善滄儀表帶您全面了解工業(yè)自動化儀表及控制裝置設(shè)備

導(dǎo)讀

      隨著生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴大和生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，對生產(chǎn)過程自動化水平提出了越來越高的要求。因此，工業(yè)儀表也經(jīng)歷了一個從無到有、由簡單到復(fù)雜，由單一功能向多功能的發(fā)展過程。從最初的只能在現(xiàn)場測量并顯示溫度（如玻璃溫度計）、壓力（如U形管壓力計）、流量（如玻璃轉(zhuǎn)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(diào)節(jié)器，逐步向遠傳集中顯示、遠程控制的方向發(fā)展。除檢測各種參數(shù)的檢測元件和檢測儀表愈加齊全外，過程控制儀表的發(fā)展更是日新月異，經(jīng)歷了由氣動單元組合儀表、電動單元組合儀表、電子式綜合控制裝置到工業(yè)計算機控制系統(tǒng)的飛躍。

    工業(yè)自動化儀表品種繁多，從信息的獲得、傳遞、反映和處理的過程把工業(yè)自動化儀表分為五大類；（1）檢測儀表；（2）顯示儀表；(3)控制儀表；（4）執(zhí)行器；（5）集中監(jiān)測與控制裝置。

(一)檢測儀表

     生產(chǎn)過程中，介質(zhì)在設(shè)備、管道不同部位的溫度、壓力、流量、物位以及其他物理量瞬息萬變，始終處于變化之中。檢測儀表就是用以檢測上述物理量在每個瞬間的量值。

按照所測量工藝參數(shù)的不同，檢測儀表可分為如下幾種。

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、壓力式（溫包）溫度計、溫度開關(guān)、熱電偶、熱電阻，還有輻射高溫計及光學(xué)高溫計、光電比色高溫計等輻射式溫度計。

2．壓力儀表：壓力測量儀表用于檢測壓力、真空和壓差。根據(jù)其工作原理可分為：彈性式壓力計（按其彈性元件又分為彈簧管壓力計、膜片壓力計、膜盒壓力計、壓力開關(guān)等）；傳感式壓力計（如電阻式、電容式、電感式、霍爾式壓力計等）；液柱式壓力計（如U形管、直管、傾斜管壓力計)；還有精度較高通常用于校驗標(biāo)準(zhǔn)壓力表的活塞式壓力計。

3．流量儀表：流量測量儀表品種繁多，目前應(yīng)用最為廣泛的是由節(jié)流裝置和與其配套的差壓流量變送器。常用的節(jié)流裝置有孔板、噴嘴和文丘里管。其他常用的流量儀表還有水表、轉(zhuǎn)子流量計、橢圓齒輪流量計、靶式流量計、電磁流量計、旋渦流量計、阿鈕巴流量計、質(zhì)量流量計等。

4．物位儀表：物位儀表主要測量塔器和槽、罐類容器內(nèi)某種介質(zhì)的液位或兩種不同比重液體的界面及固體物料的料位。液位計中最為常見的是玻璃管液位計、玻璃板液位計，其他還有差壓式液位計和浮力式液位計（如浮球液位計、液位開關(guān)、浮筒液位計、浮標(biāo)液位計、鋼帶液位計、儲罐液位稱重儀等）。用于固體物料料位檢測的有電阻式料位計、電容式料位計、物位開關(guān)、重錘探測物位計、音叉料位計、超聲波物位計、放射性料位計等。

5．成分分析儀表：成分分析儀表用于檢定工藝介質(zhì)的成分及測定某種組分（或某些組分直至全組分）的含量。按其工作原理可分為電化學(xué)式分析儀（如電導(dǎo)儀、工業(yè)酸度計、氧化鋯分析儀等），熱學(xué)式分析儀（如熱導(dǎo)式分析儀、熱化學(xué)式分析儀、紅外線分析儀）及磁導(dǎo)式分析儀、光電比色分析儀、質(zhì)譜儀、工業(yè)氣相色譜儀等。

