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绪论
自动化仪表是工业企业实现自动化的必要手段和技术工具,任何一个工业控制系统都必然应用到自动化仪表控制单元,各种控制方案和算法都必须借助自动化工具才能实现。随着自动化技术的广泛应用,自动化仪表的需求量很大,已形成一个专门的仪表门类。自动化工程师要设计自动控制系统必须掌握各种自动化仪表的工作原理和性能特点,才能合理地选择和正确地使用它们,组成性能价格比好的控制系统。
半个多世纪以来,自动化仪表经历了从气动液动仪表、电动仪表、电子式模拟仪表、数字智能仪表,到计算机集散控制系统(DCS)等发展阶段,为各行各业的现代化大规模生产提供了强大的支持。近年来,随着网络通信等相关技术的快速发展,自动化仪表正处于一场意义重大的变革中,以仪表的全数字化、开放化、网络化为特征的现场总线控制系统(FCS)正在迅猛发展。现场总线把从检测端到执行端的所有自动化仪表通过数字通信方式互相连接起来,从而使控制系统网络化,十分有利于工业企业实现高层次的自动化。
自动化仪表与控制理论一样,都是自动化科技工作者的研究内容。自动化技术工具的进步不仅会推动工业企业自动化水平的提高,还会影响控制理论的研究方向和内容。
仪表及其发展
仪器仪表发展已有悠久的历史。据《韩非子·有度》记载,中国在战国时期已有了利用天然磁铁制成的指南仪器,称为司南。古代的仪器在很长的历史时期中多属用以定向、计时或供度量衡用的简单仪器。
17~18世纪,欧洲的一些物理学家开始利用电流与磁场作用力的原理制成简单的检流计;利用光学透镜制成的望远镜,奠定了电学和光学仪器的基础。其它一些用于测量和观察的各种仪器也遂逐渐得到了发展。
19世纪到20世纪,工业革命和现代化大规模生产促进了新学科和新技术的发展,后来又出现了电子计算机和空间技术等,仪器仪表因而也得到迅速的发展。现代仪器仪表已成为测量、控制和实现自动化必不可少的技术工具。
仪器仪表(instrumentation)定义
仪器仪表是用以检出、测量、观察、计算各种物理量、物质成分、物性参数等的器具或设备。真空检漏仪、压力表、测长仪、显微镜、乘法器等均属于仪器仪表。广义来说,仪器仪表也可具有自动控制、报警、信号传递和数据处理等功能,例如用于工业生产过程自动控制中的气动调节仪表,和电动调节仪表,以及集散型仪表控制系统也皆属于仪器仪表。
仪器仪表能改善、扩展或补充人的官能。人们用感觉器官去视、听、尝、摸外部事物,而显微镜、望远镜、声级计、酸度计、高温计等仪器仪表,可以改善和扩展人的这些官能;另外,有些仪器仪表如磁强计、射线计数计等可感受和测量到人的感觉器官所不能感受到的物理量;还有些仪器仪表可以超过人的能力去记录、计算和计数,如高速照相机、计算机等。
看到“仪表”两个字,人们很容易想到电流表、电压表、示波器等实验室中常用的测试仪器。自动化仪表不是这些通用仪表,而是讨论生产自动化中,特别是连续生产过程自动化中必需的一类专门的仪器仪表。其中包括对工艺参数进行测量的检测仪表、根据测量值对给定值的偏差按一定的调节规律发出调节命令的调节仪表以及根据调节仪表的命令对进出生产装置的物料或能量进行控制的执行器等。这些仪表代替人们对生产过程进行测量、控制、监督和保护,是实现生产过程自动化必不可少的技术工具。
对于没有实践经历的自动控制初学者,往往以为控制工程师的工作是先画出控制方案图,然后自己动手,设计制作一定的测控装置去实现要求的控制算法。不难想像,如果大家都按自己的思路为各种系统制作专用的测控装置,其规格品种必将是五花八门,互不兼容。这对于用户来说,其维护和备品、备件将是难以解决的问题。为减少仪表品种,便于互换和维护,人们把自动化仪表的外部功能和联络信号进行规范化,即规定若干通用的标准化功能模块,其内部原理和电路可以不同,但外部功能必须相同,此外,它们之间的互联信号标准必须统一。这些规范促进了自动化仪表向通用化发展,大大方便了用户。这样,对控制工程师来说,主要的工作不是自己去制作仪表,而只要熟悉和精通各种现成的自动化仪表的工作原理和性能特点,以便根据不同的测控要求和应用环境,从大量系列化生产的通用型自动化仪表中,合理地选择和正确地使用它们,组成经济、可靠、性能优良的自动控制系统。
自20世纪30年代以来,自动化技术获得了惊人的成就,已在工业生产和已成为衡量各行各业现代化水平的一个重要标志。
过程控制通常是指石油、化工、电力、冶金、轻工、建材、核能等工业生产中连续的或按一定周期程序进行的生产过程自动控制,它是自动化技术的重要组成部分。在现代工业生产过程中,过程控制技术正在为实现各种最优的技术经济指标、提高经济效益和劳动生产率、改善劳动条件、保护生态环境等方面起着越来越大的作用,而自动化仪表是生产过