自动化仪器仪表的发展趋2.doc

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自动化仪器仪表的发展趋势及分类

工业自动化仪表是在工业生产过程中，在无人操作的情况下对工艺参数进行检测、显示、记录或控制的仪表，又称工业仪表或（工业）过程检测控制仪表。

工艺生产过程的检测是了解和控制工业生产的基本手段，只有在任何时刻都能准确地了解工艺过程的全貌，并进行控制，才能保证生产过程顺利，并以高的生产率、小的消耗生产出合格的产品。

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历史

工业仪表最早出现在20世纪30年代，最初只用于化工、石油炼制、热能动力和冶金等连续性的热力生产过程，因此当时称为热工仪表。

当时的工业仪表的结构形式主要是机械式或液动式，仪表体积较大，只能实现就地检测、记录和简单的控制。

　　到了30年代末和40年代初，出现了气动仪表，并使用了统一的压力信号，遂有了带远程发送器的仪器。

它能在远距离外的二次仪表上重现读数，从而能集中在中心控制室进行检测、记录和控制。

50年代又出现电动式的动圈式毫伏计、电子电位差计电气机械式调节器和整套的电子管调节仪表。

　　80年代出现的组装式电子综合控制装置，将仪表和生产自动控制系统有机地结合在了一起。

工业仪表的发展促进工业生产的自动化，已成为工业生产中不可缺少的自动化工具。

在自动化装置方面，伴随着自动化水平不断提高，实现自动化的工具也同样在不断地更新换代。

20世纪70年代中期的DDZ-Ⅲ型仪表，以集成运算放大器为主要放大元件，24VDC为能源，采用国际标准信号制4-20mADC为统一标准信号的组合型仪表,大大增强了仪表功能,其现场仪表为安全火花型防爆仪表,配上安全栅可构成安全火花防爆系统,至今一些中小型企业及大企业的部分装置仍在使用。

20世纪80年代后，出现了DDZ-S型智能式单元组合仪表，它以微处理器为核心，能源、信号都与DDZ-Ⅲ型相同，其可靠性、准确性、功能等都远远优于DDZ-Ⅲ型仪表。

新型智能传感器和控制仪表的问世，使仪表与计算机之间的直接联系极为方便。

同期，也开始引进和生产以微型计算机为核心、控制功能分散、显示操作集中，集控制、管理于一体的分散型控制系统（DCS）。

同时，可编程序控制器（PLC）的应用也从逻辑控制领域向过程控制领域拓展，以其优良的技术性能和良好的性能价格比在过程控制领域中占据了一席之地。

此外，现场总线（FieldBus）这种用于现场仪表与控制系统和控制室之间的一种开放式、全分散、全数字化、智能、双向、多变量、多点、多站的通信系统，使现场设备能完成过程的基本控制功能外，还增加了非控制信息监视的可能性，越来越来受到控制人员的欢迎。

可以说，随着生产装置的大型化和对生产过程的强化，自动化得到了广泛深入的应用，成为现代化工生产中不可缺少的组成部分。

自动化是提高社会生产力的有力工具之一。

实现生产过程自动化的主要目的如下。

1、加快生产速度、降低生产成本，提高产品的产量和质量。

在人工操作的生产过程中，由于人的五官、手、脚对外界的观察与控制的精确度和速度是有一定限度的，而且由于体力关系，人直接操纵设备的力量也是有限的。

如果用自动化装置代替人的操纵，则以上情况可以得到避免和改善，并且通过自动控制系统，使生产过程在最佳条件下进行，从而可以大大加快生产速度，降低能耗，实现优质高产。

2、减轻劳动强度，改善劳动条件。

多数化工生产过程是在高温、高压或低温低压下进行，还有的是易燃、易爆或有毒、有腐蚀性、有刺激性气味。

实现了生产过程自动化，工人只要对自动化装置的运转进行监控，而不需要再直接从事大量而又危险的现场操作。

3、能够保证生产安全，防止事故发生或扩大，达到延长设备使用寿命、提高设备利用率、保障人身及设备安全的目的。

4、生产过程自动化的实现，能根本改变劳动方式，提高工人文化技术水平，以适应当代信息技术革命和信息产业革命的需要。

自动化系统及仪表的分类

要保证产品质量，保证生产正常、安全、高效、低耗地进行，就要将影响产品质量和生产过程的压力（P）、物位（L）、流量（F）、温度（T）及物质成分（A）等几大热工参数控制在规定的范围内，就要在生产过程中构成各种自动化系统，包括自动化检测系统、自动操作及自动开停车系统、自动信号和联锁保护系统以及自动控制系统，来实现对相应的工艺参数进行检测、指示或记录，对某些重要参数进行自动控制，或对一些关键的生产参数进行自动信号报警与联锁保护，或按预先规定的步骤，自动地对生产设备进行周期性操作等。

