浅谈工业自动化仪表的种类

随着生产规模的不断扩大和生产技术的发展，对生产过程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、由简单到复杂，由单一功能向多功能的发展过程。从最初的只能在现场测量并显示温度(如玻璃温度计)、压力(如U形管压力计)、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，逐步向远传集中显示、远程控制的方向发展。除检测各种参数的检测元件和检测仪表愈加齐全外，过程控制仪表的发展更是日新月异，经历了由气动单元组合仪表、电动单元组合仪表、电子式综合控制装置到工业计算机控制系统的飞跃。

工业自动化仪表品种繁多，从信息的获得、传递、反映和处理的过程把工业自动化仪表分为五大类;(1)检测仪表;(2)显示仪表;(3)控制仪表;(4)执行器;(5)集中监测与控制装置。

检测仪表

生产过程中，介质在设备、管道不同部位的温度、压力、流量、物位以及其他物理量瞬息万变，始终处于变化之中。检测仪表就是用以检测上述物理量在每个瞬间的量值。

按照所测量工艺参数的不同，检测仪表可分为如下几种：

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、压力式(温包)温度计、温度开关、热电偶、热电阻，还有辐射高温计及光学高温计、光电比色高温计等辐射式温度计。

2.压力仪表：压力测量仪表用于检测压力、真空和压差。根据其工作原理可分为：弹性式压力计(按其弹性元件又分为弹簧管压力计、膜片压力计、膜盒压力计、压力开关等);传感式压力计(如电阻式、电容式、电感式、霍尔式压力计等);液柱式压力计(如U形管、直管、倾斜管压力计);还有精度较高通常用于校验标准压力表的活塞式压力计。

3.流量仪表：流量测量仪表品种繁多，目前应用最为广泛的是由节流装置和与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。其他常用的流量仪表还有水表、转子流量计、椭圆齿轮流量计、靶式流量计、电磁流量计、旋涡流量计、阿钮巴流量计、质量流量计等。

4.物位仪表：物位仪表主要测量塔器和槽、罐类容器内某种介质的液位或两种不同比重液体的界面及固体物料的料位。液位计中最为常见的是玻璃管液位计、玻璃板液位计，其他还有差压式液位计和浮力式液位计(如浮球液位计、液位开关、浮筒液位计、浮标液位计、钢带液位计、储罐液位称重仪等)。用于固体物料料位检测的有电阻式料位计、电容式料位计、物位开关、重锤探测物位计、音叉料位计、超声波物位计、放射性料位计等。

5.成分分析仪表：成分分析仪表用于检定工艺介质的成分及测定某种组分(或某些组分直至全组分)的含量。按其工作原理可分为电化学式分析仪(如电导仪、工业酸度计、氧化锆分析仪等)，热学式分析仪(如热导式分析仪、热化学式分析仪、红外线分析仪)及磁导式分析仪、光电比色分析仪、质谱仪、工业气相色谱仪等。

在安装在线成分分析仪表时，一般都需要对所取的样品进行预处理，使样品的状态、温度、压力、流量等参数符合分析仪表工作条件的要求，因此需要配置一些由过滤器、除尘器、干燥容器、冷却器、转子流量计、水封和阀门及管路等组成的管路系统，以对样品进行一般性预处理。对于一些特殊介质(如烟道气脏气样、炉气等高温气样、重油分析取样、腐蚀性组分取样及环境检测取样等)，其取样预处理系统则更为完善，这类成品形式的取样预处理系统称为取样预处理装置。

另外，还有一些物性检测仪表如水分计、湿度计、密度计、浓度计、浊度计、粘度计等也往往划归成分分析仪表。

6.机械量仪表：工业上常用的机械量仪表有测厚仪、热膨胀检测仪、张力检测仪、挠度检测仪以及用于旋转机械(如大型蒸汽透平压缩机等)的轴振动、轴位移、转速检测装置和称重装置(如电子皮带秤，皮带跑偏、打滑检测装置，称重显示仪，称重装袋装置等)。

