Инструменты промышленной автоматизации представлены в широком разнообразии. В зависимости от процесса получения, передачи, отражения и обработки информации они подразделяются на пять основных типов: (1) Приборы обнаружения; (2) Индикаторные приборы; (3) Приборы контроля; (4) Приводы; (5) Устройства централизованного мониторинга и управления.
(I) Приборы обнаружения
Во время производственных процессов температура, давление, скорость потока, уровень и другие физические величины сред внутри оборудования и трубопроводов постоянно колеблются и постоянно изменяются. Приборы обнаружения используются для измерения мгновенных значений этих физических величин.
В зависимости от конкретных измеряемых параметров процесса приборы обнаружения можно разделить на следующие категории.
1. Температурные приборы:К распространенным приборам для измерения температуры относятся стеклянные термометры, биметаллические термометры, термометры давления- (баллонные), температурные переключатели, термопары, термометры сопротивления (RTD), а также радиационные термометры, такие как радиационные пирометры, оптические пирометры и фотоэлектрические колориметрические пирометры.
2. Приборы давления:Приборы для измерения давления определяют давление, вакуум и перепад давления. По принципу действия к ним относятся: - Манометры эластичные (далее классифицируемые по упругим элементам: манометры с трубкой Бурдона, манометры мембранные, манометры капсульные, реле давления и т.п.); - Манометры сенсорного-типа давления (например, резистивные, емкостные, индуктивные, манометры с эффектом Холла-); манометры столба жидкости (например, манометры с U-трубкой, прямой-трубкой, наклонной-трубкой); и высокоточные-поршневые манометры, обычно используемые для калибровки стандартных манометров.
3. Расходомеры:Приборы для измерения расхода имеют множество разновидностей, наиболее широко используемыми в настоящее время являются дроссельные устройства, работающие в паре с датчиками расхода при перепаде давления. К обычным дросселирующим устройствам относятся диафрагмы, сопла и трубки Вентури. Другие распространенные расходомеры включают водомеры, ротаметры, расходомеры с овальной шестерней, целевые расходомеры, электромагнитные расходомеры, вихревые расходомеры, расходомеры Annubar и массовые расходомеры.
4. Инструменты уровня:Уровнемеры в первую очередь измеряют уровень жидкости в башнях, резервуарах или резервуарах; граница раздела двух жидкостей разной плотности; или уровень твердых материалов. Наиболее распространенными указателями уровня жидкости являются указатели уровня со стеклянной трубкой и указатели уровня со стеклянной пластиной. К другим относятся уровнемеры дифференциального давления и уровнемеры поплавкового типа- (такие как поплавковые указатели уровня, переключатели уровня, указатели уровня с поплавковой камерой, буйковые указатели уровня, указатели уровня со стальной лентой и приборы для измерения уровня в резервуарах). К приборам для определения уровня твердых материалов относятся резистивные уровнемеры, емкостные уровнемеры, переключатели уровня, весовые датчики уровня-типа, камертонные уровнемеры, ультразвуковые уровнемеры и радиоактивные уровнемеры.
5. Инструменты анализа компонентов:Приборы компонентного анализа используются для проверки состава технологической среды и определения содержания конкретных компонентов (или нескольких компонентов вплоть до полного состава). По принципу действия к ним относятся электрохимические анализаторы (например, кондуктометры, промышленные pH-метры, циркониевые анализаторы), термические анализаторы (например, анализаторы теплопроводности, термохимические анализаторы, инфракрасные анализаторы), магнитные анализаторы, фотоэлектроколориметры, масс-спектрометры и промышленные газовые хроматографы.
При установке онлайн-анализаторов компонентов обычно требуется предварительная обработка пробы, чтобы гарантировать, что такие параметры, как состояние пробы, температура, давление и скорость потока, соответствуют условиям эксплуатации прибора. Это требует наличия системы трубопроводов, включающей такие компоненты, как фильтры, пылесборники, сушильные камеры, охладители, ротаметры, водяные затворы, клапаны и трубопроводы для общей предварительной обработки проб. Для особых сред (например, пробы дымовых газов, пробы высокотемпературных печных газов, пробы для анализа тяжелой нефти, пробы для коррозионно-активных компонентов и пробы для мониторинга окружающей среды) система предварительной-обработки проб более сложна. Такие предварительно-системы предварительной-очистки отбора проб называются установками предварительной-очистки отбора проб.
