Oprzyrządowanie

W przypadku innych zastosowań zobacz Instrumentacja (ujednoznacznienie) .

Oprzyrządowanie to zbiorcze określenie przyrządów pomiarowych , które służą do wskazywania, mierzenia i rejestrowania wielkości fizycznych. Termin ten ma swoje korzenie w sztuce i nauce tworzenia przyrządów naukowych .

termometry z bezpośrednim odczytem , ​​lub tak złożonych, jak wieloczujnikowe komponenty przemysłowych systemów sterowania . Dziś przyrządy można spotkać w laboratoriach, rafineriach, fabrykach i pojazdach, a także w codziennym użytku domowym (np. czujniki dymu i termostaty )

Historia i rozwój

Lokalny panel oprzyrządowania na turbinie parowej

Historię oprzyrządowania można podzielić na kilka faz.

Przedindustrialny

Elementy oprzyrządowania przemysłowego mają długą historię. Wagi do porównywania ciężarów i proste wskaźniki wskazujące pozycję to starożytna technologia. Niektóre z najwcześniejszych pomiarów dotyczyły czasu. Jeden z najstarszych zegarów wodnych został znaleziony w grobowcu starożytnego egipskiego faraona Amenhotepa I , pochowanego około 1500 roku p.n.e. Ulepszenia zostały wprowadzone do zegarów. Do 270 roku pne mieli podstawy automatycznego urządzenia sterującego.

W 1663 roku Christopher Wren przedstawił Towarzystwu Królewskiemu projekt „zegara pogodowego”. Rysunek przedstawia czujniki meteorologiczne przesuwające długopisy po papierze napędzane mechanizmem zegarowym. Takie urządzenia nie stały się standardem w meteorologii przez dwa stulecia. Koncepcja pozostała praktycznie niezmieniona, o czym świadczą pneumatyczne rejestratory wykresów, w których mieszek pod ciśnieniem wypiera długopis. Integracja czujników, wyświetlaczy, rejestratorów i elementów sterujących była rzadkością aż do rewolucji przemysłowej, ograniczona zarówno przez potrzeby, jak i praktyczność.

Wczesny przemysł

Ewolucja sygnalizacji analogowej pętli sterowania od ery pneumatycznej do ery elektronicznej

Wczesne systemy wykorzystywały bezpośrednie połączenia procesowe z lokalnymi panelami sterowania do sterowania i wskazywania, w których od wczesnych lat trzydziestych XX wieku wprowadzono przetworniki pneumatyczne i automatyczne regulatory 3-członowe (PID).

Zakresy przetworników pneumatycznych zostały określone potrzebą sterowania zaworami i siłownikami w terenie. Zwykle sygnał w zakresie od 3 do 15 psi (20 do 100 kPa lub 0,2 do 1,0 kg/cm2) jako standard był standaryzowany, a od 6 do 30 psi był okazjonalnie używany w przypadku większych zaworów. Elektronika tranzystorowa umożliwiła okablowanie zastępujące rury, początkowo w zakresie od 20 do 100 mA przy napięciu do 90 V dla urządzeń zasilanych z pętli, zmniejszając się do 4 do 20 mA przy napięciu od 12 do 24 V w bardziej nowoczesnych systemach. Nadajnik w postaci prądu elektrycznego 4–20 mA możliwych jest wiele innych opcji wykorzystujących napięcie , częstotliwość , ciśnienie lub Ethernet . Tranzystor został skomercjalizowany w połowie lat pięćdziesiątych.

Instrumenty podłączone do systemu sterowania dostarczały sygnały używane do obsługi elektrozaworów , zaworów , regulatorów , wyłączników , przekaźników i innych urządzeń. Takie urządzenia mogą sterować pożądaną zmienną wyjściową i zapewniać zdalne monitorowanie lub automatyczne sterowanie.

Każda firma produkująca instrumenty wprowadziła własny standardowy sygnał oprzyrządowania, powodując zamieszanie, aż zakres 4–20 mA został użyty jako standardowy sygnał instrumentu elektronicznego dla nadajników i zaworów. Sygnał ten został ostatecznie znormalizowany jako ANSI/ISA S50, „Compatibility of Analog Signals for Electronic Industrial Process Instruments”, w latach 70. Przekształcenie oprzyrządowania z mechanicznych przetworników pneumatycznych, sterowników i zaworów na instrumenty elektroniczne zmniejszyło koszty konserwacji, ponieważ instrumenty elektroniczne były bardziej niezawodne niż przyrządy mechaniczne. Zwiększyło to również wydajność i produkcję ze względu na ich wzrost dokładności. Pneumatyka miała pewne zalety, ponieważ była preferowana w atmosferach korozyjnych i wybuchowych.

