自動化儀表,是由若干
自動化元件構成的,具有較完善功能的
自動化技術工具。它一般同時具有數(shù)種功能,如測量、顯示、記錄或測量、控制、報警等。自動化儀表本身是一個系統(tǒng),又是整個自動化系統(tǒng)中的一個子系統(tǒng)。自動化儀表是一種“信息機器”,其主要功能是信息形式的轉換,將輸入信號轉換成輸出信號。信號可以按
時間域或
頻率域表達,信號的傳輸則可調制成連續(xù)的
模擬量或斷續(xù)的數(shù)字量形式。
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中文名
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自動化儀表
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外文名
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automatic instruments
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功 能
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測量、觀察、計算各種物理量
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說 明
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是由若干自動化元件構成的
自動化儀表(英文:automatic instruments)是用以檢出、測量、觀察、計算各種物理量、物質成分、
物性參數(shù)等的器具或設備。真空檢漏儀、
壓力表、
測長儀、顯微鏡、乘法器等均屬于儀器儀表。廣義來說,儀器儀表也可具有自動控制、報警、
信號傳遞和數(shù)據(jù)處理等功能,例如用于工業(yè)生產(chǎn)過程自動控制中的氣動調節(jié)儀表,和
電動調節(jié)儀表,以及集散型儀表控制系統(tǒng)也皆屬于儀器儀表。
自動化檢測儀表是自控系統(tǒng)中關鍵的子系統(tǒng)之一。一般的自動化檢測儀表主要由三個部分組成:①傳感器,利用各種信號檢測被測
模擬量;②變送器,將傳感器所測量的模擬信號轉變?yōu)? ~ 20mA 的電流信號,并送到可編程序控制器中;③顯示器,將測量結果直觀地顯示出來,提供結果。
自動化檢測儀表以其測量精確、顯示清晰、操作簡單等特點,在工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應用,而且自動化檢測儀表內部具有與微機的接口,更是
自動化控制系統(tǒng)重要的部分,被稱為自動化控制系統(tǒng)的眼睛。自動化儀表主要有溫度儀表、
壓力儀表、
物位儀表、流量儀表及一些
過程分析儀表等。
1、溫度儀表
石化現(xiàn)場設備或管道內介質溫度一般都需要指示控制,最常用的是
熱電阻、熱電偶。特殊熱電阻有油罐平均溫度計等;特殊熱電偶有
耐磨熱電偶、
表面熱電偶、多點式熱電偶、
防爆熱電偶等。
壓力表分液柱式、彈性式、活塞式。作為壓力調節(jié)系統(tǒng)除采用壓力變送器將信號送至
DCS或其它調節(jié)器外,位移平衡式
基地式調節(jié)器仍常用于現(xiàn)場。
3、物料儀表
物料儀表沒有通用產(chǎn)品,按測量方式分為直讀式、浮力式、靜壓式、電接觸式、電容式、超聲波式等等,其中
雷達式、
磁致伸縮式以及矩陣
渦流式液位計精度高,石化行業(yè)應用普及。
4、流量儀表
流量,不是一般的流速,是單位時間內流經(jīng)有效截面的流體的體積和質量,另外還需要求知管道中一段時間內流過的累積流體的體積和質量。
“十二五”期間,我國儀器儀表市場容量很大,應用領域廣闊,但應用領域需求相對集中,應用要求迫切的領域主要有:鋼鐵電力、煤炭化工、石油、醫(yī)藥、輕工等產(chǎn)業(yè)部門。
這些產(chǎn)業(yè)部門除了有上千項新建工程需要配置大量自動化儀表與控制系統(tǒng)外,還有上萬個企業(yè)需要進行技術改造,為此必須替換舊型儀表或零部件需求量極其龐大。
1、環(huán)保儀器儀表
在
國家電網(wǎng)公司提出,要大力推進以
特高壓電網(wǎng)為龍頭、各級電網(wǎng)協(xié)調發(fā)展、健全