     在安裝在線成分分析儀表時，一般都需要對所取的樣品進行預(yù)處理，使樣品的狀態(tài)、溫度、壓力、流量等參數(shù)符合分析儀表工作條件的要求，因此需要配置一些由過濾器、除塵器、干燥容器、冷卻器、轉(zhuǎn)子流量計、水封和閥門及管路等組成的管路系統(tǒng)，以對樣品進行一般性預(yù)處理。對于一些特殊介質(zhì)（如煙道氣臟氣樣、爐氣等高溫氣樣、重油分析取樣、腐蝕性組分取樣及環(huán)境檢測取樣等），其取樣預(yù)處理系統(tǒng)則更為完善，這類成品形式的取樣預(yù)處理系統(tǒng)稱為取樣預(yù)處理裝置。

     另外，還有一些物性檢測儀表如水分計、濕度計、密度計、濃度計、濁度計、粘度計等也往往劃歸成分分析儀表。

6．機械量儀表：工業(yè)上常用的機械量儀表有測厚儀、熱膨脹檢測儀、張力檢測儀、撓度檢測儀以及用于旋轉(zhuǎn)機械（如大型蒸汽透平壓縮機等）的軸振動、軸位移、轉(zhuǎn)速檢測裝置和稱重裝置（如電子皮帶秤，皮帶跑偏、打滑檢測裝置，稱重顯示儀，稱重裝袋裝置等）。

(二)顯示儀表

      此類儀表是指與檢測儀表配套用以指示或記錄被測參數(shù)的瞬時值，如用于指示的比率計、毫伏計等動圈指示儀，數(shù)字顯示儀和指示或記錄溫度用的電子電位差計、電子平衡電橋（電子電位差計、平衡電橋還可以附加電動調(diào)節(jié)器或氣動調(diào)節(jié)器等組成復(fù)合型儀表）及具有流量累計功能的積算型儀表。

(三)控制儀表

       控制儀表一方面接受過程檢測儀表及變送器的測量信號進行顯示，另一方面發(fā)出調(diào)節(jié)信號控制執(zhí)行器（執(zhí)行機構(gòu)及調(diào)節(jié)閥）的動作，組成閉環(huán)控制系統(tǒng)。

控制儀表根據(jù)信號類型可分為摸擬式控制儀表和數(shù)字式控制儀表兩大類。

1．模擬控制儀表包括基地式儀表，單元組合儀表（氣動、電動）和組裝式儀表。

(1)單元組合儀表按其在控制系統(tǒng)中的功能分為不同的單元，各單元儀表獨立存在，可根據(jù)需要任意組合成不同的檢測調(diào)節(jié)系統(tǒng)，系統(tǒng)組成靈活、方便。各單元之間的信號傳遞采用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)信號（又稱為模擬信號）。單元組合儀表廣泛應(yīng)用于20世紀(jì)50～70年代初，屬真正功能分散的儀表，即用一塊儀表來完成所要求的某一功能。

需要說明的是，單元組合儀表中的變送單元儀表（除溫度變送器外）從功能而言應(yīng)屬檢測儀表。

單元組合儀表按其工作能源又分為氣動單元組合儀表和電動單元組合儀表兩類。

      氣動單元組合儀表：氣動單元組合儀表是在原來的氣動儀表基礎(chǔ)上發(fā)展而來的。此類儀表以0.14MPa壓縮空氣為工作能源，采用壓力0.02～0.1MPa的壓縮空氣為統(tǒng)一信號。正因為其工作能源和信號傳輸均為壓縮空氣，在煉油、化工生產(chǎn)裝置中應(yīng)用氣動單元儀表具有天然防爆的作用。其缺點是氣動信號傳輸距離一般在150m以內(nèi)，傳輸距離過遠時，信號傳遞滯后，影響顯示調(diào)節(jié)的靈敏度。氣動單元組合儀表包括以下單元儀表：

a．變送單元（即變送器）包括壓力變送器、差壓變送器、靶式流量變送器、內(nèi)藏孔板流量變送器、單（雙）法蘭差壓（液位）變送器、內(nèi)（外）浮筒液位變送器及溫度變送器等。

