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自动化仪表

鏃ユ湡;2019-08-22  鏉ユ簮锛毼粗  浣滆咃細admin

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  自动化仪表,是由若干自动化元件构成的,具有较完善功能的自动化技术工具。它一般同时具有数种功能,如测量、显示、记录或测量、控制、报警等。自动化仪表本身是一个系统,又是整个自动化系统中的一个子系统。自动化仪表是一种“信息机器”,其主要功能是信息形式的转换,将输入信号转换成输出信号。信号可以按时间域频率域表达,信号的传输则可调制成连续的模拟量或断续的数字量形式。

  自动化仪表(英文:automatic instruments)是用以检出、测量、观察、计算各种物理量、物质成分、物性参数等的器具或设备。真空检漏仪、压力表测长仪、显微镜、乘法器等均属于仪器仪表。广义来说,仪器仪表也可具有自动控制、报警、信号传递和数据处理等功能,例如用于工业生产过程自动控制中的气动调节仪表,和电动调节仪表,以及集散型仪表控制系统也皆属于仪器仪表。

  仪器仪表能改善、扩展或补充人的官能。人们用感觉器官去视、听、尝、摸外部事物,而显微镜、望远镜、声级计、酸度计、高温计等仪器仪表,可以改善和扩展人的这些官能;另外,有些仪器仪表如磁强计射线计数计等可感受和测量到人的感觉器官所不能感受到的物理量;还有些仪器仪表可以超过人的能力去记录、计算和计数,如高速照相机、计算机等。

  自动化检测仪表是自控系统中关键的子系统之一。一般的自动化检测仪表主要由三个部分组成:①传感器,利用各种信号检测被测模拟量;②变送器,将传感器所测量的模拟信号转变为4 ~ 20mA 的电流信号,并送到可编程序控制器中;③显示器,将测量结果直观地显示出来,提供结果。

  自动化检测仪表以其测量精确、显示清晰、操作简单等特点,在工业生产中得到广泛应用,而且自动化检测仪表内部具有与微机的接口,更是自动化控制系统重要的部分,被称为自动化控制系统的眼睛。自动化仪表主要有温度仪表、压力仪表物位仪表、流量仪表及一些过程分析仪表等。

  石化现场设备或管道内介质温度一般都需要指示控制,最常用的是热电阻、热电偶。特殊热电阻有油罐平均温度计等;特殊热电偶有耐磨热电偶表面热电偶、多点式热电偶、防爆热电偶等。

  压力表分液柱式、弹性式、活塞式。作为压力调节系统除采用压力变送器将信号送至DCS或其它调节器外,位移平衡式基地式调节器仍常用于现场。

  物料仪表没有通用产品,按测量方式分为直读式、浮力式、静压式、电接触式、电容式、超声波式等等,其中雷达式、磁致伸缩式以及矩阵涡流式液位计精度高,石化行业应用普及。

  流量,不是一般的流速,是单位时间内流经有效截面的流体的体积和质量,另外还需要求知管道中一段时间内流过的累积流体的体积和质量。

  从工艺上看,生产过程中对温度、压力、流量、液位等工艺参数的保证,只是间接保证最终产品或中间产品的质量合格,所以对过程中物料成分的直接分析和对最终产品的成分分析是非常重要的。

  “十二五”期间,我国仪器仪表市场容量很大,应用领域广阔,但应用领域需求相对集中,应用要求迫切的领域主要有:钢铁电力、煤炭化工、石油、医药、轻工等产业部门。

  这些产业部门除了有上千项新建工程需要配置大量自动化仪表与控制系统外,还有上万个企业需要进行技术改造,为此必须替换旧型仪表或零部件需求量极其庞大。

  环保仪器仪表主要用在环境质量监测和污染源监测等方面。针对我国具体国情,环保主要解决我国水环境、大气环境两个战略性和全局性的大环境生态污染问题。随着节能降耗、减少排放和低碳经济成为国家长期国策。

  在国家电网公司提出,要大力推进以特高压电网为龙头、各级电网协调发展、健全智能电网的原则,同时还明确了电力用户用电信息采集系统建设是我国智能电网建设的重要组成部分后,智能电网建设渐进式发展起来。而电网建设是全球性行为,是长期、渐进式的刚性市场,为电工仪器仪表行业的重大发展机遇。

  工业自动化仪表重点发展基于现场总线技术的主控系统装置及智能化仪表、特种和专用自动化仪表。从市场需求看,我国工业自动化市场需求日旺。据中国仪器仪表协会预测,到十一五末,工业自动化市场需求将超过1000亿元。另随着国家对民生关注的大大提高,一些与民生相关的需求也提到日程上来,也对仪器仪表提出新的要求和市场需求。