显示仪表

此类仪表是指与检测仪表配套用以指示或记录被测参数的瞬时值，如用于指示的比率计、毫伏计等动圈指示仪，数字显示仪和指示或记录温度用的电子电位差计、电子平衡电桥(电子电位差计、平衡电桥还可以附加电动调节器或气动调节器等组成复合型仪表)及具有流量累计功能的积算型仪表。

控制仪表

控制仪表一方面接受过程检测仪表及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器(执行机构及调节阀)的动作，组成闭环控制系统。

控制仪表根据信号类型可分为摸拟式控制仪表和数字式控制仪表两大类。

1.模拟控制仪表包括基地式仪表，单元组合仪表(气动、电动)和组装式仪表。

(1)单元组合仪表按其在控制系统中的功能分为不同的单元，各单元仪表独立存在，可根据需要任意组合成不同的检测调节系统，系统组成灵活、方便。各单元之间的信号传递采用统一的标准信号(又称为模拟信号)。单元组合仪表广泛应用于20世纪50～70年代初，属真正功能分散的仪表，即用一块仪表来完成所要求的某一功能。

需要说明的是，单元组合仪表中的变送单元仪表(除温度变送器外)从功能而言应属检测仪表。

单元组合仪表按其工作能源又分为气动单元组合仪表和电动单元组合仪表两类：

气动单元组合仪表：气动单元组合仪表是在原来的气动仪表基础上发展而来的。此类仪表以0.14MPa压缩空气为工作能源，采用压力0.02～0.1MPa的压缩空气为统一信号。正因为其工作能源和信号传输均为压缩空气，在炼油、化工生产装置中应用气动单元仪表具有天然防爆的作用。其缺点是气动信号传输距离一般在150m以内，传输距离过远时，信号传递滞后，影响显示调节的灵敏度。气动单元组合仪表包括以下单元仪表：

a.变送单元(即变送器)包括压力变送器、差压变送器、靶式流量变送器、内藏孔板流量变送器、单(双)法兰差压(液位)变送器、内(外)浮筒液位变送器及温度变送器等。

b.显示单元仪表如色带指示仪、条形指示仪、多针指示仪、指示记录仪、积算器等。

c.调节单元仪表包括指示调节仪、记录调节仪、串级调节仪、比例(积分、微分)调节仪(器)等。

d.计算单元仪表如加减器、乘除器、比值器等。

e.给定单元仪表如定值器，时间程序定值器等。

f.辅助单元仪表如气动(Q型)操作器、手动/自动切换操作器、高(低)值选择器、继动器、切换器、限幅器、配比器、负荷分配器、大流量过滤减压阀等。

电动单元组合仪表：电动单元组合仪表以直流电源为其工作能源。此类仪表因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、Ⅱ型已经淘汰不再使用。Ⅲ型仍广泛应用于炼油化工生产装置中。现所介绍的电动单元组合仪表仅指Ⅲ型。电动Ⅲ型仪表使用DC24V电源供电，安装于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，而控制室仪表与现场安装的变送仪表、调节阀及执行机构之间则为DC4～20mA电流信号。为满足不同的防爆要求，现场安装的变送器及与其连接的控制室输入输出单元(安全保持器、安全栅)等又有隔爆型、本质安全型之分。另外，由于工业计算机控制技术发展的需要，近年来还开发了以微处理器为核心的智能化单元仪表，成为电动单元仪表的新军。

电动单元组合仪表包括下述各单元：

a. 变送单元(即变送器)包括压力变送器、差压变送器、靶式流量变送器、内藏孔板流量变送器、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、智能压力变送器及智能差压变送器等。

b. 显示单元仪表如单(双)针指示仪、色带指示仪、单(双)针报警仪、单(双)笔记录仪、多点指示记录仪、比例(开方)积算器等。

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

d.计算单元仪表如加减器、乘除器、开方器等。

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.给定单元仪表即恒流给定器、比值给定器、比率给定器、报警给定器、参数程序给定器、时间程序给定器等。

g.辅助单元仪表如电动(D型)操作器、DDC操作器、安全保持器、安全栅、配电器、电压箱、信号选择器、隔离器、反向器、升降器、信号阻尼器、信号倒向器、信号限幅器、变化率选择器等。

