十分钟全面了解工业自动化仪表及控制装置设

随着生产规模的不断扩大和生产技术的发展，对生产过程的自动化水平提出了越来越高的要求。因此，工业仪表也经历了一个从无到有，从简单到复杂，从单一功能到多功能的发展过程。从最初只能在现场测量和显示温度(如玻璃温度计)、压力(如U型管压力表)、流量(如玻璃转子流量计)、液位(如玻璃管液位计)的就地检测仪表和只能进行简单控制的就地调节器，逐渐向远传、集中显示和远程控制的方向发展。除了检测各种参数的检测元件和仪表更加齐全外，过程控制仪表的发展也是日新月异，经历了从qdz、电气单元组合仪表、电子集成控制装置到工业计算机控制系统的飞跃。

工业自动化仪表种类繁多，从信息的获取、传输、反映和处理过程来看，可以分为五大类。(1)检测仪器；(2)显示仪表；(3)控制仪表；(4)执行机构；(5)集中监控装置。

(1)测试仪器

在生产过程中，设备和管道的不同部位的介质的温度、压力、流量、料位等物理量都在快速变化，而且总是在变化。测量仪器用于测量上述物理量在每个瞬间的大小。

根据被测工艺参数的不同，检测仪器可分为以下几种类型。

1.温度仪表:常用的温度测量仪表有玻璃温度计、双金属温度计、压力(温度包)温度计、温度开关、热电偶和热电阻，以及辐射高温计、光学高温计、光电比色高温计等辐射温度计。

2.压力仪表:压力测量仪表用于检测压力、真空和压差。按其工作原理可分为:弹性压力计(按其弹性元件可分为弹簧管压力计、隔膜压力计、膜片压力计、压力开关等。);传感压力表(如电阻式、电容式、电感式、霍尔压力表等。);液柱压力计(如U形管、直管和斜管压力计)；还有精度很高的活塞式压力表，通常用来校准标准压力表。

3.流量仪表:流量测量仪表有很多种。目前应用最广泛的是节流装置及其配套的差压流量变送器。常用的节流装置有孔板、喷嘴和文丘里管。其他常用的流量计还有水表、转子流量计、椭圆齿轮流量计、靶式流量计、电磁流量计、涡街流量计、阿奴巴流量计、质量流量计等。

4.液位计:液位计主要测量某种介质的液位或两种比重不同的液体的界面以及塔、罐、槽中固体物料的液位。最常见的液位计有玻璃管液位计和玻璃板液位计，其他还有差压液位计和浮力液位计(如浮球液位计、液位开关、浮筒液位计、浮筒液位计、钢带液位计、储罐液位称重仪表等。).固体料位检测采用电阻液位计、电容液位计、液位开关、重锤检测液位计、音叉液位计、超声波液位计、放射性液位计。

5.成分分析仪:成分分析仪用于验证工艺介质的成分，并确定某些成分(或某些成分直至所有成分)的含量。按其工作原理可分为电化学分析仪(如电导率仪、工业酸度计、氧化锆分析仪等。)、热分析仪(如热导分析仪、热化学分子式分析仪、红外分析仪)、磁导率分析仪、光电比色分析仪、质谱仪、工业气相色谱仪等。

安装在线成分分析仪时，一般需要对样品进行预处理，使样品的状态、温度、压力、流量等参数满足分析仪工作条件的要求。因此，需要配置一些管道系统，包括过滤器、除尘器、干燥容器、冷却器、转子流量计、水封、阀门和管道等。，以便对样品进行一般预处理。对于一些特殊介质(如烟气污浊气体样品、炉气等高温气体样品、重油分析取样、腐蚀性组分取样、环境检测取样等。)，其采样预处理系统更加完善。这种成品取样预处理系统称为取样预处理装置。

此外，一些物理测试仪器如湿度计、湿度计、密度计、密度计、浊度计、粘度计等也常被归为成分分析仪器。

6.机械测量仪器:常用的工业机械测量仪器有测厚仪、热膨胀检测仪、拉力检测仪、挠度检测仪、轴振动、轴位移、转速检测装置、旋转机械称重装置(如大型汽轮机压缩机等。)(如电子皮带秤、皮带跑偏和打滑检测装置、称重显示装置、称袋重装装置等。).