Кроме того, некоторые приборы для измерения физических свойств,-такие как влагомеры, гигрометры, плотномеры, измерители концентрации, измерители мутности и вискозиметры-часто относят к приборам для анализа компонентов.
6. Механические количественные приборы:Обычно используемые промышленные механические измерительные приборы включают толщиномеры, детекторы теплового расширения, детекторы напряжения, детекторы отклонения, а также устройства для обнаружения вибрации вала, смещения вала и скорости вращения во вращающихся машинах (таких как большие паровые турбины и компрессоры). Они также включают в себя устройства для взвешивания (например, электронные конвейерные весы, детекторы отклонения и проскальзывания ленты, индикаторы взвешивания и системы взвешивания в мешках).
(II) Индикаторные инструменты
Эти приборы предназначены для дополнения приборов обнаружения путем индикации или регистрации мгновенных значений измеряемых параметров. Примеры включают индикаторы с подвижной-катушкой, такие как измерители отношения и милливольтметры для целей индикации, цифровые дисплеи, а также электронные потенциометры или электронные балансовые мосты для индикации или записи температуры (электронные потенциометры и балансировочные мосты также можно комбинировать с электрическими или пневматическими регуляторами для создания составных приборов). Кроме того, они включают в себя суммирующие приборы с возможностью накопления расхода.
(III) Инструменты контроля
Приборы управления как получают сигналы измерений от приборов обнаружения процесса и датчиков для отображения, так и выдают регулирующие сигналы для управления работой исполнительных механизмов (приводов и регулирующих клапанов), образуя замкнутую-систему управления.
В зависимости от типа сигнала инструменты управления можно разделить на аналоговые и цифровые.
1. К аналоговым приборам управления относятся приборы, монтируемые на основание-, комбинированные приборы (пневматические/электрические) и модульные приборы.
(1) Комбинированные приборы подразделяются на отдельные блоки в зависимости от их функций в системе управления. Каждый блок существует независимо и может свободно комбинироваться для формирования различных систем обнаружения и регулирования, обеспечивая гибкую и удобную конфигурацию системы. Для передачи сигналов между устройствами используются стандартизированные аналоговые сигналы. Комбинированные инструменты широко использовались с 1950-х до начала 1970-х годов. Они представляют собой действительно функционально распределенные инструменты, где один инструмент выполняет определенную необходимую функцию.
Следует отметить, что передающие блоки в составе блочных комбинированных приборов (кроме датчиков температуры) функционально относятся к категории приборов детектирования.
Комбинированные инструменты подразделяются на пневматические и электрические типы в зависимости от источника рабочей энергии.
Комбинированные инструменты с пневматическими блоками: они произошли от более ранних пневматических инструментов. В качестве источника рабочей энергии в них используется сжатый воздух с давлением 0,14 МПа, а в качестве стандартизованного сигнала — сжатый воздух с давлением 0,02–0,1 МПа. Именно потому, что их рабочая энергия и передача сигналов зависят от сжатого воздуха, пневматические устройства по своей сути обеспечивают взрывобезопасную-защиту при использовании на нефтеперерабатывающих и химических производствах. Их недостатком является то, что передача пневматического сигнала обычно ограничивается расстояниями менее 150 метров. Когда расстояния передачи превышают этот предел, возникают задержки распространения сигнала, влияющие на чувствительность дисплея и регулирования.
Пневматические блочные комбинированные приборы включают в себя следующие агрегатные приборы:
а. Модули трансмиттеров (т. е. датчики) включают датчики давления, датчики перепада давления, датчики расхода-целевого типа, датчики расхода со встроенными-диафрагмами, одно- или двухфланцевые датчики перепада давления (уровня), внутренние (или внешние) поплавковые датчики уровня и датчики температуры.
б. Индикаторные устройства, такие как цветные-ленточные индикаторы, столбчатые индикаторы, многострелочные-индикаторы, самописцы и сумматоры.
в. Блоки управления, включая контроллеры индикации, контроллеры регистрации, каскадные контроллеры и пропорциональные (интегральные, производные) контроллеры.