b．顯示單元儀表如色帶指示儀、條形指示儀、多針指示儀、指示記錄儀、積算器等。

c．調(diào)節(jié)單元儀表包括指示調(diào)節(jié)儀、記錄調(diào)節(jié)儀、串級調(diào)節(jié)儀、比例（積分、微分）調(diào)節(jié)儀（器）等。

d．計算單元儀表如加減器、乘除器、比值器等。

e．給定單元儀表如定值器，時間程序定值器等。

f．輔助單元儀表如氣動（Q型）操作器、手動/自動切換操作器、高（低）值選擇器、繼動器、切換器、限幅器、配比器、負荷分配器、大流量過濾減壓閥等。

       電動單元組合儀表：電動單元組合儀表以直流電源為其工作能源。此類儀表因其基本電子元件的更新?lián)Q代經(jīng)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(fā)展階段。目前，Ⅰ型、Ⅱ型已經(jīng)淘汰不再使用。Ⅲ型仍廣泛應(yīng)用于煉油化工生產(chǎn)裝置中?，F(xiàn)所介紹的電動單元組合儀表僅指Ⅲ型。電動Ⅲ型儀表使用DC24V電源供電，安裝于控制室內(nèi)的各單元儀表之間的信號傳輸采用DC1～5V電壓信號，而控制室儀表與現(xiàn)場安裝的變送儀表、調(diào)節(jié)閥及執(zhí)行機構(gòu)之間則為DC4～20mA電流信號。為滿足不同的防爆要求，現(xiàn)場安裝的變送器及與其連接的控制室輸入輸出單元（安全保持器、安全柵）等又有隔爆型、本質(zhì)安全型之分。另外，由于工業(yè)計算機控制技術(shù)發(fā)展的需要，近年來還開發(fā)了以微處理器為核心的智能化單元儀表，成為電動單元儀表的新軍。

電動單元組合儀表包括下述各單元：

a. 變送單元（即變送器）包括壓力變送器、差壓變送器、靶式流量變送器、內(nèi)藏孔板流量變送器、單（雙）法蘭差壓（液位）變送器、內(nèi)（外）浮筒液位變送器、溫度（溫差）變送器、智能壓力變送器及智能差壓變送器等。

b. 顯示單元儀表如單（雙）針指示儀、色帶指示儀、單（雙）針報警儀、單（雙）筆記錄儀、多點指示記錄儀、比例（開方）積算器等。

c.調(diào)節(jié)單元儀表包括指示調(diào)節(jié)器、SPC/DDC后備調(diào)節(jié)器、多通道閥位跟蹤調(diào)節(jié)器、特殊功能調(diào)節(jié)器、積分器、微分器等。

d.計算單元儀表如加減器、乘除器、開方器等。

e.轉(zhuǎn)換單元儀表包括電流信號轉(zhuǎn)換器、脈沖/電壓轉(zhuǎn)換器、頻率/電流轉(zhuǎn)換器、阻抗轉(zhuǎn)換器、函數(shù)轉(zhuǎn)換器、電/氣轉(zhuǎn)換器、氣/電轉(zhuǎn)換器等。

f.給定單元儀表即恒流給定器、比值給定器、比率給定器、報警給定器、參數(shù)程序給定器、時間程序給定器等。

g.輔助單元儀表如電動（D型）操作器、DDC操作器、安全保持器、安全柵、配電器、電壓箱、信號選擇器、隔離器、反向器、升降器、信號阻尼器、信號倒向器、信號限幅器、變化率選擇器等。

(2)組裝式綜合控制儀表

       是過程控制儀表發(fā)展過程中的一個新的系列，又稱組裝式綜合控制裝置。它采用組件組裝式結(jié)構(gòu)，可以方便靈活地構(gòu)成過程控制系統(tǒng)，系統(tǒng)內(nèi)部采用0-10V直流電壓信號體制。并可接收現(xiàn)場檢測儀表和檢測元件的各種氣動信號和電動信號（包括電流、電壓、觸點、脈沖、頻率、編碼等）。