(2)显示仪表

这类仪表用于指示或记录被测参数的瞬时值，如比率表、毫伏表等动圈式指示器、数字指示器、电子电位器、电子平衡电桥(电子电位器和平衡电桥也可与电动调节器或气动调节器组合)用于指示或记录温度，以及具有流量累计功能的集成仪表。

(3)控制仪器

控制仪表一方面接收过程检测仪表和变送器的测量信号进行显示，另一方面发出调节信号控制执行机构(执行器和调节阀)的动作，形成闭环控制系统。

控制仪表按信号类型可分为模拟控制仪表和数字控制仪表。

1.模拟控制仪表包括基本仪表、单元组合仪表(气动和电动)和组合仪表。

(1)单元组合仪表根据其在控制系统中的功能分为不同的单元。每个单元仪器独立存在，可以根据需要任意组合成不同的检测和调整系统。系统组成灵活方便。统一标准信号(也称为模拟信号)用于单元之间的信号传输。组合仪表在20世纪50年代和70年代初被广泛使用，它是一种真正分散的仪表，即使用一种仪表来完成一种要求的功能。

需要注意的是，单元组合仪表中的传输单元仪表(温度变送器除外)在功能上应该是一个检测仪表。

组合仪表按其工作能量可分为qdz和电动组合仪表。

Qdz:qdz是在原有气动仪表的基础上发展起来的。这类仪器以0.14MPa压缩空气为工作能量，以0.02~0.1MPa压缩空气为统一信号。由于其工作能量和信号传递都是压缩空气，所以气动单元仪表在炼油化工生产装置中的应用具有天然的防爆效果。其缺点是气动信号传输距离一般在m以内，传输距离太远时信号传输滞后，影响显示器调节的灵敏度。Qdz包括以下单元仪器:

A.传输单元(即变送器)包括压力变送器、差压变送器、目标流量变送器、内置孔板流量变送器、单(双)法兰差压(液位)变送器、内(外)浮筒液位变送器、温度变送器等。

B.显示单元仪表，如带状指示器、条形指示器、多针指示器、指示器记录器、累加器等。

C.调节单元仪表包括指示调节器、记录调节器、串级调节器、比例(积分、微分)调节器等。

D.计算单元仪器，如加减法器、乘除器、比率器等。

E.给定单元仪器，如设定装置、时间程序设定装置等。

F.辅助装置仪表，如气动(Q型)操作器、手动/自动切换操作器、高(低)值选择器、继电器、开关、限制器、比例装置、负载分配器、大流量过滤和减压阀等。

电动组合仪表:电动组合仪表使用DC功率作为其工作能量。这种仪器由于其基本电子元件的更新换代，经历了ⅰ型(电子管电路)、ⅱ型(晶体管电路)和ⅲ型(线性集成电路)三个发展阶段。目前，I型和II型已被淘汰，不再使用。ⅲ型仍广泛应用于炼油和化工生产装置。现在介绍的电动单元组合仪表仅指III型。ⅲ型电动仪表由DC24V电源供电，安装在控制室内的各单元仪表之间的信号传输采用DC1~5V电压信号，而控制室内的仪表与现场传输仪表、调节阀、执行机构之间的电流信号为DC4~20mA。为了满足不同的防爆要求，现场安装的变送器和与之相连的控制室的输入输出单元(安全支架、安全栅)分为防爆型和本质安全型。另外，由于工业计算机控制技术的发展，近年来开发了以微处理器为核心的智能单元仪表，成为电气单元仪表的新军。

电气单元组合仪表包括以下单元:

A.传输单元(即变送器)包括压力变送器、差压变送器、目标流量变送器、内置孔板流量变送器、单(双)法兰差压(液位)变送器、内(外)浮筒液位变送器、温度(温差)变送器、智能压力变送器、智能差压变送器等。

B.显示单元仪表，如单(双)针指示器、带状指示器、单(双)针报警器、单(双)笔记录器、多点指示记录器、比例(根)累加器等。

C.调节单元仪表包括指示调节器、SPC/DDC后备调节器、多路阀位跟踪调节器、特殊功能调节器、积分器、微分器等。

D.计算单元仪器，如加减法器、乘除器、平方根等。

E.转换单元仪表包括电流信号转换器、脉冲/电压转换器、频率/电流转换器、阻抗转换器、函数转换器、电/气转换器、气/电转换器等。

F.给定单元仪表有恒流设定器、比率设定器、比率设定器、报警设定器、参数程序设定器、时间程序设定器等。

G.辅助装置仪表，如电动(D型)操作器、DDC操作器、安全支架、安全栅、配电装置、电压箱、信号选择器、隔离器、逆变器、提升器、信号阻尼器、信号逆变器、信号限制器、变化率选择器等。