д. Вычислительные единицы, такие как сумматоры, множители, делители и калькуляторы соотношений.
е. Приборы с блоками уставок: контроллеры уставок,-программируемые по времени контроллеры уставок и т. д.
ф. Вспомогательные устройства: пневматические приводы (типа Q-, приводы ручного/автоматического переключения, селекторы высокого/низкого-значения, реле, переключатели, ограничители, регуляторы соотношения, распределители нагрузки, фильтры высокого-расхода-регулирующие клапаны и т. д.
Комбинированные приборы с электрическими агрегатами: Комбинированные приборы с электрическими агрегатами работают от постоянного тока. Благодаря обновлению основных электронных компонентов эти приборы прошли три стадии разработки: Тип I (ламповые схемы), Тип II (транзисторные схемы) и Тип III (линейные интегральные схемы). В настоящее время типы I и II сняты с производства и больше не используются. Приборы типа III по-прежнему широко применяются на предприятиях нефтепереработки и химического производства. Обсуждаемые здесь комбинированные электроприборы относятся исключительно к типу III. Приборы типа III работают от источника питания 24 В постоянного тока. Для передачи сигналов между отдельными приборами в диспетчерской используются сигналы напряжения постоянного тока 1–5 В, а для связи между приборами диспетчерской и установленными на месте передатчиками, регулирующими клапанами и приводами используются сигналы постоянного тока 4–20 мА. Чтобы соответствовать разнообразным требованиям по -взрывобезопасности, датчики,-устанавливаемые на месте, и связанные с ними устройства ввода/вывода в диспетчерской (такие как предохранительные держатели и защитные барьеры) классифицируются как взрывозащищенные или искробезопасные. Кроме того, благодаря развитию технологий промышленного компьютерного управления в последние годы появились интеллектуальные устройства на базе микропроцессора-, представляющие собой новое поколение электрических устройств.
Электроблочные комбинированные приборы состоят из следующих узлов:
а. Модули преобразователей (т. е. датчики) включают в себя датчики давления, датчики перепада давления, датчики расхода целевого-типа, датчики расхода со встроенными-диафрагмами, одно- или двухфланцевые датчики перепада давления (уровня), внутренние (или внешние) поплавковые датчики уровня, датчики температуры (или перепада температуры), интеллектуальные датчики давления и интеллектуальные датчики перепада давления. передатчики.
б. Приборы для отображения, такие как индикаторы с одним (двойным) указателем, индикаторы с цветными полосами, сигнализация с одним (двойным) указателем, самописцы с одним (двойным) пером, самописцы с многоточечными индикаторами, пропорциональные (квадратные) сумматоры и т. д.
в. К приборам блока управления относятся индикаторные контроллеры, резервные контроллеры SPC/DDC, многоканальные контроллеры отслеживания положения клапана, контроллеры специальных функций, интеграторы, дифференциаторы и т. д.
д. Инструменты вычислительных единиц, такие как сумматоры/вычитатели, умножители/делители, калькуляторы квадратных корней и т. д.
е. Приборы преобразовательного блока включают преобразователи сигналов тока, преобразователи импульсов/напряжений, преобразователи частоты/тока, преобразователи импеданса, функциональные преобразователи, электрические/пневматические преобразователи и пневматические/электрические преобразователи.
ф. К устройствам для установки заданных значений относятся устройства для установки постоянного тока, устройства для установки соотношения, устройства для установки процентов, устройства для установки сигналов тревоги, устройства для настройки программ параметров и устройства для настройки временных программ.
г. Вспомогательные устройства включают в себя электрические приводы (типа D-, приводы DDC, держатели безопасности, барьеры безопасности, распределительные устройства, коробки напряжения, переключатели сигналов, изоляторы, инверторы, лифты, демпферы сигналов, реверсивные устройства сигналов, ограничители сигналов и переключатели скорости--изменения.
(2) Модульные интегрированные инструменты управления
Это новая серия в эволюции приборов управления технологическими процессами, также известных как модульные интегрированные блоки управления. Благодаря модульной конструкции сборки он обеспечивает гибкую настройку систем управления технологическими процессами. Внутри он использует систему сигналов постоянного напряжения 0–10 В и может принимать различные пневматические и электрические сигналы (включая ток, напряжение, контакты, импульсы, частоту, энкодеры и т. д.) от приборов обнаружения поля и чувствительных элементов.