組裝式綜合控制裝置包括下列儀表和組件：

a.輸入輸出組件：輸入轉(zhuǎn)換組件、輸出轉(zhuǎn)換組件、脈沖轉(zhuǎn)換組件、mV/V轉(zhuǎn)換組件、P/E轉(zhuǎn)換組件、積算功率驅(qū)動器組件等。

b. 信號處理組件：信號緩沖組件、繼電器緩沖組件、信號發(fā)生組件（斜坡發(fā)生組件、定時組件等）、模擬計算組件（乘除組件、開方組件、加法組件、函數(shù)組件、限幅組件、信號選擇組件等）、積算組件、報警組件、邏輯組件。

c.調(diào)節(jié)組件：PID組件（比例、積分、微分組件）、動態(tài)補償組件、跟蹤組件、多輸出接口組件、聲光控制組件。

d.輔助組件及其他組件：電源分配組件、信號分配組件、切換組件、給定組件、繼電器組件、監(jiān)控組件。

e.顯示操作儀表：單（雙）針指示儀、單（雙）筆記錄儀、三（四）筆記錄儀、趨勢記錄儀、手操器、控制顯示操作器。

(3)基地式調(diào)節(jié)儀表

      在工業(yè)自動化儀表由就地檢測顯示向集中控制發(fā)展過程中，產(chǎn)生了一種集測量、顯示、調(diào)節(jié)功能于一體的儀表,我們稱之為基地式調(diào)節(jié)儀表或簡稱為基地式儀表。如具有氣動調(diào)節(jié)器的指示記錄調(diào)節(jié)儀以及一些只有單一調(diào)節(jié)功能的就地調(diào)節(jié)器（如溫度調(diào)節(jié)器，壓力調(diào)節(jié)器、差壓調(diào)節(jié)器，流量調(diào)節(jié)器）。基地式調(diào)節(jié)儀表以其工作能源又有氣動和電動之分。

      自力式調(diào)節(jié)器也是就地調(diào)節(jié)儀表的一種，它因依賴于被測介質(zhì)作為其工作能源而得名，故又稱為直接作用式調(diào)節(jié)器。另外，因為它與其調(diào)節(jié)閥合為一體，所以自力式調(diào)節(jié)器又稱為自力式調(diào)節(jié)閥。常用的自力式調(diào)節(jié)器有自力式溫度調(diào)節(jié)器、自力式壓力調(diào)節(jié)器及自力式流量調(diào)節(jié)器。

2．?dāng)?shù)字式控制儀表

     數(shù)字式控制儀表包括分散型控制系統(tǒng)(DCS)，可編程序控制器(PLC)，工業(yè)控制機(IPC)，安全控制系統(tǒng)(FSC)等。

    20世紀(jì)60年代，隨著工業(yè)生產(chǎn)過程的大規(guī)?；?fù)雜化，要求工業(yè)自動化控制系統(tǒng)既能處理大量數(shù)據(jù)，又能實現(xiàn)高級運算控制，易于進行信息通信，實現(xiàn)集中顯示操作及高級控制，提高控制精度，單純使用常規(guī)模擬儀表已無法滿足上述要求，從而開始運用計算機控制系統(tǒng)，使生產(chǎn)過程綜合控制水平得到了進一步的提高。然而，隨著控制功能的高度集中，事故發(fā)生的危險性也高度集中，一旦計算機控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障，控制、監(jiān)視、操作將無法進行，給生產(chǎn)帶來很大影響，甚至?xí)?dǎo)致全局性重大事故。