智能電網(wǎng)的原則,同時還明確了電力用戶用電信息采集系統(tǒng)建設是我國智能電網(wǎng)建設的重要組成部分后,智能電網(wǎng)建設漸進式發(fā)展起來。而電網(wǎng)建設是全球性行為,是長期、漸進式的剛性市場,為電工儀器儀表行業(yè)的重大發(fā)展機遇。
電工儀器儀表
工業(yè)自動化儀表重點發(fā)展基于
現(xiàn)場總線技術的主控系統(tǒng)裝置及智能化儀表、特種和專用自動化儀表。從市場需求看,我國工業(yè)自動化市場需求日旺。據(jù)
中國儀器儀表協(xié)會預測,到十一五末,工業(yè)自動化市場需求將超過1000億元。另隨著國家對民生關注的大大提高,一些與民生相關的需求也提到日程上來,也對儀器儀表提出新的要求和市場需求。
分類
檢測與過程控制儀表(通常稱自動化儀表)分類方法很多,根據(jù)不同原則可以進行相應的分類。
例如按儀表所使用的能源分類,可以分為氣動儀表、電動儀表和液動儀表(很少見);按儀表組合形式,可以分為基地式儀表、
單元組合儀表和綜合控制裝里;按儀表安裝形式,可以分為現(xiàn)場儀表、盤裝儀表和架裝儀表。隨著微處理機的蓬勃發(fā)展,根據(jù)儀表有否引入微處理器又可分為智能儀表與非智能儀表。根據(jù)儀表信號的形式可分為模似儀表和數(shù)字儀表。
調節(jié)閥根據(jù)其結構特哄和
流量特性不同進行分類
例如變送器具有多種功能,
溫度變送器可以劃歸溫度檢測儀表,
差壓變送器可以劃歸流檢測儀表
組成
顯示儀表根據(jù)記錄和指示、模擬與數(shù)字等功能,又可分為
記錄儀表和
指示儀表、
模擬儀表和數(shù)顯儀表,其中記錄儀表又可分為單點記錄和多點記錄(指示亦可以有單點和多點),其中又有在紙記錄或無紙記錄,若是有紙記錄又分筆錄和打印記錄。
執(zhí)行器由執(zhí)行機構和
調節(jié)閥兩部分組成。執(zhí)行機構按能源劃分有
氣動執(zhí)行器、電動執(zhí)行器和
液動執(zhí)行器,按結構形式可以分為薄膜式、活塞式(
氣缸式)和長行程執(zhí)行機構。調節(jié)閥根據(jù)其結構特噗和流量特性不同進行分類,按結構特點分通常有直通單座、直通雙座、三通、角形、隔膜、蝶形、球閥、偏心旋轉、套筒(籠式)、閥體分離等,按流量特性分為直線、
對數(shù)(等面分比)、拋物線、快開等。
這類分類方法相對比較合理,儀表覆蓋面也比較廣,但任何一種分類方法均不能將所有儀表分門別類地劃分得井井有序,它們中間互有滲透,彼此溝通。例如
變送器具有多種功能,
溫度變送器可以劃歸溫度
檢測儀表,
差壓變送器可以劃歸流量檢測儀表,
壓力變送器可以劃歸壓檢測儀表,若用兀壓法測液位可以劃歸物位檢測儀表,很難確切劃歸哪一類,中外
單元組合儀表中的計算和輔助單元也很難歸并。
早期發(fā)展與自動化工業(yè)儀表的出現(xiàn)
工業(yè)儀表在我國出現(xiàn)較早,剛開始出現(xiàn)時主要運載在冶金、熱能動力、石油煉制以及化工等熱力生產(chǎn)行業(yè)中,所以在當時工業(yè)儀表被稱作是熱工表。最早生產(chǎn)出的工業(yè)儀表主要有液動式以及機械式兩種,而且體積也較大,主要作用是進行檢測記錄與簡單的控制,運用起來極不靈活而且功能較少,不能夠在工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮很大的作用。后來人們對這種工業(yè)儀表進行了發(fā)展與優(yōu)化,針對其不能進行遠程控制的問題研制除了
氣動儀表,這種儀表具備了壓力信號與遠程發(fā)送器,可以進行遠距離的檢測記錄與控制,在這個基礎上有出現(xiàn)了可調節(jié)的電子儀表。在二十世紀五十年代左右,首次出現(xiàn)了電動式儀表,它主要是利用各種電子儀器對
工業(yè)儀表進行控制。再后來,集成電路與
半導體技術得到了一定的發(fā)展出現(xiàn)了計算機信息技術,這才逐漸出現(xiàn)了自動化技術,計算機技術的發(fā)展帶動了自動化技術的發(fā)展,并開始在化工行業(yè)中得到運用。