Модульные интегрированные блоки управления состоят из следующих приборов и компонентов:
а. Компоненты ввода/вывода:Модули входного преобразования, модули выходного преобразования, модули импульсного преобразования, модули преобразования мВ/В, модули преобразования P/E, модули драйверов накопительной мощности и т. д.
б. Компоненты обработки сигналов:Компоненты буферизации сигналов, компоненты релейной буферизации, компоненты генерации сигналов (компоненты генерации наклона, компоненты синхронизации и т. д.), компоненты аналоговых вычислений (компоненты умножения/деления, компоненты квадратного корня, компоненты сложения, функциональные компоненты, ограничивающие компоненты, компоненты выбора сигнала и т. д.), компоненты суммирования, компоненты сигнализации, логические компоненты.
в. Компоненты управления:Компоненты ПИД (пропорциональные, интегральные, производные компоненты), компоненты динамической компенсации, компоненты отслеживания, компоненты интерфейса с несколькими-выходами, компоненты звукового-визуального управления.
д. Вспомогательные и другие компоненты:Компоненты распределения электроэнергии, компоненты распределения сигналов, коммутационные компоненты, компоненты заданного значения, компоненты реле, компоненты мониторинга.
е. Инструменты отображения и управления:Индикаторы с одним (двойным) указателем, самописцы с одним (двойным) пером, самописцы с тремя (четыреми) перьями, регистраторы трендов, портативные контроллеры, операторы дисплеев управления.
(3) Приборы управления, установленные на базе-
В ходе эволюции приборов промышленной автоматизации от локального обнаружения и отображения к централизованному управлению появился тип приборов, объединяющих функции измерения, отображения и регулирования. Мы называем его регулирующим прибором,-монтируемым на базе, или просто прибором, монтируемым-на базе. Примеры включают регистрирующие-регуляторы записи с пневматическими приводами и некоторые местные регуляторы с одно-регулированием (например, регуляторы температуры, регуляторы давления, регуляторы перепада давления, регуляторы расхода). Приборы управления, монтируемые на основание-, в зависимости от источника питания подразделяются на пневматические и электрические типы.
Регуляторы с автономным-управлением — это тип инструментов местного управления. Свое название они получили из-за того, что измеряемая среда используется в качестве источника питания, поэтому их также называют регуляторами-прямого действия. Кроме того, поскольку они интегрированы с регулирующим клапаном, регуляторы-автоматического управления также называются регулирующими клапанами-автоматического управления. К распространенным автономным-регуляторам относятся автономные-регуляторы температуры, автономные-регуляторы давления и автономные-регуляторы расхода.
2. Цифровые приборы управления
Цифровые инструменты управления включают в себя распределенные системы управления (РСУ), программируемые логические контроллеры (ПЛК), промышленные управляющие компьютеры (IPC) и системы управления безопасностью (FSC).
В 1960-х годах, когда промышленные производственные процессы становились все более крупномасштабными и сложными, системы управления промышленной автоматизацией требовались для обработки огромных объемов данных, выполнения расширенного вычислительного управления, облегчения передачи информации, обеспечения централизованного отображения и управления, достижения более высокого-уровня управления и повышения точности управления. Обычные аналоговые инструменты сами по себе больше не могли удовлетворить эти требования, что привело к внедрению компьютерных систем управления, которые значительно повысили уровень интегрированного управления технологическими процессами. Однако высокая концентрация функций управления также концентрировала риск аварий. Если компьютерная система управления выйдет из строя, контроль, мониторинг и эксплуатация прекратятся, что серьезно повлияет на производство и потенциально приведет к катастрофическим-сбоям всей системы.
