件等。)、集成組件、報警組件、邏輯組件。

C.調節組件:PID組件(比例、積分、微分組件)、動態補償組件、跟蹤組件、多輸出接口組件、聲光控制組件。

D.輔助部件和其他部件:配電部件、信號分配部件、開關部件、給定部件、繼電器部件和監控部件。

E.顯示操作儀器:單(雙)針指示器、單(雙)筆記錄器、三(四)筆記錄器、趨勢記錄器、手動操作器和控制顯示操作器。

(3)基礎型調節儀表

在工業自動化儀表從就地檢測和顯示到集中控制的發展過程中，產生了一種集測量、顯示和調節功能于一體的儀表，我們稱之為基型調節儀表或簡稱基型儀表。例如，帶有氣動調節器的指示和記錄調節器以及一些具有單一調節功能的就地調節器(如溫度調節器、壓力調節器、壓差調節器和流量調節器)。根據工作能量的不同，調基儀可分為氣動式和電動式。

自力式調節閥也是一種就地調節儀表。因依靠被測介質作為其工作能量而得名，故又稱直動式調節器。另外，由于與它的調節閥是一體的，所以自力式調節閥也叫自力式調節閥。常用的自力式調節閥有自力式溫度調節閥、自力式壓力調節閥和自力式流量調節閥。

2.數字控制儀器

數字控制儀表包括分布式控制系統(DCS)、可編程邏輯控制器(PLC)、工業控制機(IPC)、安全控制系統(FSC)等。

20世紀60年代，隨著工業生產過程的大型化和復雜化，要求工業自動化控制系統不僅能處理大量數據，還能實現先進的操作控制，便于信息交流，實現集中顯示操作和先進控制，提高控制精度。單純使用常規模擬儀表不能滿足上述要求，因此采用計算機控制系統來進一步提高生產過程的綜合控制水平。然而，隨著控制功能的高度集中，事故風險也高度集中。一旦計算機控制系統發生故障，控制、監視和操作將無法進行，對生產造成很大影響，甚至導致全球性的重大事故。

20世紀70年代以后，隨著大規模集成電路的出現和微處理器的誕生，在控制技術、顯示技術、計算機技術和通信技術進一步發展的基礎上，發展了一種以微處理器和微型計算機為基礎的新型過程控制系統，如DCS(分布式控制系統(DistributedControlSystem (DCS))。分散控制系統繼承了常規模擬儀表和計算機控制系統的優點，在集中顯示操作和集中管理的基礎上，分散了控制權力，進一步提高了控制系統的安全性和可靠性。這是因為分布式控制系統根據控制功能或控制區域來分配微處理器。每個帶有微處理器的控制站可以控制幾個或幾十個回路，幾個控制站組合起來控制整個生產過程，達到分散控制、分散風險的目的。在此基礎上，大量信息通過數據通信電纜送至中央控制室的以微處理器為基礎的CRT顯示操作站，集中顯示或記錄信息。同時配合上位機(過程管理計算機和生產管理計算機)對生產過程實施集中監控和管理。

集散控制系統可以實現連續控制、批量(間歇)控制、順序控制、數據采集處理和先進控制，將運行管理與生產過程緊密結合。集散控制系統還具有自診斷功能，可以對系統的硬件和軟件進行檢查。一旦發現故障，它會發出聲光報警并顯示故障位置。

分散控制系統一般由現場控制站、CRT顯示操作站、通信網絡、打印機等外圍設備組成。

在隨后的發展過程中，集散控制系統的控制通信功能日趨完善和規范，并根據其控制功能的側重點，從以回路控制為主的集散控制系統DCS中分離出了以順序控制為主的可編程控制器PLC(Program * * BlelogicController)。PLC最初的目的是取代傳統繼電器組成的繼電器聯鎖報警系統。它的輸入/輸出信號都是開關信號。它采用軟件編程的方法執行邏輯、順序、定時、計數和計算等功能，適用于復雜的聯鎖。PLC的特點是“可編程序”，通過改變程序可以改變控制方案。其可靠性、靈活性、運行速度和控制方案的復雜性都是繼電器電路無法比擬的。

PLC的發展非常迅速，增強了模擬控制和計算功能，甚至配備了CRT動態圖形顯示、數據庫管理、文件生成等功能。而DCS則吸收了PLC的技術特點，加強了批處理和順序控制的功能。這兩個功能的滲透會縮小DCS和PLC的區別，讓logo模糊。隨著分散控制系統的不斷發展，特別是在小型和微型化系統、智能現場變送器、現場總線標準化、通信網絡標準化、DCS和PLC相互滲透以及系統軟件的進一步完善等方面，分散控制系統將更加適合各種應用。

現場總線(FCS)是安裝在生產現場設備和控制室自動控制設備之間的數字化、串行、多點通信數據總線。其基本思想是，控制室內的DCS和PLC控制站、智能調節器不再通過各自的輸入輸出(I/O)通道與現場儀表(如變送器、調節閥、開關等)相連，只需通過各自的串行接口與現場總線的H2高速通道相連，再通過H2/H1交換橋與H1現場總線相連，從而實現H1和H2現場儀表之間的通信，對生產過程進行監控和檢測。

由于現場總線最底層的現場設備(現場設備和現場儀表)的通信網絡集成了現場控制和現場通信的功能，現場總線通信網絡的節點為智能變送器(包括溫度、壓力、流量、料位、過程分析儀等。)和智能執行器。

工業計算機按其控制和管理功能分為基礎自動化控制裝置和管理計算機，其中基礎自動化裝置為多極控制。第一級包括分布式控制系統(DCS)、可編程邏輯控制器(PLC)、直接數字控制裝置(DDC)和現場總線控制系統(FCS)。過程管理計算機是基礎自動化裝置的上位機，屬于多極控制的第二級。生產管理計算機適用于多極控制的第三至第五階段。

(4)致動器

執行器又稱控制閥，由執行器和閥門組成。根據執行機構的動力源，分為氣動控制閥、電動控制閥、液壓控制閥和混合控制閥四大類。氣動控制閥按其執行機構形式分為隔膜控制閥、活塞控制閥和長行程控制閥。

(5)集中監控裝置

集中檢測裝置是用檢測元件或檢測器集中顯示被測變量或報警接點信號的裝置；集中控制裝置是根據設定的程序控制一系列測量變量信號到致動器的裝置。集中監控裝置包括各種數據采集裝置、巡回檢測裝置、信號報警裝置、安全檢測裝置、工業電視、遙控裝置和順序控制裝置等。集中監控設備一般分為以下幾類:

1.安全監控裝置包括可燃氣體檢測報警裝置、有毒氣體檢測報警裝置、火焰監測器、自動點火裝置、燃燒安全保護裝置、漏油檢測裝置和高阻檢測裝置等。

2.工業電視由攝像機及其附屬設備(照明、吹掃、冷卻裝置和電動轉盤)、顯示器和輔助設備(操作器、分配器、補償器、開關)等組成。

3.遙控裝置接收輸入的變量信號，對信息進行處理，在屏幕上顯示報警，并向控制終端輸出控制信號。

4.信號報警裝置包括閃光報警裝置、智能閃光報警裝置、中繼線路報警系統等各種類型的信號報警裝置。

5.順序控制裝置包括繼電聯鎖保護系統、邏輯監控裝置、順序控制裝置和智能順序控制器等。

6.數據采集和巡檢報警裝置包括數據采集裝置和巡檢報警裝置等。

(6)其他設備的自動控制

這類設備主要包括各種(通道式、柜式、框架式、屏式)儀表盤、儀表箱、操作臺、保溫(保護)箱、電源箱等。