(2)组装式综合控制仪表

是过程控制仪表发展过程中的一个新的系列，又称组装式综合控制装置。它采用组件组装式结构，可以方便灵活地构成过程控制系统，系统内部采用0-10V直流电压信号体制。并可接收现场检测仪表和检测元件的各种气动信号和电动信号(包括电流、电压、触点、脉冲、频率、编码等)。

组装式综合控制装置包括下列仪表和组件：

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、积算功率驱动器组件等。

b. 信号处理组件：信号缓冲组件、继电器缓冲组件、信号发生组件(斜坡发生组件、定时组件等)、模拟计算组件(乘除组件、开方组件、加法组件、函数组件、限幅组件、信号选择组件等)、积算组件、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.辅助组件及其他组件：电源分配组件、信号分配组件、切换组件、给定组件、继电器组件、监控组件。

e.显示操作仪表：单(双)针指示仪、单(双)笔记录仪、三(四)笔记录仪、趋势记录仪、手操器、控制显示操作器。

(3)基地式调节仪表

在工业自动化仪表由就地检测显示向集中控制发展过程中，产生了一种集测量、显示、调节功能于一体的仪表,我们称之为基地式调节仪表或简称为基地式仪表。如具有气动调节器的指示记录调节仪以及一些只有单一调节功能的就地调节器(如温度调节器，压力调节器、差压调节器，流量调节器)。基地式调节仪表以其工作能源又有气动和电动之分。

自力式调节器也是就地调节仪表的一种，它因依赖于被测介质作为其工作能源而得名，故又称为直接作用式调节器。另外，因为它与其调节阀合为一体，所以自力式调节器又称为自力式调节阀。常用的自力式调节器有自力式温度调节器、自力式压力调节器及自力式流量调节器。

2.数字式控制仪表

数字式控制仪表包括分散型控制系统(DCS)，可编程序控制器(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规模化、复杂化，要求工业自动化控制系统既能处理大量数据，又能实现高级运算控制，易于进行信息通信，实现集中显示操作及高级控制，提高控制精度，单纯使用常规模拟仪表已无法满足上述要求，从而开始运用计算机控制系统，使生产过程综合控制水平得到了进一步的提高。然而，随着控制功能的高度集中，事故发生的危险性也高度集中，一旦计算机控制系统出现故障，控制、监视、操作将无法进行，给生产带来很大影响，甚至会导致全局性重大事故。

70年代以后，随着大规模集成电路问世和微处理器的诞生，在控制技术、显示技术、计算机技术、通信技术进一步发展的基础上，开发研制了以微处理器和微型计算机为基础的新型过程控制系统如分散型控制系统DCS(DistributedControlSystem)。分散型控制系统继承了常规模拟仪表和计算机控制系统的优点，在继承集中显示操作、集中管理的基础上，将控制权分散，进一步提高了控制系统的安全性和可靠性。这是因为分散型控制系统按控制功能或控制区域将微处理器进行分散配置，每个带微处理器的控制站可控制几个、几十个回路，用若干个控制站组合，控制整个生产过程，从而实现分散控制并使危险分散的目的。在此基础上，把大量信息通过数据通信电缆送到中央控制室的以微处理器为基础的CRT显示操作站，将这些信息集中显示或记录。同时与上位机(过程管理计算机和生产管理计算机)相配合对生产过程实行集中监视和管理。

分散型控制系统能够实现连续控制、批量(间歇)控制、顺序控制、数据采集处理及先进控制，将操作管理与生产过程密切地结合起来。集散控制系统还具有自诊断功能，可以对系统的硬件、软件进行检查，一旦发现故障，即发出声、光报警，并显示故障所在位置。

