Контрольно-измерительные приборы - Instrumentation

Приборы - это собирательный термин для средств измерений , которые используются для индикации, измерения и записи физических величин. Термин берет свое начало в искусстве и науке научного приборостроения .

К измерительным приборам могут относиться такие простые устройства, как термометры с прямым считыванием показаний , или такие сложные, как многосенсорные компоненты промышленных систем управления . Сегодня инструменты можно найти в лабораториях, нефтеперерабатывающих заводах, на заводах и в транспортных средствах, а также в повседневном домашнем использовании (например, детекторы дыма и термостаты ).

История и развитие

Местная приборная панель на паровой турбине

Историю приборостроения можно разделить на несколько этапов.

Доиндустриальный

Элементы промышленного приборостроения имеют долгую историю. Весы для сравнения веса и простые указатели для указания положения - это древние технологии. Некоторые из самых ранних измерений относились к времени. Одни из самых старых водяных часов были найдены в гробнице древнеегипетского фараона Аменхотепа I , похороненной около 1500 г. до н. Э. В часы были внесены улучшения. К 270 г. до н.э. у них уже были зачатки устройства автоматической системы управления.

В 1663 году Кристофер Рен представил Королевскому обществу проект «погодных часов». На рисунке показаны метеорологические датчики, перемещающие ручки по бумаге, приводимые в движение часовым механизмом. Такие устройства не стали стандартом в метеорологии за два столетия. Концепция осталась практически неизменной, о чем свидетельствуют пневматические самописцы, в которых перо под давлением вытесняется сильфоном. Интеграция датчиков, дисплеев, записывающих устройств и элементов управления была редкостью до промышленной революции, ограниченной как необходимостью, так и практичностью.

Ранний индустриальный

Эволюция аналоговой сигнализации контура управления от эпохи пневматики к эпохе электроники

Ранние системы использовали прямые технологические соединения с местными панелями управления для управления и индикации, что с начала 1930-х годов ознаменовалось появлением пневматических передатчиков и автоматических трехконтактных контроллеров (PID).

Ассортимент пневматических преобразователей определялся необходимостью управления клапанами и приводами в полевых условиях. Обычно сигнал составлял от 3 до 15 фунтов на квадратный дюйм (от 20 до 100 кПа или от 0,2 до 1,0 кг / см2) в качестве стандарта, был стандартизован с использованием 6–30 фунтов на квадратный дюйм, иногда используемого для более крупных клапанов. Транзисторная электроника позволила заменить проводку проводов, первоначально с диапазоном от 20 до 100 мА при напряжении до 90 В для устройств с питанием от контура, а в более современных системах - от 4 до 20 мА при напряжении от 12 до 24 В. Передатчик представляет собой устройство , которое вырабатывает выходной сигнал, часто в виде 4-20 в  мА электрического тока сигнала, хотя многие другие варианты с использованием напряжения , частоты , давления или Ethernet возможны. Транзистор был коммерческим к середине 1950-х годов.

Приборы, подключенные к системе управления, подавали сигналы, используемые для работы соленоидов , клапанов , регуляторов , автоматических выключателей , реле и других устройств. Такие устройства могут управлять желаемой выходной переменной и обеспечивать возможности удаленного мониторинга или автоматического управления.

Каждая приборная компания представила свой собственный стандартный измерительный сигнал, вызывая путаницу до тех пор, пока диапазон 4–20 мА не стал использоваться в качестве стандартного электронного измерительного сигнала для датчиков и клапанов. Этот сигнал был в конечном итоге стандартизирован как ANSI / ISA S50, «Совместимость аналоговых сигналов для электронных промышленных технологических инструментов», в 1970-х годах. Преобразование измерительных приборов с механических пневматических преобразователей, контроллеров и клапанов в электронные инструменты снизило затраты на техническое обслуживание, поскольку электронные инструменты были более надежны, чем механические инструменты. Это также повысило эффективность и производительность за счет повышения их точности. Пневматика обладала некоторыми преимуществами, предпочитаемыми в агрессивных и взрывоопасных средах.