Automatyczna kontrola procesu

Przykład pojedynczej przemysłowej pętli sterowania, przedstawiający ciągłą modulację sterowania przepływem procesu

We wczesnych latach sterowania procesami , wskaźniki procesu i elementy sterujące, takie jak zawory, były monitorowane przez operatora, który chodził po urządzeniu, regulując zawory w celu uzyskania pożądanych temperatur, ciśnień i przepływów. Wraz z rozwojem technologii wynaleziono i zamontowano w terenie sterowniki pneumatyczne, które monitorowały proces i sterowały zaworami. Zmniejszyło to ilość czasu potrzebnego operatorom procesów do monitorowania procesu. W późniejszych latach rzeczywiste sterowniki zostały przeniesione do centralnego pomieszczenia, a sygnały wysłano do sterowni w celu monitorowania procesu, a sygnały wyjściowe zostały wysłane do końcowego elementu sterującego, takiego jak zawór, w celu dostosowania procesu w razie potrzeby. Te kontrolery i wskaźniki zostały zamontowane na ścianie zwanej tablicą kontrolną. Operatorzy stali przed tą tablicą, chodząc tam iz powrotem, monitorując wskaźniki procesu. To ponownie zmniejszyło liczbę i ilość czasu potrzebnego operatorom procesów na obejście jednostek. Najbardziej standardowy poziom sygnału pneumatycznego używany w tych latach wynosił 3–15 psig.

Duże zintegrowane systemy komputerowe

Pneumatyczny „trójczłonowy” pneumatyczny regulator PID , szeroko stosowany, zanim elektronika stała się niezawodna i tańsza oraz bezpieczna w użyciu w obszarach niebezpiecznych (przykład Siemens Telepneu)
Centralna dyspozytornia sprzed ery DCS/SCADA. Chociaż elementy sterujące są scentralizowane w jednym miejscu, nadal są dyskretne i nie są zintegrowane w jednym systemie.
Dyspozytornia DCS, w której na ekranach grafiki komputerowej wyświetlane są informacje o instalacji i elementy sterujące. Operatorzy siedzą i mogą przeglądać i kontrolować dowolną część procesu ze swoich ekranów, zachowując jednocześnie przegląd instalacji.

Sterowanie procesami w dużych zakładach przemysłowych ewoluowało przez wiele etapów. Początkowo sterowanie odbywałoby się z paneli lokalnych w zakładzie przetwórczym. Wymagało to jednak dużego zasobu siły roboczej do obsługi tych rozproszonych paneli i nie było ogólnego obrazu procesu. Kolejnym logicznym rozwiązaniem było przesyłanie wszystkich pomiarów instalacji do centralnej dyspozytorni ze stałą obsadą. W rzeczywistości była to centralizacja wszystkich zlokalizowanych paneli, z zaletami niższych poziomów obsady i łatwiejszego przeglądu procesu. Często sterowniki znajdowały się za panelami sterowni, a wszystkie wyjścia sterowania automatycznego i ręcznego były przesyłane z powrotem do zakładu.

Jednak, zapewniając centralne sterowanie, takie rozwiązanie było nieelastyczne, ponieważ każda pętla sterowania miała własny sprzęt sterujący, a operator musiał stale przemieszczać się w sterowni, aby móc obserwować różne części procesu. Wraz z pojawieniem się procesorów elektronicznych i wyświetlaczy graficznych stało się możliwe zastąpienie tych dyskretnych kontrolerów algorytmami komputerowymi, hostowanymi w sieci racków wejścia/wyjścia z własnymi procesorami sterującymi. Mogą one być rozmieszczone w całym zakładzie i komunikować się z wyświetlaczem graficznym w sterowni lub pomieszczeniach. Narodziła się koncepcja sterowania rozproszonego.