(2)组装集成控制仪表

它是过程控制仪表发展中的一个新系列，也称为装配式集成控制装置。它采用组件式结构，可以方便灵活地组成过程控制系统。系统采用0-10VDC电压信号系统。还能接收各种气动信号和电信号(包括电流、电压、触点、脉冲、频率、代码等。)的现场检测仪器和检测元件。

组装的集成控制装置包括以下仪器和部件:

A.输入/输出组件:输入转换组件、输出转换组件、脉冲转换组件、mV/V转换组件、P/E转换组件、集成功率驱动器组件等。

B.信号处理部件:信号缓冲部件、继电器缓冲部件、信号产生部件(斜坡产生部件、定时部件等。)、模拟计算组件(乘除组件、根式切割组件、加法组件、函数组件、限幅组件、信号选择组件等。)、集成组件、报警组件、逻辑组件。

C.调节组件:PID组件(比例、积分、微分组件)、动态补偿组件、跟踪组件、多输出接口组件、声光控制组件。

D.辅助部件和其他部件:配电部件、信号分配部件、开关部件、给定部件、继电器部件和监控部件。

E.显示操作仪器:单(双)针指示器、单(双)笔记录器、三(四)笔记录器、趋势记录器、手动操作器和控制显示操作器。

(3)基础型调节仪表

在工业自动化仪表从就地检测和显示到集中控制的发展过程中，产生了一种集测量、显示和调节功能于一体的仪表，我们称之为基型调节仪表或简称基型仪表。例如，带有气动调节器的指示和记录调节器以及一些具有单一调节功能的就地调节器(如温度调节器、压力调节器、压差调节器和流量调节器)。根据工作能量的不同，调基仪可分为气动式和电动式。

自力式调节阀也是一种就地调节仪表。因依靠被测介质作为其工作能量而得名，故又称直动式调节器。另外，由于与它的调节阀是一体的，所以自力式调节阀也叫自力式调节阀。常用的自力式调节阀有自力式温度调节阀、自力式压力调节阀和自力式流量调节阀。

2.数字控制仪器

数字控制仪表包括分布式控制系统(DCS)、可编程逻辑控制器(PLC)、工业控制机(IPC)、安全控制系统(FSC)等。

20世纪60年代，随着工业生产过程的大型化和复杂化，要求工业自动化控制系统不仅能处理大量数据，还能实现先进的操作控制，便于信息交流，实现集中显示操作和先进控制，提高控制精度。单纯使用常规模拟仪表不能满足上述要求，因此采用计算机控制系统来进一步提高生产过程的综合控制水平。然而，随着控制功能的高度集中，事故风险也高度集中。一旦计算机控制系统发生故障，控制、监视和操作将无法进行，对生产造成很大影响，甚至导致全球性的重大事故。

20世纪70年代以后，随着大规模集成电路的出现和微处理器的诞生，在控制技术、显示技术、计算机技术和通信技术进一步发展的基础上，发展了一种以微处理器和微型计算机为基础的新型过程控制系统，如DCS(分布式控制系统(DistributedControlSystem(DCS))。分散控制系统继承了常规模拟仪表和计算机控制系统的优点，在集中显示操作和集中管理的基础上，分散了控制权力，进一步提高了控制系统的安全性和可靠性。这是因为分布式控制系统根据控制功能或控制区域来分配微处理器。每个带有微处理器的控制站可以控制几个或几十个回路，几个控制站组合起来控制整个生产过程，达到分散控制、分散风险的目的。在此基础上，大量信息通过数据通信电缆送至中央控制室的以微处理器为基础的CRT显示操作站，集中显示或记录信息。同时配合上位机(过程管理计算机和生产管理计算机)对生产过程实施集中监控和管理。

集散控制系统可以实现连续控制、批量(间歇)控制、顺序控制、数据采集处理和先进控制，将运行管理与生产过程紧密结合。集散控制系统还具有自诊断功能，可以对系统的硬件和软件进行检查。一旦发现故障，它会发出声光报警并显示故障位置。