    70年代以后，隨著大規(guī)模集成電路問世和微處理器的誕生，在控制技術(shù)、顯示技術(shù)、計算機技術(shù)、通信技術(shù)進一步發(fā)展的基礎(chǔ)上，開發(fā)研制了以微處理器和微型計算機為基礎(chǔ)的新型過程控制系統(tǒng)如分散型控制系統(tǒng)DCS（DistributedControlSystem）。分散型控制系統(tǒng)繼承了常規(guī)模擬儀表和計算機控制系統(tǒng)的優(yōu)點，在繼承集中顯示操作、集中管理的基礎(chǔ)上，將控制權(quán)分散，進一步提高了控制系統(tǒng)的安全性和可靠性。這是因為分散型控制系統(tǒng)按控制功能或控制區(qū)域?qū)⑽⑻幚砥鬟M行分散配置，每個帶微處理器的控制站可控制幾個、幾十個回路，用若干個控制站組合，控制整個生產(chǎn)過程，從而實現(xiàn)分散控制并使危險分散的目的。在此基礎(chǔ)上，把大量信息通過數(shù)據(jù)通信電纜送到中央控制室的以微處理器為基礎(chǔ)的CRT顯示操作站，將這些信息集中顯示或記錄。同時與上位機（過程管理計算機和生產(chǎn)管理計算機）相配合對生產(chǎn)過程實行集中監(jiān)視和管理。

    分散型控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)控制、批量（間歇）控制、順序控制、數(shù)據(jù)采集處理及先進控制，將操作管理與生產(chǎn)過程密切地結(jié)合起來。集散控制系統(tǒng)還具有自診斷功能，可以對系統(tǒng)的硬件、軟件進行檢查，一旦發(fā)現(xiàn)故障，即發(fā)出聲、光報警，并顯示故障所在位置。

     分散型控制系統(tǒng)一般由現(xiàn)場控制站、CRT顯示操作站、通信網(wǎng)絡(luò)和打印機等外圍設(shè)備組成。

    在其后的發(fā)展過程中，分散控制系統(tǒng)的控制通信功能愈加完善和標(biāo)準(zhǔn)化，并根據(jù)其控制功能的側(cè)重點從以回路控制為主的分散控制系統(tǒng)DCS中分離出以順序控制為主的可編程序控制器PLC（ProgrammableLogicController）?？删幊绦蚩刂破髯畛醯哪康氖怯脕砣〈蓚鹘y(tǒng)的繼電器組成的繼電聯(lián)鎖報警系統(tǒng)，其輸入/輸出信號均為開關(guān)信號，它采用軟件編程的方法執(zhí)行如邏輯、順序、計時、計數(shù)和演算功能，適用于較復(fù)雜的聯(lián)鎖。PLC的特點就是“可編程序”，只要改變程序就可改變控制方案。其可靠性、靈活性和運行速度及控制方案的復(fù)雜程度，是繼電器線路無法相比的。

     PLC的發(fā)展十分迅速，并增強了模擬控制功能、運算功能，甚至配置了CRT動態(tài)圖形顯示、數(shù)據(jù)庫管理、文件生成等。而DCS則汲取PLC的技術(shù)特點，強化批處理、順序控制等功能，這種二者之間功能的滲透，將使DCS和PLC的區(qū)別縮小，標(biāo)志也變得模糊，隨著分散控制系統(tǒng)的繼續(xù)發(fā)展，特別是在系統(tǒng)小型及微型化、現(xiàn)場變送器智能化、現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)化、通信網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)化、DCS與PLC互相滲透，監(jiān)控計算機、PC機進入DCS系統(tǒng)，系統(tǒng)軟件的進一步完善，分散控制系統(tǒng)將更加適應(yīng)各種過程控制的需要，并將取得更好的技術(shù)經(jīng)濟效益。

     現(xiàn)場總線（FCS）是安裝在生產(chǎn)現(xiàn)場裝置與控制室內(nèi)的自動控制裝置之間的數(shù)字式、串行、多點通訊雙向傳輸?shù)臄?shù)據(jù)總線。它的基本思路是將控制室內(nèi)DCS、PLC的控制站、智能調(diào)節(jié)器等不再通過各自的輸入/輸出（I/O）通道與現(xiàn)場儀表（如變送器、調(diào)節(jié)閥、開關(guān)）一一對應(yīng)連接，而只要通過各自的串行接口掛接到現(xiàn)場總線H2高速通道上，再通過H2/H1轉(zhuǎn)接網(wǎng)橋接到H1現(xiàn)場總線上，實現(xiàn)H1與H2現(xiàn)場儀表間的通訊，對生產(chǎn)過程進行監(jiān)控和檢測。