Wprowadzenie systemów DCS i SCADA umożliwiło łatwe łączenie i rekonfigurację elementów sterujących instalacji, takich jak kaskadowe pętle i blokady, oraz łatwe łączenie z innymi produkcyjnymi systemami komputerowymi. Umożliwiło to zaawansowaną obsługę alarmów, wprowadzono automatyczne rejestrowanie zdarzeń, wyeliminowano potrzebę fizycznych zapisów, takich jak rejestratory wykresów, umożliwiono połączenie szaf sterowniczych w sieć, a tym samym lokalizowanie ich lokalnie w zakładzie w celu ograniczenia okablowania, a także zapewniono ogólny przegląd stanu zakładu i produkcji poziomy.

Aplikacja

W niektórych przypadkach czujnik jest bardzo pomniejszym elementem mechanizmu. Cyfrowe aparaty fotograficzne i zegarki na rękę mogą technicznie spełniać luźną definicję oprzyrządowania, ponieważ rejestrują i/lub wyświetlają wykryte informacje. W większości przypadków żaden z nich nie byłby nazywany oprzyrządowaniem, ale gdy jest używany do pomiaru czasu, który upłynął w wyścigu i udokumentowania zwycięzcy na mecie, oba byłyby nazywane oprzyrządowaniem.

Gospodarstwo domowe

Bardzo prostym przykładem systemu oprzyrządowania jest termostat mechaniczny , służący do sterowania domowym piecem, a tym samym do regulacji temperatury w pomieszczeniu. Typowa jednostka mierzy temperaturę za pomocą paska bimetalicznego . Wyświetla temperaturę za pomocą igły na wolnym końcu paska. Uruchamia piec za pomocą przełącznika rtęciowego . Gdy przełącznik jest obracany przez pasek, rtęć powoduje fizyczny (a tym samym elektryczny) kontakt między elektrodami.

Innym przykładem systemu oprzyrządowania jest system bezpieczeństwa w domu . Taki system składa się z czujników (wykrywanie ruchu, przełączniki wykrywające otwarcie drzwi), prostych algorytmów wykrywania włamań, sterowania lokalnego (uzbrajanie/rozbrajanie) oraz zdalnego monitoringu systemu w celu wezwania policji. Komunikacja jest nieodłączną częścią projektu.

Urządzenia kuchenne wykorzystują czujniki do sterowania.

  • Lodówka utrzymuje stałą temperaturę, uruchamiając system chłodzenia, gdy temperatura staje się zbyt wysoka.
  • Automatyczna maszyna do lodu wytwarza lód, dopóki nie zostanie uruchomiony wyłącznik krańcowy .
  • Wysuwane tostery do chleba umożliwiają ustawienie czasu.
  • Nieelektroniczne piekarniki gazowe będą regulować temperaturę za pomocą termostatu kontrolującego dopływ gazu do palnika gazowego . Mogą one być wyposażone w czujnik umieszczony w głównej komorze piekarnika. Dodatkowo może być wyposażone w urządzenie odcinające zabezpieczające płomień : po zapaleniu należy krótko przytrzymać pokrętło palnika, aby czujnik się nagrzał i umożliwił dopływ gazu do palnika. Jeśli czujnik bezpieczeństwa ostygnie, może to oznaczać, że płomień na palniku zgasł i aby zapobiec ciągłemu wyciekowi gazu, przepływ zostaje zatrzymany.
  • Piekarniki elektryczne wykorzystują czujnik temperatury i włączają elementy grzejne, gdy temperatura jest zbyt niska. Bardziej zaawansowane piekarniki będą uruchamiać wentylatory w odpowiedzi na czujniki temperatury, aby rozprowadzać ciepło lub chłodzić.
  • Wspólna toaleta uzupełnia zbiornik na wodę, dopóki pływak nie zamknie zaworu. Pływak działa jak czujnik poziomu wody.