Автоматический контроль процесса

Пример единого промышленного контура управления, показывающий непрерывно модулируемое управление технологическим потоком

В первые годы управления процессами индикаторы процесса и элементы управления, такие как клапаны, контролировались оператором, который обходил установку, регулируя клапаны для получения желаемых температур, давления и расхода. По мере развития технологий были изобретены и установлены в полевых условиях пневматические контроллеры, которые контролировали процесс и управляли клапанами. Это сократило время, необходимое операторам технологического процесса для наблюдения за процессом. Спустя годы фактические контроллеры были перемещены в центральную комнату, и сигналы были отправлены в диспетчерскую для мониторинга процесса, а выходные сигналы были отправлены на конечный элемент управления, такой как клапан, для регулировки процесса по мере необходимости. Эти контроллеры и индикаторы были закреплены на стене, называемой платой управления. Операторы стояли перед этой доской, ходя взад и вперед, наблюдая за показателями процесса. Это снова уменьшило количество и время, необходимое операторам технологического процесса для обхода блоков. Самый стандартный уровень пневматического сигнала, использовавшийся в те годы, составлял 3–15 фунтов на кв. Дюйм (изб.).

Крупные интегрированные компьютерные системы

Пневматический «трехчленный» пневматический ПИД-регулятор , широко использовавшийся до того, как электроника стала надежной, дешевой и безопасной для использования во взрывоопасных зонах (пример Siemens Telepneu)
Центральная диспетчерская до эры DCS / SCADA. Хотя элементы управления централизованы в одном месте, они по-прежнему дискретны и не интегрированы в одну систему.
Диспетчерская DCS, где информация об установке и средства управления отображаются на экранах компьютерной графики. Операторы сидят и могут просматривать и контролировать любую часть процесса со своих экранов, сохраняя при этом обзор установки.

Управление процессами на крупных промышленных предприятиях прошло много этапов. Первоначально управление будет осуществляться с локальных панелей технологического предприятия. Однако для этого требовались большие людские ресурсы для работы с этими рассредоточенными группами, и не было общего обзора процесса. Следующим логическим шагом стала передача всех заводских измерений в центральную диспетчерскую, где постоянно находился персонал. Фактически это была централизация всех локализованных панелей с преимуществами более низкого уровня персонала и более легкого обзора процесса. Часто контроллеры находились за панелями диспетчерской, и все автоматические и ручные управляющие сигналы передавались обратно на завод.

Однако, обеспечивая централизованное управление, эта компоновка была негибкой, поскольку каждый контур управления имел собственное аппаратное обеспечение контроллера, и для просмотра различных частей процесса требовалось постоянное движение оператора в диспетчерской. С появлением электронных процессоров и графических дисплеев стало возможным заменить эти дискретные контроллеры компьютерными алгоритмами, размещенными в сети стоек ввода / вывода с собственными процессорами управления. Они могут быть распределены по предприятию и сообщаться с графическим дисплеем в диспетчерской или комнатах. Так родилась концепция распределенного управления.

Внедрение DCS и SCADA позволило легко соединить и переконфигурировать средства управления производством, такие как каскадные петли и блокировки, а также легкое взаимодействие с другими производственными компьютерными системами. Он обеспечил сложную обработку аварийных сигналов, ввел автоматическую регистрацию событий, устранил необходимость в физических записях, таких как регистраторы диаграмм, позволил объединить стойки управления в сеть и, таким образом, разместить их локально на заводе, чтобы сократить количество прокладок кабелей, а также обеспечил высокоуровневые обзоры состояния завода и производства. уровни.

заявка

В некоторых случаях датчик является второстепенным элементом механизма. Цифровые камеры и наручные часы могут технически соответствовать свободному определению приборов, поскольку они записывают и / или отображают воспринимаемую информацию. В большинстве случаев ни то, ни другое не называлось бы измерительными приборами, но когда они использовались для измерения прошедшего времени гонки и документирования победителя на финише, оба были бы названы измерительными приборами.

Домашнее хозяйство

Очень простой пример контрольно-измерительной системы - механический термостат , используемый для управления бытовой печью и, таким образом, для регулирования температуры в помещении. Типичный прибор измеряет температуру с помощью биметаллической полоски . Показывает температуру иглой на свободном конце полоски. Он включает печь ртутным выключателем . Когда переключатель поворачивается полоской, ртуть создает физический (и, следовательно, электрический) контакт между электродами.

