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控制装置与仪表的分类及发展
发布时间:2015-05-23   点击次数:686次

一、控制装置与仪表的分类 


控制装置与仪表功能品种繁多,其分类方法也很多,根据不同原则可以进行不同的分 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(应用较 少);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置;按仪表安装 形式,可以分为现场仪表、盘装仪表和架装仪表;随着微处理器的发展,根据仪表有否引入 微处理器又可以分为智能仪表与非智能仪表;根据仪表信号的形式可以分为模拟仪表和数字 仪表。 


1.按照仪表使用功能分类 


根据仪表在信息传递过程中的作用不同,可以分为以下五大类: 


(1) 检测仪表 


检测仪表的主要作用是获取现场信息,并进行适当的转换。在生产过程中,检测仪表是 测量某一些工艺参数,如温度、压力、流量、物位以及物料的成分等,并将其转换成电信号 (电压、电流、频率等)。 


(2) 显示仪表 


显示仪表的作用是将由检测仪表获得的信息显示出来,包括各种模拟量、数字量的电 动、气动指示仪、记录仪和积算器,以及工业电视、图像显示器等。 


(3) 集中控制装置 


包括各种巡回检测仪、巡回控制仪、数据处理机、电子计算机以及仪表控制盘和操作台等。 


(4) 控制仪表 


控制仪表可以根据需要对输入的信号进行各种运算,例如比例、积分、微分等。控制仪表包括各种电动、气动的控制器以及数字控制仪表。 


(5)执行器 


执行器可以接受控制仪表的输出信号或直接指令,对生产过程进行操作或控制。执行器 包括各种气动、电动、液动执行机為或控制阀。 


2. 按照仪表工作能源分类 


按使用的能源,仪表可以分为气动仪表、电动仪表和液动仪表。目前,常用的是前面两种。 


(1) 气动仪表 


这种类型的仪表以空气作为能源,结构简单,工作比较可靠,对于温度、湿度、电磁 场、放射性等环境的抗干扰能力较强,能防火、防爆。 


(2) 电动仪表 


这种仪表以电作为能源,信号之间比较方便,适于远距离传输和控制,便于与计算 机连接。电动仪表在防火、防爆方面取得了较大进展,更有利于电动仪表的安全使用。 


3. 按照仪表结构形式分类 


按照仪表的结构形式可以分为基地式控制仪表、单元组合式控制仪表、组件组装式控制 仪表、集散/分散式仪表等。 


(1) 基地式控制仪表 


基地式控制仪表以指示、记录仪表为主体,附加某些控制机构,即将检测、控制、显示 功能设计在一个整体内。该类仪表一般结构比较简单,价格便宜。它不仅能对某些工艺变量 进行指示或记录,而且还具有控制功能,因此它安装简单、使用方便,但一般通用性差,只 适用于小规模、简单控制系统。目前常使用的XCT系列动圈式控制仪表和TA系列简易式调节器均属此类仪表。 


(2) 单元组合式控制仪表 


单元组合式控制仪表是将整套仪表划分为能独立实现一定功能的若干单元,各单元之间 采用统一信号进行。使用时可根据控制系统的需要,对个单元进行选择和组合,从而构 成多种多样的、复杂程度各异的自动检测和控制系统。其特点是使用灵活,通用性强,使 用、维护工作也很方便。它适用于各种企业的自动控制。广泛使用的单元组合式控制仪表有电动单元组合仪表(DDZ型)和气动单元组合仪表 ((2型)。 


单元的种类有变送单元、执行单元、控制单元、转换单元、运算单元、显示单元、给定 单元和辅助单元等。 


1) 变送单元。它能将各种被测参数,如温度、压力、流量、液位等物理量变换成相应 的标准统一信号(4~20mA,0?10mA或20~100kPa)传送到接收仪表或装置,以供指示、 记录或控制。变送单元包括温度变送器、压力变送器、差压变送器、流量变送器、液位变送器等。 


2) 转换单元。转换单元将电压、频率等电信号转换成标准统一信号,或者进行标准统 一信号之间的转换,以使不同信号可以在同一控制系统中使用。转换单元包括:直流毫伏转换器、频率转换器、电/气转换器、气/电转换器等。 


3) 控制单元。控制单元是将来自变送单元的测量信号与给定信号进行比较,按照偏差给出控制信号,去控制执行器的动作。控制单元包括:比例积分微分控制器、比例积分控制器、微分控制器以及具有特种功能 的控制器等。 


4) 运算单元。运算单元是将!TL个标准统一信号进行加、减、乘、除、开方、平方等运 算,适用于多种参数综合控制、比值控制、流量信号的温度压力补偿计算等。运算单元包括:加法器、乘除器和开方器等。 