Automobilowy

Nowoczesne samochody mają złożone oprzyrządowanie. Oprócz wskazań prędkości obrotowej silnika i prędkości liniowej pojazdu, dostępne są również wskazania napięcia i prądu akumulatora, poziomu i temperatury płynów, przebytej odległości oraz informacji zwrotnych różnych elementów sterujących (kierunkowskazy, hamulec postojowy, reflektory, położenie skrzyni biegów). W przypadku szczególnych problemów mogą zostać wyświetlone ostrzeżenia (małe paliwo, sprawdzenie silnika, niskie ciśnienie w oponach, uchylone drzwi, niezapięty pas bezpieczeństwa). Problemy są rejestrowane, dzięki czemu można je zgłosić do sprzętu diagnostycznego . Systemy nawigacyjne mogą wydawać polecenia głosowe, aby dotrzeć do celu. Oprzyrządowanie samochodowe musi być tanie i niezawodne przez długi czas w trudnych warunkach. Mogą istnieć niezależne poduszek powietrznych , które zawierają czujniki, układy logiczne i siłowniki. Antypoślizgowe układy hamulcowe wykorzystują czujniki do sterowania hamulcami, a tempomat wpływa na położenie przepustnicy. Za pośrednictwem łączy komunikacyjnych można świadczyć różnorodne usługi, takie jak OnStar . Zademonstrowano autonomiczne samochody (z egzotycznym oprzyrządowaniem).

Samolot

Wczesne samoloty miały kilka czujników. „Wskaźniki pary” przekształcały ciśnienie powietrza w odchylenia igły, które można interpretować jako wysokość i prędkość lotu. Kompas magnetyczny zapewniał poczucie kierunku. Wyświetlacze dla pilota były równie krytyczne jak pomiary.

Nowoczesny samolot ma znacznie bardziej wyrafinowany zestaw czujników i wyświetlaczy, które są wbudowane w systemy awioniki . Samolot może zawierać systemy nawigacji bezwładnościowej , systemy globalnego pozycjonowania , radary pogodowe , autopiloty i systemy stabilizacji statku powietrznego. Nadmiarowe czujniki zapewniają niezawodność. Podzbiór informacji może zostać przesłany do rejestratora wypadków , aby pomóc w dochodzeniu w sprawie nieszczęśliwego wypadku. Nowoczesne wyświetlacze pilotów obejmują teraz wyświetlacze komputerowe, w tym wyświetlacze przezierne .

Radar kontroli ruchu lotniczego to rozproszony system oprzyrządowania. Część naziemna przesyła impuls elektromagnetyczny i odbiera echo (przynajmniej). Samoloty są wyposażone w transpondery, które przesyłają kody po odebraniu impulsu. System wyświetla lokalizację samolotu na mapie, identyfikator i opcjonalnie wysokość. Lokalizacja na mapie jest oparta na wykrywanym kierunku anteny i wykrywanym opóźnieniu czasowym. Pozostałe informacje są osadzone w transmisji transpondera.

Oprzyrządowanie laboratoryjne

Wśród możliwych zastosowań tego terminu jest zbiór laboratoryjnego sprzętu testowego kontrolowanego przez komputer za pośrednictwem magistrali IEEE-488 (znanej również jako GPIB dla General Purpose Instrument Bus lub HPIB dla Hewlitt Packard Instrument Bus). Dostępny jest sprzęt laboratoryjny do pomiaru wielu wielkości elektrycznych i chemicznych. Taki zestaw urządzeń mógłby posłużyć do zautomatyzowania badania wody pitnej pod kątem zanieczyszczeń.

Parametry pomiaru

Oprzyrządowanie służy do pomiaru wielu parametrów (wielkości fizycznych). Parametry te obejmują:


Zawór kontrolny

Inżynieria oprzyrządowania

Część oprzyrządowania schematu orurowania i oprzyrządowania zostanie opracowana przez inżyniera oprzyrządowania.

Inżynieria oprzyrządowania to specjalizacja inżynierska skoncentrowana na zasadzie i działaniu przyrządów pomiarowych, które są wykorzystywane w projektowaniu i konfiguracji systemów zautomatyzowanych w obszarach takich jak domeny elektryczne i pneumatyczne oraz kontrola mierzonych wielkości. Zwykle pracują w branżach ze zautomatyzowanymi procesami, takich jak zakłady chemiczne lub produkcyjne , w celu poprawy wydajności , niezawodności, bezpieczeństwa, optymalizacji i stabilności systemu. Do sterowania parametrami w procesie lub w konkretnym systemie wykorzystywane są urządzenia takie jak mikroprocesory, mikrokontrolery czy sterowniki PLC, jednak ich ostatecznym celem jest sterowanie parametrami systemu.