Другой пример контрольно-измерительной системы - это система домашней безопасности . Такая система состоит из датчиков (обнаружение движения, переключатели для обнаружения открывания дверей), простых алгоритмов обнаружения вторжения, местного управления (постановка / снятие с охраны) и удаленного мониторинга системы, чтобы можно было вызвать полицию. Коммуникация - неотъемлемая часть дизайна.

Для управления кухонной техникой используются датчики.

  • Холодильник поддерживает постоянную температуру за счет включения системы охлаждения, когда температура становится слишком высокой.
  • Льдогенератор делает лед до тех пор, пока не сработает концевой выключатель .
  • Выдвижные тостеры для хлеба позволяют установить время.
  • Неэлектронные газовые печи будут регулировать температуру с помощью термостата, контролирующего поток газа к газовой горелке . Они могут иметь сенсорную лампу, расположенную внутри основной камеры духовки. Кроме того, может быть устройство контроля пламени с защитным отключением : после розжига ручку управления горелкой необходимо удерживать в течение короткого времени, чтобы датчик нагрелся и пропустил поток газа к горелке. Если датчик безопасности становится холодным, это может указывать на то, что пламя на горелке погасло, и для предотвращения постоянной утечки газа поток останавливается.
  • Электрические духовки используют датчик температуры и включают нагревательные элементы при слишком низкой температуре. В более совершенных духовых шкафах вентиляторы будут приводить в действие вентиляторы в ответ на датчики температуры, чтобы распределять тепло или охлаждать.
  • Обычный унитаз наполняет резервуар для воды до тех пор, пока поплавок не закроет клапан. Поплавок действует как датчик уровня воды.

Автомобильная промышленность

Современные автомобили имеют сложное оснащение. Помимо отображения скорости вращения двигателя и линейной скорости автомобиля, есть также отображение напряжения и тока аккумуляторной батареи, уровня жидкости, температуры жидкости, пройденного расстояния и обратной связи различных органов управления (поворотники, стояночный тормоз, фары, положение трансмиссии). Предупреждения могут отображаться для особых проблем (низкий уровень топлива, проверка двигателя, низкое давление в шинах, приоткрытая дверь, отстегнутый ремень безопасности). Проблемы регистрируются, чтобы о них можно было сообщить диагностическому оборудованию . Навигационные системы могут предоставлять голосовые команды для достижения пункта назначения. Автомобильные приборы должны быть дешевыми и надежными в течение длительного времени в суровых условиях. Могут быть независимые системы подушек безопасности , которые содержат датчики, логические схемы и исполнительные механизмы. В тормозных системах противоскольжения используются датчики для управления тормозами, а круиз-контроль влияет на положение дроссельной заслонки. Широкий спектр услуг может быть предоставлен через каналы связи, такие как система OnStar . Были продемонстрированы автономные автомобили (с экзотической аппаратурой).

Самолет

Ранние самолеты имели несколько датчиков. «Датчики пара» преобразовывали давление воздуха в отклонения стрелки, которые можно интерпретировать как высоту и скорость полета. Магнитный компас давал чувство направления. Дисплеи пилоту были так же важны, как и измерения.

Современный самолет имеет гораздо более сложный набор датчиков и дисплеев, которые встроены в системы авионики . Самолет может содержать инерциальные навигационные системы , системы глобального позиционирования , метеорологический радар , автопилоты и системы стабилизации самолета. Для надежности используются резервные датчики. Подмножество информации может быть передано в регистратор аварий, чтобы помочь в расследовании происшествий. Современные пилотные дисплеи теперь включают компьютерные дисплеи, включая проекционные дисплеи .

РЛС управления воздушным движением представляет собой распределенную приборную систему. Заземленная часть передает электромагнитный импульс и принимает эхо (по крайней мере). Самолеты имеют транспондеры, которые передают коды при приеме импульса. Система отображает местоположение самолета на карте, идентификатор и, при необходимости, высоту. Местоположение на карте основано на измеренном направлении антенны и измеренной временной задержке. Другая информация заложена в передачу транспондера.

Лабораторное оборудование

Среди возможных применений этого термина - набор лабораторного испытательного оборудования, управляемого компьютером через шину IEEE-488 (также известную как GPIB для универсальной инструментальной шины или HPIB для инструментальной шины Hewlitt Packard). Имеется лабораторное оборудование для измерения многих электрических и химических величин. Такой набор оборудования можно использовать для автоматизации проверки питьевой воды на наличие загрязняющих веществ.