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

在其后的发展过程中，分散控制系统的控制通信功能愈加完善和标准化，并根据其控制功能的侧重点从以回路控制为主的分散控制系统DCS中分离出以顺序控制为主的可编程序控制器PLC(ProgrammableLogicController)。可编程序控制器最初的目的是用来取代由传统的继电器组成的继电联锁报警系统，其输入/输出信号均为开关信号，它采用软件编程的方法执行如逻辑、顺序、计时、计数和演算功能，适用于较复杂的联锁。PLC的特点就是“可编程序”，只要改变程序就可改变控制方案。其可靠性、灵活性和运行速度及控制方案的复杂程度，是继电器线路无法相比的。

PLC的发展十分迅速，并增强了模拟控制功能、运算功能，甚至配置了CRT动态图形显示、数据库管理、文件生成等。而DCS则汲取PLC的技术特点，强化批处理、顺序控制等功能，这种二者之间功能的渗透，将使DCS和PLC的区别缩小，标志也变得模糊，随着分散控制系统的继续发展，特别是在系统小型及微型化、现场变送器智能化、现场总线标准化、通信网络标准化、DCS与PLC互相渗透，监控计算机、PC机进入DCS系统，系统软件的进一步完善，分散控制系统将更加适应各种过程控制的需要，并将取得更好的技术经济效益。

现场总线(FCS)是安装在生产现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式、串行、多点通讯双向传输的数据总线。它的基本思路是将控制室内DCS、PLC的控制站、智能调节器等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)一一对应连接，而只要通过各自的串行接口挂接到现场总线H2高速通道上，再通过H2/H1转接网桥接到H1现场总线上，实现H1与H2现场仪表间的通讯，对生产过程进行监控和检测。

由于现场总线处于最低一层的现场装置(现场设备和现场仪表)互连的通信网络，集成现场控制和现场通讯的功能，所以现场总线通信网络的节点是智能变送器(包括温度、压力、流量、物位、过程分析器等)和智能执行器等。

工业计算机按其控制管理功能分为基础自动化控制装置及管理计算机，其中基础自动化装置为多极控制的第一级包括分散型控制系统(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三～五级。

执行器

执行器又称控制阀，由执行机构和阀门两部分组成。按照执行机构的动力源分类有气动控制阀，电动控制阀，液动控制阀和混合型控制阀四大类。气动控制阀按照其执行机构形式又分为薄膜式控制阀，活塞式控制阀和长行程控制阀。

集中监测与控制装置

集中检测装置即利用检测元件或探测器将被测变量或报警接点信号予以集中显示的装置;集中控制装置则是将一系列被测变量信号按设定程序对执行器进行控制的装置。集中监测与控制装置包括各种数据采集装置、巡回检测装置、信号报警装置、安全检测装置及工业电视及远动装置和顺序控制装置等。集中监测与控制装置一般分为下述几类：

1.安全监测装置包括可燃气体检测报警装置、有毒气体检测报警装置、火焰监视器、自动点火装置、燃烧安全保护装置、漏油检漏装置及高阻检测装置等。

2.工业电视由摄像机及其附属设备(照明、吹扫、冷却装置及电动转台)，显示器及辅助设备(操作器、分配器、补偿器、切换器)等组成。

3.远动装置接受输入的变量信号，经过信息处理，进行画面显示报警，并向控制端输出控制信号。

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

5.顺序控制装置有继电联锁保护系统、逻辑监控装置、顺序控制装置及智能顺序控制器等。

6.数据采集及巡回检测报警装置包括数据采集装置及巡回检测报警仪等。

自控其他设备

此类设备主要有各式(通道式、柜式、框架式、屏式)仪表盘、仪表箱、操作台、保温(保护)箱、供电箱等。

自控材料

自控材料指仪表安装所需要的材料，其品种繁多，如导压配管(无缝钢管、不锈钢管、高压管)、供气配管(镀锌钢管、黄铜管)，气信号配管(紫铜管、铜管缆、尼龙管缆，接管箱)，电气配管材料(焊接钢管、镀锌钢管)，各类配管中的阀门、法兰及管件，自控用电气设备材料(电缆、导线、接线箱、电气设备及元件)，仪表电缆桥架，用于制作仪表设备支架、托架的角钢、槽钢等型钢金属材料，伴热隔热材料及防腐刷油材料等。

来源：全球化工设备网

审核编辑：汤梓红