Inżynieria oprzyrządowania jest luźno zdefiniowana, ponieważ wymagane zadania są bardzo zależne od domeny. Ekspert od oprzyrządowania biomedycznego szczurów laboratoryjnych ma zupełnie inne obawy niż ekspert od oprzyrządowania rakietowego. Wspólną troską obu jest wybór odpowiednich czujników w oparciu o rozmiar, wagę, koszt, niezawodność, dokładność, długowieczność, odporność na warunki środowiskowe i pasmo przenoszenia. Niektóre czujniki są dosłownie wystrzeliwane w pociskach artyleryjskich. Inni wyczuwają eksplozje termojądrowe, dopóki nie zostaną zniszczone. Niezmiennie dane z czujników muszą być rejestrowane, przesyłane lub wyświetlane. Szybkości nagrywania i pojemności są bardzo zróżnicowane. Transmisja może być trywialna lub może być tajna, zaszyfrowana i zużywająca mało energii w przypadku zagłuszania. Wyświetlacze mogą być banalnie proste lub mogą wymagać konsultacji od czynnika ludzkiego . Projekt systemu sterowania waha się od trywialnego do odrębnej specjalności.

Inżynierowie ds. oprzyrządowania są odpowiedzialni za integrację czujników z rejestratorami, przetwornikami, wyświetlaczami lub systemami sterowania oraz za stworzenie schematu orurowania i oprzyrządowania dla procesu. Mogą zaprojektować lub określić instalację, okablowanie i kondycjonowanie sygnału. Mogą być odpowiedzialni za uruchomienie, kalibrację, testowanie i konserwację systemu.

W środowisku badawczym często zdarza się, że eksperci merytoryczni posiadają znaczną wiedzę na temat systemów oprzyrządowania. Astronom zna się na budowie wszechświata i bardzo dużo o teleskopach – optyce, wskazówkach i kamerach (lub innych elementach czujnikowych). Często obejmuje to zdobytą z trudem wiedzę na temat procedur operacyjnych, które zapewniają najlepsze wyniki. Na przykład astronom często zna techniki minimalizowania gradientów temperatury, które powodują turbulencje powietrza w teleskopie.

Technolodzy, technicy i mechanicy oprzyrządowania specjalizują się w rozwiązywaniu problemów, naprawie i konserwacji przyrządów i systemów oprzyrządowania.

Typowe typy sygnałów nadajników przemysłowych

  • Pętla pneumatyczna (20-100KPa/3-15PSI) – Pneumatyczna
  • HART – Sygnalizacja danych, często nałożona na pętlę prądową

Wpływ nowoczesnego rozwoju

Ralph Müller (1940) stwierdził: „Historia nauk fizycznych to w dużej mierze historia instrumentów, a ich inteligentne wykorzystanie jest dobrze znane. Szerokie uogólnienia i teorie, które pojawiały się od czasu do czasu, przetrwały lub upadły na podstawie dokładnych pomiarów , aw kilku przypadkach trzeba było opracować nowe instrumenty do tego celu. Niewiele jest dowodów na to, że umysł współczesnego człowieka przewyższa umysł starożytnych. Jego narzędzia są nieporównywalnie lepsze.

Davis Baird argumentował, że główną zmianą związaną z identyfikacją przez Florisa Cohena „ czwartej wielkiej rewolucji naukowej” po drugiej wojnie światowej jest rozwój oprzyrządowania naukowego, nie tylko w chemii , ale we wszystkich naukach ścisłych. W chemii wprowadzenie nowej aparatury w latach czterdziestych XX wieku było „niczym innym jak rewolucją naukową i technologiczną”, w której odrzucono klasyczne mokre i suche metody strukturalnej chemii organicznej i otworzyły się nowe obszary badań.

Już w 1954 roku WA Wildhack omawiał zarówno produktywny, jak i destrukcyjny potencjał tkwiący w sterowaniu procesem. Zdolność do dokonywania precyzyjnych, weryfikowalnych i powtarzalnych pomiarów świata przyrody na poziomach, które wcześniej nie były obserwowalne, przy użyciu instrumentów naukowych, „zapewniła inną teksturę świata”. Ta rewolucja w zakresie oprzyrządowania zasadniczo zmienia ludzkie możliwości monitorowania i reagowania, co ilustrują przykłady DDT oraz wykorzystania spektrofotometrii UV i chromatografii gazowej do monitorowania zanieczyszczeń wody .

Zobacz też

Linki zewnętrzne

Pobrano z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Instrumentation&oldid=1141577288 ”