分散控制系统一般由现场控制站、CRT显示操作站、通信网络、打印机等外围设备组成。

在随后的发展过程中，集散控制系统的控制通信功能日趋完善和规范，并根据其控制功能的侧重点，从以回路控制为主的集散控制系统DCS中分离出了以顺序控制为主的可编程控制器PLC(Program**BlelogicController)。PLC最初的目的是取代传统继电器组成的继电器联锁报警系统。它的输入/输出信号都是开关信号。它采用软件编程的方法执行逻辑、顺序、定时、计数和计算等功能，适用于复杂的联锁。PLC的特点是“可编程序”，通过改变程序可以改变控制方案。其可靠性、灵活性、运行速度和控制方案的复杂性都是继电器电路无法比拟的。

PLC的发展非常迅速，增强了模拟控制和计算功能，甚至配备了CRT动态图形显示、数据库管理、文件生成等功能。而DCS则吸收了PLC的技术特点，加强了批处理和顺序控制的功能。这两个功能的渗透会缩小DCS和PLC的区别，让logo模糊。随着分散控制系统的不断发展，特别是在小型和微型化系统、智能现场变送器、现场总线标准化、通信网络标准化、DCS和PLC相互渗透以及系统软件的进一步完善等方面，分散控制系统将更加适合各种应用。

现场总线(FCS)是安装在生产现场设备和控制室自动控制设备之间的数字化、串行、多点通信数据总线。其基本思想是，控制室内的DCS和PLC控制站、智能调节器不再通过各自的输入输出(I/O)通道与现场仪表(如变送器、调节阀、开关等)相连，只需通过各自的串行接口与现场总线的H2高速通道相连，再通过H2/H1交换桥与H1现场总线相连，从而实现H1和H2现场仪表之间的通信，对生产过程进行监控和检测。

由于现场总线最底层的现场设备(现场设备和现场仪表)的通信网络集成了现场控制和现场通信的功能，现场总线通信网络的节点为智能变送器(包括温度、压力、流量、料位、过程分析仪等。)和智能执行器。

工业计算机按其控制和管理功能分为基础自动化控制装置和管理计算机，其中基础自动化装置为多极控制。第一级包括分布式控制系统(DCS)、可编程逻辑控制器(PLC)、直接数字控制装置(DDC)和现场总线控制系统(FCS)。过程管理计算机是基础自动化装置的上位机，属于多极控制的第二级。生产管理计算机适用于多极控制的第三至第五阶段。

(4)致动器

执行器又称控制阀，由执行器和阀门组成。根据执行机构的动力源，分为气动控制阀、电动控制阀、液压控制阀和混合控制阀四大类。气动控制阀按其执行机构形式分为隔膜控制阀、活塞控制阀和长行程控制阀。

(5)集中监控装置

集中检测装置是用检测元件或检测器集中显示被测变量或报警接点信号的装置；集中控制装置是根据设定的程序控制一系列测量变量信号到致动器的装置。集中监控装置包括各种数据采集装置、巡回检测装置、信号报警装置、安全检测装置、工业电视、遥控装置和顺序控制装置等。集中监控设备一般分为以下几类:

1.安全监控装置包括可燃气体检测报警装置、有毒气体检测报警装置、火焰监测器、自动点火装置、燃烧安全保护装置、漏油检测装置和高阻检测装置等。

2.工业电视由摄像机及其附属设备(照明、吹扫、冷却装置和电动转盘)、显示器和辅助设备(操作器、分配器、补偿器、开关)等组成。

3.遥控装置接收输入的变量信号，对信息进行处理，在屏幕上显示报警，并向控制终端输出控制信号。

4.信号报警装置包括闪光报警装置、智能闪光报警装置、中继线路报警系统等各种类型的信号报警装置。

5.顺序控制装置包括继电联锁保护系统、逻辑监控装置、顺序控制装置和智能顺序控制器等。

6.数据采集和巡检报警装置包括数据采集装置和巡检报警装置等。

(6)其他设备的自动控制

这类设备主要包括各种(通道式、柜式、框架式、屏式)仪表盘、仪表箱、操作台、保温(保护)箱、电源箱等。

(7)自控材料

自控用材料是指仪表安装所需的材料，种类繁多，如压力管道(无缝钢管、不锈钢管、高压管)、供气管道(镀锌钢管、黄铜管)、气体信号管道(紫铜管、铜管电缆、尼龙管电缆、接线盒)、电气管道材料(焊接钢管、镀锌钢管)、各种管道中的阀门、法兰及管件、自控用电气设备材料等。

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