5) 显示单元。显示单元是对各种被测参数进行指示、记录、报警和积算,供操作人员 监控系统工况使用。显示单元包括:指示仪、记录仪、比例积算器、报警器等。 


6) 给定单元。它将输出标准统一信号,作为被控变量的给定值送到控制单元,实现定 制控制。给定单元包括:恒流给定器、定制器、比值给定器和时间程序给定器等。 


7) 执行单元。执行单元是按照控制单元输出的控制信号去改变控制量大小。执行单元包括:角行程电动执行器、直行程电动执行器和气动薄膜调节阀等。 


8) 辅助单元。辅助单元是为了满足自动控制系统某些要求而增设的仪表,如发信、切 换、遥控等。辅助单元包括:操作器、阻尼器、限幅器、安全栅等。 


(3) 组件组装式控制仪表 


组件组装式控制仪表是一种功能分离、结构组件化的成套仪表(或装置)。它以模拟器 件为主,兼用模拟技术和数字技术。整套仪表(或装置)在结构上由控制柜和操作台组成, 控制柜内安装的是具有各种功能的组件板,采用高密度安装,结构紧凑。这种控制仪表 (或装置)特别适用于要求组成各种复杂控制和集中显示操作的大、中型企业的自动控制系统。国产的TF型、MZ-m型以及SPEC200等组装仪表均属此类控制仪表。 


(4) 集散/分散式仪表 


集散/分散式仪表以计算机或微处理器为其核心部件,经历了集中型计算机控制、集散 型计算机控制和基于现场总线的分布式计算机控制等三个发展阶段。在前两个阶段中,测量 变送与执行单元仍采用模拟式仪表,只是调节单元采用数字式仪表,即数字调节器、可编程 序控制器或工业控制机,因而属于模拟、数字混合式仪表。而在基于现场总线的分布式计算 机过程控制中,由于采用了全数字式、双向传输、多分支结构的通信网络,数字通信一直延 伸到现场,其通信协议按规范化、标准化和公开化进行设计,使各种控制系统通过现场总线 不但实现了互联、互换、互操作等,而且能方便地实现集中管理和信息集成。 


4.按照使用场合分类 


按照仪表的使用场合,大致可分为室内仪表和室外仪表。在使用的过程中,根据生产过 程的特点,一般情况下会涉及仪表的防护、防火、防爆、防雷和防腐等问题。比如防爆的问 题,就是要选择正确的防爆措施,即采用本质安全型(Intrinsic Safety,简称本安)还是隔 爆型等。显示仪表可分为记录仪表和指示仪表、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(指示也可以有单点和多点)。调节仪表可以分为基地式调节仪表和单元组合式调节仪表。由于微处理器引人,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。 


二、控制装置与仪表的发展 


早在机械化时代,人们用机械代替体力劳动,就开始有了自动化仪表,当时发明的锅炉 水位调节器和蒸汽机离心式调速器曾促进和推动了*次工业革命。随后,人们为了减轻体 力劳动,逐步研制出了各种检测控制仪表作为“耳目"与“手足",帮助人们观察和操纵生 产设备,使生产过程逐步实现自动化,从而进入了自动化时代。随着电子技术和计算机技术 的迅速发展,人们又研制出能够模仿“头脑"并具有记忆和分析判断能力的“智能"仪表, 这样不仅延伸和扩展了 “耳目"和“手足"的功能,还减轻并代替了人的部分脑力劳动, 从而进入智能化时代。 


控制装置与仪表在实际的工业生产过程应用中,经历了气动仪表、电动仪表以及数字式 仪表等发展阶段。控制系统的结构则经历了模拟电气动组合仪表控制、直接数字控制、数字 调节器控制、分散控制系统、现场总线控制系统。控制系统的操作形式由zui初的基地式现场 操作到中央控制室的仪表盘操作,进而发展到图形化集中式操作。 


随着自动化程度的不断提高,人们对自动化仪表的功能也提出了更高的要求。因此对于 自动化仪表的发展而言,数字化、智能化、系统化是其今后的主要发展方向。具体表现在以 下几个方面: 


1) 仪表和系统的信号从模拟方式向数字方式转变。 


2) 仪表设计采取功能组件方式,结构趋向模块化,便于仪表控制系统的组合和发展多 样化产品。 


3) 积极应用电子技术和微计算机技术,代替仪表中的传统机械结构和操作控制,发展 性能优异的智能化新型仪表。 


4) 采用新材料和新型传感元件,研制新一代物性型传感器、数字式传感器和智能式变 送器。 


5) 改进各类执行器的传统结构设计,提高调节阀性能,实现小型轻量化。研制多功 能、适合特殊场合使用的调节阀和阀门定位器及转换器,发展数字式执行器。 


6) 研制综合控制管理系统,即研制由过程控制、电气控制、监督控制、优化决策和生 产管理集成化的综合控制管理系统。 

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