После 1970-х годов появление крупномасштабных-интегральных схем и микропроцессоров в сочетании с дальнейшим развитием технологий управления, технологий отображения, компьютерных технологий и технологий связи привело к разработке новых систем управления процессами на основе микропроцессоров и микрокомпьютеров, таких как распределенная система управления (РСУ). DCS унаследовала преимущества традиционных аналоговых приборов и компьютеризированных систем управления. Сохраняя централизованное отображение и работу наряду с централизованным управлением, он децентрализует полномочия управления, тем самым повышая безопасность и надежность системы управления. Это достигается за счет распределения микропроцессоров по функциям управления или зонам. Каждая станция управления,-оснащенная микропроцессором, может управлять несколькими или десятками контуров. Несколько станций управления объединены для наблюдения за всем производственным процессом, что обеспечивает децентрализованный контроль и распределение рисков. Опираясь на эту основу, огромные объемы информации передаются по кабелям передачи данных на микропроцессорный-ЭЛТ-дисплей и станцию управления в центральной диспетчерской. Эта станция централизованно отображает или записывает информацию. Одновременно он координирует свои действия с компьютерами более высокого-уровня (компьютерами управления процессами и компьютерами управления производством) для осуществления централизованного мониторинга и управления производственным процессом.
Распределенные системы управления обеспечивают непрерывный контроль, периодический (прерывистый) контроль, последовательный контроль, сбор и обработку данных, а также расширенный контроль, тесно интегрируя оперативное управление с производственным процессом. Эти системы также обладают возможностями самодиагностики-, позволяющими проверять аппаратные и программные компоненты. При обнаружении неисправности они включают звуковую и визуальную сигнализацию, отображая при этом точное место неисправности.
Типичная распределенная система управления включает в себя полевые станции управления, операторские станции с ЭЛТ-дисплеями, сети связи и периферийные устройства, такие как принтеры.
В ходе последующего развития возможности управления и связи распределенных систем управления становились все более усовершенствованными и стандартизированными. В зависимости от своих функций управления программируемые логические контроллеры (ПЛК) возникли на базе систем РСУ,-которые в основном ориентировались на контурное управление-и специализировались на последовательном управлении. Первоначально разработанные для замены традиционных релейных-систем сигнализации с блокировкой, ПЛК обрабатывают как входные, так и выходные сигналы как сигналы переключения. Они выполняют логические, упорядочивающие, временные, подсчетные и арифметические функции посредством программного программирования, что делает их пригодными для сложных взаимоблокировок. Определяющей особенностью ПЛК является их «программируемость».-схемы управления можно изменить, просто изменив программу. Их надежность, гибкость, скорость работы и возможности реализации сложных схем управления намного превосходят возможности, достижимые с помощью релейных схем.
ПЛК быстро развивались, включая в себя возможности аналогового управления, вычислительные функции и даже такие функции, как динамическое графическое отображение на ЭЛТ, управление базами данных и генерацию файлов. Между тем, системы РСУ переняли технические характеристики ПЛК, одновременно улучшая функции пакетной обработки и последовательного управления. Эта функциональная конвергенция сужает различия между РСУ и ПЛК, стирая их границы. По мере того, как распределенные системы управления продолжают развиваться,-особенно за счет миниатюризации систем, интеллектуальных полевых датчиков, стандартизированных полевых шин, стандартизированных сетей связи, взаимной интеграции РСУ и ПЛК, включения компьютеров мониторинга и ПК в системы РСУ, а также дальнейшего совершенствования системного программного обеспечения-, они будут лучше адаптироваться к разнообразным требованиям управления технологическими процессами и достигать превосходных технических и экономических преимуществ.
Fieldbus (FCS) — это цифровая последовательная многоточечная двунаправленная шина данных, установленная между полевыми устройствами и оборудованием автоматизации диспетчерской. Его основная концепция заключается в устранении прямых соединений «один к одному» между станциями РСУ/ПЛК диспетчерской, интеллектуальными контроллерами и полевыми приборами (такими как датчики, регулирующие клапаны, переключатели) через выделенные каналы ввода-вывода. Вместо этого эти устройства подключаются к высокоскоростному каналу H2 полевой шины через свои последовательные интерфейсы. Затем они подключаются к полевой шине H1 через преобразовательные мосты H2/H1, обеспечивая связь между полевыми приборами H1 и H2 для мониторинга и обнаружения процесса.
Поскольку полевая шина представляет собой сеть связи самого нижнего-уровня, соединяющую полевые устройства (включая полевое оборудование и полевые приборы), объединяющую функции управления полем и связи в полевых условиях, ее узлы включают в себя интеллектуальные датчики (включая анализаторы температуры, давления, расхода, уровня, технологических процессов и т. д.) и интеллектуальные исполнительные механизмы.