    由于現(xiàn)場總線處于zui低一層的現(xiàn)場裝置（現(xiàn)場設(shè)備和現(xiàn)場儀表）互連的通信網(wǎng)絡(luò)，集成現(xiàn)場控制和現(xiàn)場通訊的功能，所以現(xiàn)場總線通信網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點是智能變送器（包括溫度、壓力、流量、物位、過程分析器等）和智能執(zhí)行器等。

    工業(yè)計算機按其控制管理功能分為基礎(chǔ)自動化控制裝置及管理計算機，其中基礎(chǔ)自動化裝置為多極控制的第一級包括分散型控制系統(tǒng)（DCS）、可編程邏輯控制器（PLC）、直接數(shù)字控制裝置（DDC）和現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）。過程管理計算機是基礎(chǔ)自動化裝置的上位機，屬多極控制的第二級；生產(chǎn)管理計算機適用于多極控制的第三～五級。

(四)執(zhí)行器
     執(zhí)行器又稱控制閥，由執(zhí)行機構(gòu)和閥門兩部分組成。按照執(zhí)行機構(gòu)的動力源分類有氣動控制閥，電動控制閥，液動控制閥和混合型控制閥四大類。氣動控制閥按照其執(zhí)行機構(gòu)形式又分為薄膜式控制閥，活塞式控制閥和長行程控制閥。

(五)集中監(jiān)測與控制裝置

    集中檢測裝置即利用檢測元件或探測器將被測變量或報警接點信號予以集中顯示的裝置；集中控制裝置則是將一系列被測變量信號按設(shè)定程序?qū)?zhí)行器進行控制的裝置。集中監(jiān)測與控制裝置包括各種數(shù)據(jù)采集裝置、巡回檢測裝置、信號報警裝置、安全檢測裝置及工業(yè)電視及遠動裝置和順序控制裝置等。集中監(jiān)測與控制裝置一般分為下述幾類：

1．安全監(jiān)測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(jiān)視器、自動點火裝置、燃燒安全保護裝置、漏油檢漏裝置及高阻檢測裝置等。

2．工業(yè)電視由攝像機及其附屬設(shè)備（照明、吹掃、冷卻裝置及電動轉(zhuǎn)臺），顯示器及輔助設(shè)備（操作器、分配器、補償器、切換器）等組成。

3．遠動裝置接受輸入的變量信號，經(jīng)過信息處理，進行畫面顯示報警，并向控制端輸出控制信號。

4．信號報警裝置包括閃光信號報警器、智能閃光報警裝置、繼電線路報警系統(tǒng)等各種類型的信號報警裝置。

5．順序控制裝置有繼電聯(lián)鎖保護系統(tǒng)、邏輯監(jiān)控裝置、順序控制裝置及智能順序控制器等。

6．?dāng)?shù)據(jù)采集及巡回檢測報警裝置包括數(shù)據(jù)采集裝置及巡回檢測報警儀等。

(六)自控其他設(shè)備

     此類設(shè)備主要有各式（通道式、柜式、框架式、屏式）儀表盤、儀表箱、操作臺、保溫（保護）箱、供電箱等。

(七）自控材料

      自控材料指儀表安裝所需要的材料，其品種繁多，如導(dǎo)壓配管（無縫鋼管、不銹鋼管、高壓管）、供氣配管（鍍鋅鋼管、黃銅管），氣信號配管（紫銅管、銅管纜、尼龍管纜，接管箱），電氣配管材料（焊接鋼管、鍍鋅鋼管），各類配管中的閥門、法蘭及管件，自控用電氣設(shè)備材料（電纜、導(dǎo)線、接線箱、電氣設(shè)備及元件），儀表電纜橋架，用于制作儀表設(shè)備支架、托架的角鋼、槽鋼等型鋼金屬材料，伴熱隔熱材料及防腐刷油材料等。

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