在生产过程中要构成各种自动化系统，就需要各种自动化装置来测量、操纵有关参数，这就是自动化仪表，其种类繁多，功能不同，结构各异，从不同的角度可以有不同的分类方法。

（1）按功能分类

可分为检测仪表、显示仪表、控制仪表和执行器。

①检测仪表包括各种参数的检测元件、传感器和变送器。

②显示仪表有模拟量和数字量及屏幕显示形式。

③控制仪表包括气动、电动控制仪表和计算机控制装置。

④执行器有气动、电动、液动等类型。

习惯上，常将显示仪表列入检测仪表范围，将执行器列入控制仪表范围，在后续章节里将分别予以介绍。

（2）按使用的能源分类

可分为气动仪表和电动仪表。

①气动仪表以压缩空气为能源，性能稳定，可靠性高，防爆性能好，结构简单，特别适合于石油、化工等有爆炸危险的场所。

但气信号传输速度慢，传送距离短，仪表精度低，不能满足现代化（尤其是数字化）生产的要求，因此较少使用。

但由于其天然的防爆性能，使气动薄膜调节阀的应用仍然非常广泛。

②电动仪表以电为能源，信息传递快，传送距离远，是实现远距离集中显示和控制的理想仪表。

（3）按结构形式分类

可分为基地式仪表、单元组合仪表、组件组装式仪表等。

①基地式仪表集检测、显示、记录和控制等功能于一体。

功能集中，价格低廉，比较适合于单参数的就地控制系统。

②单元组合仪表是根据检测系统和控制系统中各组成环节的不同功能和使用要求，将整套仪表划分成能独立实现一定功能的若干单元（一般可分为变送、控制、显示、执行、设定、计算、辅助、转换8大单元），各单元之间采用统一信号进行联系，其中，气动仪表标准信号为0.02～0.1ＭＰａ，电动仪表标准信号为４～２０ｍＡＤＣ（ＤＤＺ－Ⅱ为０～１０ｍＡＤＣ）。