Промышленные компьютеры по функциям контроля и управления подразделяются на базовые устройства автоматического управления и компьютеры управления. Базовые устройства автоматизации составляют первый уровень много-уровневых систем управления, включая распределенные системы управления (РСУ), программируемые логические контроллеры (ПЛК), устройства прямого цифрового управления (DDC) и системы управления полевой шиной (FCS). Компьютеры управления процессами служат машинами верхнего-уровня для основных устройств автоматизации, представляя второй уровень много-уровня управления. Компьютеры управления производством применимы к уровням много-многоуровневых систем управления с третьего по пятый.
(IV) Приводы
Приводы, также известные как регулирующие клапаны, состоят из двух частей: приводного механизма и корпуса клапана. В зависимости от источника питания приводного механизма их подразделяют на четыре основных типа: пневматические регулирующие клапаны, электрические регулирующие клапаны, гидравлические регулирующие клапаны и гибридные регулирующие клапаны. Пневматические регулирующие клапаны подразделяются по типу приводного механизма на регулирующие клапаны мембранного-типа, регулирующие клапаны поршневого-типа и регулирующие клапаны с длинным-ходом.
(V) Устройства централизованного мониторинга и управления
В устройствах централизованного мониторинга используются чувствительные элементы или детекторы для централизованного отображения измеряемых переменных или сигналов аварийных контактов. Устройства централизованного управления управляют приводами в соответствии с заданными программами, интегрируя ряд измеряемых переменных сигналов. Эти системы включают в себя различные блоки сбора данных, системы патрульного мониторинга, устройства сигнализации, оборудование обнаружения безопасности, системы промышленного телевидения и дистанционного мониторинга, а также блоки управления последовательностью. Устройства централизованного мониторинга и управления обычно подразделяются на следующие категории:
1. Устройства контроля безопасности: к ним относятся системы обнаружения и сигнализации горючих газов, системы обнаружения и сигнализации токсичных газов, мониторы пламени, системы автоматического зажигания, устройства защиты от возгорания, системы обнаружения утечек масла и устройства обнаружения с высоким-сопротивлением.
2. Системы промышленного телевидения включают камеры и вспомогательное оборудование (осветительные, продувочные, охлаждающие устройства, моторизованные проигрыватели), дисплеи и вспомогательное оборудование (операторы, распределители, компенсаторы, переключатели).
3. Устройства дистанционного управления принимают входные переменные сигналы, информацию о процессе, визуально отображают аварийные сигналы и выводят управляющие сигналы на терминал управления.
4. Устройства сигнальной сигнализации включают различные типы, включая сигнализацию с мигающим сигналом, интеллектуальные устройства мигающей сигнализации и системы сигнализации с релейными цепями.
5. Устройства последовательного управления включают системы релейной блокировки, устройства логического мониторинга, последовательные контроллеры и интеллектуальные последовательные контроллеры.
6. Устройства сигнализации сбора данных и обнаружения петель включают в себя блоки сбора данных и устройства сигнализации обнаружения петель.
(6) Другое оборудование автоматического управления
К этой категории в первую очередь относятся различные типы приборных панелей (канального-типа, шкафного-типа, рамочного-типа, панельного-типа), приборных шкафов, пультов оператора, изоляционных (защитных) коробок, коробок электропитания и т. д.
(7) Материалы для автоматизации
К материалам для автоматизации относятся компоненты, необходимые для установки приборов, охватывающие различные типы, такие как напорные трубопроводы (бесшовные стальные трубы, трубы из нержавеющей стали, трубы высокого-давления), трубопроводы подачи воздуха (оцинкованные стальные трубы, латунные трубы), пневматические сигнальные трубы (медные трубы, медные трубы, нейлоновые трубы, соединительные коробки), материалы для электропроводки (сварные стальные трубы, оцинкованные стальные трубы), клапаны, фланцы и фитинги для различных трубопроводных систем, материалы для электрооборудования для автоматизации (кабели, провода, распределительные коробки, электрооборудование и компоненты), кабельные лотки для приборов, материалы из конструкционной стали, такие как угловой прокат и швеллер, для изготовления кронштейнов и опор приборного оборудования, изоляционные материалы для электрообогрева и материалы для анти-коррозионного покрытия.