  检测与过程控制仪表(通常称自动化仪表)分类方法很多,根据不同原则可以进行相应的分类。

  例如按仪表所使用的能源分类,可以分为气动仪表、电动仪表和液动仪表(很少见);按仪表组合形式,可以分为基地式仪表、单元组合仪表和综合控制装里;按仪表安装形式,可以分为现场仪表、盘装仪表和架装仪表。随着微处理机的蓬勃发展,根据仪表有否引入微处理器又可分为智能仪表与非智能仪表。根据仪表信号的形式可分为模似仪表和数字仪表。

  例如变送器具有多种功能,温度变送器可以划归温度检测仪表,差压变送器可以划归流检测仪表

  显示仪表根据记录和指示、模拟与数字等功能,又可分为记录仪表指示仪表模拟仪表和数显仪表,其中记录仪表又可分为单点记录和多点记录(指示亦可以有单点和多点),其中又有在纸记录或无纸记录,若是有纸记录又分笔录和打印记录。

  调节仪表可是以分为基地式调节仪表和单元组合式调节仪表。由于微处理机引入,又有可编程调节器与固定程序调节器之分。

  执行器由执行机构和调节阀两部分组成。执行机构按能源划分有气动执行器、电动执行器和液动执行器,按结构形式可以分为薄膜式、活塞式(气缸式)和长行程执行机构。调节阀根据其结构特噗和流量特性不同进行分类,按结构特点分通常有直通单座、直通双座、三通、角形、隔膜、蝶形、球阀、偏心旋转、套筒(笼式)、阀体分离等,按流量特性分为直线、对数(等面分比)、抛物线、快开等。

  这类分类方法相对比较合理,仪表覆盖面也比较广,但任何一种分类方法均不能将所有仪表分门别类地划分得井井有序,它们中间互有渗透,彼此沟通。例如变送器具有多种功能,温度变送器可以划归温度检测仪表差压变送器可以划归流量检测仪表,压力变送器可以划归压检测仪表,若用兀压法测液位可以划归物位检测仪表,很难确切划归哪一类,中外单元组合仪表中的计算和辅助单元也很难归并。

  工业仪表在我国出现较早,刚开始出现时主要运载在冶金、热能动力、石油炼制以及化工等热力生产行业中,所以在当时工业仪表被称作是热工表。最早生产出的工业仪表主要有液动式以及机械式两种,而且体积也较大,主要作用是进行检测记录与简单的控制,运用起来极不灵活而且功能较少,不能够在工业生产中发挥很大的作用。后来人们对这种工业仪表进行了发展与优化,针对其不能进行远程控制的问题研制除了气动仪表,这种仪表具备了压力信号与远程发送器,可以进行远距离的检测记录与控制,在这个基础上有出现了可调节的电子仪表。在二十世纪五十年代左右,首次出现了电动式仪表,它主要是利用各种电子仪器对工业仪表进行控制。再后来,集成电路与半导体技术得到了一定的发展出现了计算机信息技术,这才逐渐出现了自动化技术,计算机技术的发展带动了自动化技术的发展,并开始在化工行业中得到运用。

  自动化工业仪表的真正出现是在二十世纪的八十年代,人们通过一种控制装置把自动化技术与工业仪表进行了有效结合,然后通过组装的电子设备进行综合控制,后来随着控制技术的不断发展,自动化技术逐渐成为了工业仪表发展的主要工具,也就出现了真正的自动化工业仪表。随着自动化仪表技术的不但发展,其体积越来越小,功能越来越全,在工业生产中发挥的作用也越来越明显,成为现代工业发展必不可少的一个重要工具。

  在计算机技术出现之前出现了微电子技术,这种技术在自动化工业仪表中得到运用后,使自动化工业仪表逐渐呈现除了科技化与产业化。这种工业仪表主要是通过电子控制器来实现对故障的诊断,在电子式自动化工业仪表工作往往会由于各种电信号信息的不稳定而不能及时发现工作中的各种问题,存在着极大的弊端。人们对这种工业仪表进行更新与发展后,逐步出现了智能化、数字化的智能型自动化工业仪表,这种智能化的工业仪表通过虚拟网络技术来代替人工进行工作,初步实现了工业仪表的真正意义上的自动化。

  随着社会信息技术的不断发展,自动化工业仪表在发展的过程中也表现出了开放性、总线性、网络化以及智能化等特点。自动化工业仪表主要是通过采用接口通信、微处理器以及集成电路等现代化网络技术来实现其智能化的,这些技术可以利用一些嵌入式软件对自动化工业仪表的内部操作进行协调,从而使其具备智能化处理能力。在这个基础上对各种输入信号进行非线性处理,并通过压力与温度进行补偿,再通过故障诊断以及零点的修正与漂移等过程来逐步实现自动化工业仪表的总线控制,这种总线控制式自动化工业仪表是未来重点发展的重点。总之,未来自动化工业仪表的发展离不开计算机信息技术的支持,只有把计算机数字化技术充分运用到自动化工业仪表中,才能使自动化工业仪表取得进一步发展。