使用时，可根据控制系统的不同要求，对各单元进行选择和组合，从而构成多种多样的、复杂程度各异的检测系统和控制系统。

单元组合仪表也称作积木式仪表，这8个单元为：

变送单元（B）用来检测各种工艺参数，如压力、流量、液位、温度等，并将它们转换成统一标准信号，传送给其他单元，也称为变送器。

控制单元（T）将变送单元送来的测量信号与设定的信号相比较，得出偏差信号，根据这个偏差的大小与正负，按一定的控制规律向执行单元发出控制信号，也称控制器。

显示单元（Ｘ）用来显示或记录被测量或被控制参数的数值，如各种指示仪、记录仪、记录控制仪等。

计算单元（Ｊ）用来对各单元输出的统一信号进行各种数学运算，如加、减、乘、除、开方等。

设定单元（G）用来提供控制单元所需的设定值，如果设定值是随时间有规律地变化，就可以实现时间程序控制。

转换单元（Ｚ）用来实现气信号和电信号的相互转换，这样就可以把气动表和电动表联系起来使用，以扩大仪表的使用范围。

辅助单元（F）在自动控制系统中起着各种辅助作用，完成各种辅助的工作，如发讯、切换、遥控等。

执行单元（K）它根据电动控制器来的控制信号或手控信号，操纵各种管路上的阀门，以达到控制的目的。

在气动单元组合仪表中不单独设执行单元，这是因为气动薄膜控制阀等气动执行器可以与其他非QDZ表通用，属于一般的仪表。

③组件组装式仪表是一种功能分离、结构组件化的成套仪表（或装置）。

（4）按信号形式分类

可分为模拟仪表和数字仪表。

①模拟仪表的外部传输信号和内部处理信号均为连续变化的模拟量（如4～20mA电流，1～5V电压等），如单元组合仪表均属模拟仪表。

②数字仪表的外部传输信号有模拟信号和数字信号两种，但内部处理信号都是数字量（0,1），如可编程控制器等。

自动检测系统概述

利用各种仪表对生产过程中主要工艺参数进行测量，并能自动指示或记录的系统，成为自动检测系统。

它代替了操作人员对工艺参数的不断观察与记录，起到对过程信息获取与记录的作用，在生产过程自动化中这是最基本的也是十分重要的内容。

自动检测系统中主要的自动化装置为敏感元件、传感器与显示仪表。

敏感元件也称检测元件，他的作用是对被测的参数做出响应，把它转换为适合测量的物理量。

例如可用孔板将流量转换为差压信号，用热电偶将温度转换为电（毫伏）信号。

传感器可以对检测元件输出的物理量信号作进一步信号转换。

当转换后的信号为标准的统一信号（如0～10mA、4～20mA、0.02～0.1MPa等）时，此时的传感器一般称为变送器。

显示仪表的作用是将检测结果以指针位移、数字、图像等形式，准确地指示、记录或储存，使操作人员能正确了解工艺操作情况和状态。

自动信号联锁保护系统概述

自动信号联锁保护系统是生产过程中的一种安全装置。

生产过程中，有时因一些偶然因素的影响，导致工艺参数超出允许的变化范围而出现异常情况时，就有可能引起事故。

为此，常对某些关键性参数设有自动信号联锁保护装置。

当工艺参数超过了允许范围，在事故即将发生以前，信号系统就自动地发出声光信号警报，提醒操作人员注意，并及时采取措施。

如工况已到达危险状态，联锁系统立即自动采取紧急措施，打开安全阀或切断某些通路，必要时紧急停车，以防止事故的发生和扩大。

在一个强化的生产过程中，事故常常会在几秒钟内发生，由操作人员直接处理是根本来不及的，自动联锁保护系统可以圆满地解决这类问题。

自动信号联锁保护系统主要由检测元件、执行元件和逻辑元件组成。

检测元件主要包括工艺参数或设备状态检测接点、控制盘开关、按钮、选取择开关及操作指令等，主要起参数检测和发布指令的作用，这些元件的通断状态也就是系统的输入信号。

执行元件也叫输出元件，主要包括报警显示元件（灯、笛等）和操纵设备的执行元件（电磁阀、电动机、启动器等），这些元件由系统的输出信号驱动。

逻辑元件又叫中间元件，它们根据输入信号进行逻辑运算，并向执行元件发出控制信号，逻辑元件以前多采用有触点的继电器、接触器线路和无触点的晶体管、集成电路等，近些年来广泛采用PLC、DCS和ESD系统（EmergencyShutdownDevice紧急停车系统。

这种专用的安全保护系统独立于集散控制系统，其安全级别高于DCS）。

除执行环节外，其他环节基本上都由带电接点的检测仪表、继电器的线圈及其常开、常闭触点或延时触点及按钮、信号灯、音响器（电铃、蜂鸣器）等部分根据需要组成。

在联锁系统中，执行环节的作用是按照系统发出的指令完成自动保护任务。

常用的执行环节为电磁阀、电动阀、气动阀和磁力启动器等。

自动信号联锁保护电路按其主要构成元件的不同，可分为有触点式和无触点式两类（有时可采用混合式）。

有触点式电路是由各种继电器、按钮、开关等电器组成的继电线路，是依靠各种电器的触点开合来完成电路的通断和切换。

无触点式电路是利用由二极管、晶体管以及集成电路等电子器件构成的具有一定功能的电子线路，利用电子器件的导通或阻断特性来实现自动信号报警和联锁保护作用。

随着电子技术和计算机技术的不断发展，自动信号联锁保护系统可以利用更为先进的可编程序控制器（PLC）来实现，比起传统的电路来说，它具有操作方便、应用灵活、安全可靠和维修简单等优点。

自动化仪表目前发展趋势

仪表是在工业生产过程中，对工艺参数进行检测、显示、记录或者控制的基础。

随着工业的发展，对仪表控制系统提出了更高的要求，电动仪表逐步向数字化、智能化方向发展，计算机系统向网络化、开放化发展，新一代的仪表主要特点是智能化和数字化。

实现自动校零、线性化、补偿环境因素变化等功能，甚至包括模型运算和人工智能的应用，使自动控制的精度等到进一步提高。

在仪表调节回路，除一般的比例、积分、微分调节规律外，人们正在研究前馈、大滞后、非线性、相关和计算值调节等技术，以适应多回路自动化系统的需要。

将极大地方便仪表的安装调试工作的维护工作。

自动化仪表发展趋势是：

①、控制目标由实现过程工艺参数的稳定运行发展为以最优质量为指标的最优控制。

　　②、控制方法由模拟的反馈控制发展为数字式的开环预测控制；由传统的手动定值调节器、PID调节器以及各种顺序控制装置，发展为以微型机构成的数字调节器和自适应调节器。

　　自动化技术的发展趋势是系统化、柔性化、集成化.智能化.网络化。

自动化技术不断提高光电子、自动化控制系统、传统制造等行业的技术水平和市场竞争力，它与光电子、计算机、信息技术的融合和创新，不断创造和形成新的行业经济增长点，同时不断提供新的行业发展的管理战略哲理。