自動化工業(yè)儀表的真正出現(xiàn)是在二十世紀的八十年代,人們通過一種控制裝置把自動化技術與工業(yè)儀表進行了有效結合,然后通過組裝的電子設備進行綜合控制,后來隨著控制技術的不斷發(fā)展,自動化技術逐漸成為了工業(yè)儀表發(fā)展的主要工具,也就出現(xiàn)了真正的自動化工業(yè)儀表。隨著自動化儀表技術的不但發(fā)展,其體積越來越小,功能越來越全,在工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮的作用也越來越明顯,成為現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展必不可少的一個重要工具。
電子式自動化工業(yè)儀表的出現(xiàn)
在計算機技術出現(xiàn)之前出現(xiàn)了微電子技術,這種技術在自動化
工業(yè)儀表中得到運用后,使自動化工業(yè)儀表逐漸呈現(xiàn)除了科技化與產(chǎn)業(yè)化。這種工業(yè)儀表主要是通過電子控制器來實現(xiàn)對故障的診斷,在電子式自動化工業(yè)儀表工作往往會由于各種電信號信息的不穩(wěn)定而不能及時發(fā)現(xiàn)工作中的各種問題,存在著極大的弊端。人們對這種工業(yè)儀表進行更新與發(fā)展后,逐步出現(xiàn)了智能化、數(shù)字化的智能型自動化工業(yè)儀表,這種智能化的工業(yè)儀表通過虛擬網(wǎng)絡技術來代替人工進行工作,初步實現(xiàn)了工業(yè)儀表的真正意義上的自動化。
智能型自動化工業(yè)儀表的出現(xiàn)
隨著社會信息技術的不斷發(fā)展,自動化
工業(yè)儀表在發(fā)展的過程中也表現(xiàn)出了開放性、總線性、網(wǎng)絡化以及智能化等特點。自動化工業(yè)儀表主要是通過采用接口通信、微處理器以及集成電路等現(xiàn)代化網(wǎng)絡技術來實現(xiàn)其智能化的,這些技術可以利用一些
嵌入式軟件對自動化工業(yè)儀表的內部操作進行協(xié)調,從而使其具備智能化處理能力。在這個基礎上對各種輸入信號進行非線性處理,并通過壓力與溫度進行補償,再通過
故障診斷以及零點的修正與漂移等過程來逐步實現(xiàn)自動化工業(yè)儀表的總線控制,這種總線控制式自動化工業(yè)儀表是未來重點發(fā)展的重點??傊?,未來自動化工業(yè)儀表的發(fā)展離不開計算機信息技術的支持,只有把計算機數(shù)字化技術充分運用到自動化
工業(yè)儀表中,才能使自動化工業(yè)儀表取得進一步發(fā)展。
衡量儀器儀表性能的主要技術指標有精確度、靈敏度、響應時間等。
精確度表示儀表測量結果與被測量
真值的一致程度。儀器儀表的精確度常用精確度等級來表示,例如0.1級、0.2級、0.5級、1.0級、1.5級等。0.1級表儀表總的誤差不超過±1.0%范圍。精確度等級數(shù)小,說明儀表的
系統(tǒng)誤差和
隨機誤差都小,也就是這種儀表精密。靈敏度表示當被測的量有一個很小的增量時與此增量引起儀表
示值增量之比,它反映儀表能夠測量的最小被測量。響應時間是指儀表輸入一個階躍量時,其輸出由初始值第一次到達最終穩(wěn)定值的時間間隔,一般規(guī)定以到達穩(wěn)定值的95%時的時間為準。此外,還有重復性、
線性度、滯環(huán)、
死區(qū)、漂移等性能技術指標。
微電子技術、計算機技術、網(wǎng)絡通信技術和
信息處理技術等日新月異發(fā)展的新技術對自動化儀表的革新產(chǎn)生了深遠的影響,已成為工業(yè)自動化儀器儀表發(fā)展的新的推動力,使
工業(yè)自動化儀表不僅能夠更高速、更靈敏、更可靠、更簡捷地獲取對象的全方位信息,而且完全突破了傳統(tǒng)的光、機、電的框架,朝著智能化、網(wǎng)絡化、總線化、開放性的方向發(fā)展。
智能化
現(xiàn)代自動化儀表的智能化是指采用大規(guī)模集成電路技術、微處理器技術、接口通信技術,利用
嵌入式軟件協(xié)調內部操作,使儀表具有智能化處理的功能,在完成輸入信號的非線性處理,溫度與壓力的補償,
量程刻度標尺的變換,零點的漂移與修正,故障診斷等基礎上,還可完成對工業(yè)過程的控制,使控制系統(tǒng)的危險進一步分散,并使其功能進一步增強。這類產(chǎn)品以數(shù)字輸出形式出現(xiàn),不但大大提升了儀表性能,而且便于信息溝通,還可通過網(wǎng)絡組成新型的、開放式的過程控制系統(tǒng)。
總線化
過程控制系統(tǒng)自動化中的現(xiàn)場設備通常稱為現(xiàn)場儀表?,F(xiàn)場儀表主要有變送器,執(zhí)行器,