  衡量仪器仪表性能的主要技术指标有精确度、灵敏度、响应时间等。精确度表示仪表测量结果与被测量真值的一致程度。仪器仪表的精确度常用精确度等级来表示,例如0.1级、0.2级、0.5级、1.0级、1.5级等。0.1级表仪表总的误差不超过±1.0%范围。精确度等级数小,说明仪表的系统误差随机误差都小,也就是这种仪表精密。灵敏度表示当被测的量有一个很小的增量时与此增量引起仪表示值增量之比,它反映仪表能够测量的最小被测量。响应时间是指仪表输入一个阶跃量时,其输出由初始值第一次到达最终稳定值的时间间隔,一般规定以到达稳定值的95%时的时间为准。此外,还有重复性、线性度、滞环、死区、漂移等性能技术指标。

  微电子技术、计算机技术、网络通信技术和信息处理技术等日新月异发展的新技术对自动化仪表的革新产生了深远的影响,已成为工业自动化仪器仪表发展的新的推动力,使工业自动化仪表不仅能够更高速、更灵敏、更可靠、更简捷地获取对象的全方位信息,而且完全突破了传统的光、机、电的框架,朝着智能化、网络化、总线化、开放性的方向发展。

  现代自动化仪表的智能化是指采用大规模集成电路技术、微处理器技术、接口通信技术,利用嵌入式软件协调内部操作,使仪表具有智能化处理的功能,在完成输入信号的非线性处理,温度与压力的补偿,量程刻度标尺的变换,零点的漂移与修正,故障诊断等基础上,还可完成对工业过程的控制,使控制系统的危险进一步分散,并使其功能进一步增强。这类产品以数字输出形式出现,不但大大提升了仪表性能,而且便于信息沟通,还可通过网络组成新型的、开放式的过程控制系统。

  过程控制系统自动化中的现场设备通常称为现场仪表。现场仪表主要有变送器,执行器,在线分析仪表及其它检测仪表。现场总线技术的广泛应用,使组建集中和分布式测试系统变得更为容易。然而集中测控越来越不能满足复杂、远程及范围较大的测控任务的需求,必须组建一个可供各现场仪表数据共享的网络,现场总线控制系统FCS)正是在这种情况下出现的。它是一种用于各种现场智能化仪表与中央控制之间的一种开放、全数字化、双向、多站的通信系统。现场总线已成为全球自动化技术发展的重要表现形式,它为过程测控仪表的发展提供了千载难逢的发展机遇,并为实现进一步的高精度、高稳定、高可靠、高适应、低消耗等方面提供了巨大动力和发展空间。同时,各现场总线控制系统制造厂家为了使自己的现场总线控制系统(FCS)能得到应用,纷纷推出与其控制系统配套的具有现场总线功能的测量仪表和调节阀,形成了较为完整的现场总线控制系统体系。总而言之,总线化现场仪表功能丰富,在FC S中,几乎不存在单一功能的现场仪表。如横河川仪生产的EJA系列FF现场总线个相互独立的AI(模入)功能模块,分别计算差压和静压。它的自诊断不但可以检测出压力超界,环境温度过高,量程设置错误,而且还能检测出压力传感器、温度传感器以及放大器、模块等硬件故障。

  现场总线技术采用计算机数字化通信技术,使自动控制系统与现场设备加入工厂信息网络,成为企业信息网络底层,可使智能仪表的作用得以充分发挥。随着工业信息网络技术的发展,以网络结构体系为主要特征的新型自动化仪表,即IP智能现场仪表代表了新一代控制网络发展的必然趋势。图1显示了基于嵌入式Internet的控制网络体系结构。其特点是:首先Ethernet贯穿于网络的各个层次,它使网络成为透明的,覆盖整个企业范围的应用实体。它实现了真正意义上的办公自动化与工业自动化的无缝结合,因而我们称它为扁平化的工业控制网络。其良好的互连性和可扩展性使之成为一种真正意义上的全开放的网络体系结构,一种真正意义上的大统一。因此,基于嵌入式Internet的控制网络代表了新一代控制网络发展的必然趋势,新一代智能仪表—IP智能现场仪表的应用将越来越广泛。

  测控仪器越来越多采用以Windows/CE、Linux、VxWorks等嵌入式操作系统为系统软件核心和高性能微处理器为硬件系统核心的嵌入式系统技术,未来的仪器仪表和计算机的联系也将会日趋紧密,Agilent公司表示仪器仪表设备上应当具备计算机的所有接口,如USB接口、打印机接口、局域网网络接口等,测量的数据也应通过USB接口存储在可移动存储设备中,使用这样的仪器仪表设备和操作一台简易电脑简直是如出一辙。齐备的接口可连接多种现场测控仪表或执行器设备,在过程控制系统主机的支持下,通过网络形成具有特定功能的测控系统,实现了多种智能化现场测控设备的开放式互连系统。

  现代工业企业中的控制系统将向着智能化、总线化、网络化、一体化的方向发展。自动智能化仪表越来越广泛的应用在各个领域。高度发展的现代自动控制技术在各行各业中的运用,必然带来更高、更好得到发展。


 
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