Параметры измерения

Приборы используются для измерения многих параметров (физических величин). Эти параметры включают:


Регулирующий вентиль

Приборостроение

Контрольно-измерительная часть схемы трубопроводов и контрольно-измерительных приборов будет разработана инженером по КИПиА.

Приборостроение - это инженерная специализация, сфокусированная на принципе и работе измерительных приборов, которые используются при проектировании и настройке автоматизированных систем в таких областях, как электрические и пневматические, а также контроль измеряемых величин. Обычно они работают в отраслях с автоматизированными процессами, таких как химические или производственные предприятия, с целью повышения производительности системы , надежности, безопасности, оптимизации и стабильности. Для управления параметрами в процессе или в конкретной системе используются такие устройства, как микропроцессоры, микроконтроллеры или ПЛК, но их конечной целью является управление параметрами системы.

Приборостроение определяется слабо, потому что требуемые задачи сильно зависят от предметной области. Специалист по биомедицинскому оборудованию лабораторных крыс озабочен совсем другими проблемами, чем эксперт по ракетному оборудованию. Общей проблемой для обоих является выбор подходящих датчиков на основе размера, веса, стоимости, надежности, точности, долговечности, устойчивости к окружающей среде и частотной характеристики. Некоторые сенсоры буквально стреляют артиллерийскими снарядами. Другие чувствуют термоядерные взрывы, пока не будут уничтожены. Данные датчиков обязательно должны записываться, передаваться или отображаться. Скорость записи и емкость сильно различаются. Передача может быть простой или секретной, зашифрованной и маломощной при наличии помех. Дисплеи могут быть банально простыми или могут потребовать консультации со специалистами по человеческому фактору . Дизайн систем управления варьируется от банального до отдельной специальности.

Инженеры по КИП отвечают за интеграцию датчиков с регистраторами, преобразователями, дисплеями или системами управления, а также за создание схемы трубопроводов и КИП для процесса. Они могут спроектировать или указать установку, электропроводку и формирование сигнала. Они могут нести ответственность за ввод в эксплуатацию, калибровку, тестирование и техническое обслуживание системы.

В исследовательской среде специалисты в предметной области обычно обладают значительными знаниями в области инструментальных систем. Астроном знает структуру Вселенной и многое о телескопах - оптике, наведении и камерах (или других чувствительных элементах). Это часто включает в себя с трудом добытые знания операционных процедур, которые обеспечивают наилучшие результаты. Например, астроном часто знаком с методами сведения к минимуму температурных градиентов, вызывающих турбулентность воздуха внутри телескопа.

Технологи, техники и механики КИПиА специализируются на поиске и устранении неисправностей, ремонте и техническом обслуживании приборов и контрольно-измерительных систем.

Типичные типы сигналов промышленных передатчиков

  • HART - сигнализация данных, часто наложенная на токовую петлю
  • Profibus - передача данных

Влияние современного развития

Ральф Мюллер (1940) заявил: «История физической науки - это в значительной степени история инструментов, и их разумное использование хорошо известно. , и в некоторых случаях для этой цели приходилось изобрести новые инструменты. Мало свидетельств того, что разум современного человека превосходит разум древних. Его инструменты несравненно лучше ».

Дэвис Бэрд утверждал , что существенное изменение связано с Floris Коэн ' идентификации х „четвертой крупной научной революции“ после Второй мировой войны является разработка научных приборов, а не только в химии , но по науке. В химии появление нового оборудования в 1940-х годах было «не чем иным, как научно-технической революцией», в ходе которой были отброшены классические мокрые и сухие методы структурной органической химии и открылись новые области исследований.

Еще в 1954 году У. А. Уайлдхак обсуждал как продуктивный, так и разрушительный потенциал, присущий управлению технологическими процессами. Возможность делать точные, проверяемые и воспроизводимые измерения природного мира на уровнях, которые ранее не наблюдались, с использованием научных инструментов, «обеспечила другую структуру мира». Эта революция в области оборудования коренным образом меняет способности человека контролировать и реагировать, как показано на примерах мониторинга ДДТ и использования УФ-спектрофотометрии и газовой хроматографии для мониторинга загрязнителей воды .

Смотрите также

использованная литература

внешние ссылки