在線分析儀表及其它檢測儀表。
現(xiàn)場總線技術的廣泛應用,使組建集中和分布式測試系統(tǒng)變得更為容易。然而集中測控越來越不能滿足復雜、遠程及范圍較大的測控任務的需求,必須組建一個可供各現(xiàn)場儀表
數(shù)據(jù)共享的網(wǎng)絡,
現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(
FCS)正是在這種情況下出現(xiàn)的。它是一種用于各種現(xiàn)場智能化儀表與中央控制之間的一種開放、全數(shù)字化、雙向、多站的通信系統(tǒng)。現(xiàn)場總線已成為全球自動化技術發(fā)展的重要表現(xiàn)形式,它為過程
測控儀表的發(fā)展提供了千載難逢的發(fā)展機遇,并為實現(xiàn)進一步的高精度、高穩(wěn)定、高可靠、高適應、低消耗等方面提供了巨大動力和發(fā)展空間。同時,各現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)制造廠家為了使自己的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCS)能得到應用,紛紛推出與其控制系統(tǒng)配套的具有
現(xiàn)場總線功能的測量儀表和
調節(jié)閥,形成了較為完整的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)體系。總而言之,總線化現(xiàn)場儀表功能豐富,在FC S中,幾乎不存在單一功能的現(xiàn)場儀表。如橫河川儀生產(chǎn)的EJA系列FF現(xiàn)場總線壓力變送器,具有2個相互獨立的AI(模入)功能模塊,分別計算差壓和靜壓。它的自診斷不但可以檢測出壓力超界,環(huán)境溫度過高,
量程設置錯誤,而且還能檢測出
壓力傳感器、溫度傳感器以及放大器、模塊等硬件故障。
網(wǎng)絡化
現(xiàn)場總線技術采用計算機數(shù)字化通信技術,使自動控制系統(tǒng)與現(xiàn)場設備加入工廠信息網(wǎng)絡,成為企業(yè)信息網(wǎng)絡底層,可使智能儀表的作用得以充分發(fā)揮。隨著工業(yè)信息網(wǎng)絡技術的發(fā)展,以網(wǎng)絡結構體系為主要特征的新型自動化儀表,即IP智能現(xiàn)場儀表代表了新一代控制網(wǎng)絡發(fā)展的必然趨勢。圖1顯示了基于嵌入式Internet的控制
網(wǎng)絡體系結構。其特點是:首先Ethernet貫穿于網(wǎng)絡的各個層次,它使網(wǎng)絡成為透明的,覆蓋整個企業(yè)范圍的應用實體。它實現(xiàn)了真正意義上的
辦公自動化與工業(yè)自動化的無縫結合,因而我們稱它為扁平化的工業(yè)控制網(wǎng)絡。其良好的互連性和
可擴展性使之成為一種真正意義上的全開放的網(wǎng)絡體系結構,一種真正意義上的大統(tǒng)一。因此,基于嵌入式Internet的控制網(wǎng)絡代表了新一代控制網(wǎng)絡發(fā)展的必然趨勢,新一代智能儀表—IP智能現(xiàn)場儀表的應用將越來越廣泛。
開放性
測控儀器越來越多采用以Windows/CE、Linux、VxWorks等嵌入式操作系統(tǒng)為系統(tǒng)軟件核心和高性能微處理器為硬件系統(tǒng)核心的嵌入式系統(tǒng)技術,未來的儀器儀表和計算機的聯(lián)系也將會日趨緊密,Agilent公司表示儀器儀表設備上應當具備計算機的所有接口,如USB接口、打印機接口、局域網(wǎng)網(wǎng)絡接口等,測量的數(shù)據(jù)也應通過USB接口存儲在可移動存儲設備中,使用這樣的儀器儀表設備和操作一臺簡易電腦簡直是如出一轍。齊備的接口可連接多種現(xiàn)場測控儀表或執(zhí)行器設備,在過程控制系統(tǒng)主機的支持下,通過網(wǎng)絡形成具有特定功能的測控系統(tǒng),實現(xiàn)了多種智能化現(xiàn)場測控設備的開放式互連系統(tǒng)。
現(xiàn)代工業(yè)企業(yè)中的控制系統(tǒng)將向著智能化、總線化、網(wǎng)絡化、一體化的方向發(fā)展。自動智能化儀表越來越廣泛的應用在各個領域。高度發(fā)展的現(xiàn)代自動控制技術在各行各業(yè)中的運用,必然帶來更高、更好得到發(fā)展。