上篇 自动化仪表

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，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，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连接起来，使控制系统网络化，十分有利于工业企业实现高层次的综合自动化。

自动化仪表与控制理论一样，都是自动化工作者的研究内容。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。

本篇内容

●自动化仪表概述

●检测仪表

●调节器

●集散控制系统与现场总线控制系统

●执行器和防爆栅

自动化仪表概述

0.1 自动化仪表及其发展概况

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。本课程要讨论的不是这些通用仪表，而是讨论工业自动化中，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，称为自动化仪表。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。不难想象，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，互不兼容的。这对于用户来说，其维护和备品备件将是无法解决的问题。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，它们之间的互连信号标准必须统一。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。自动化工程师的主要工作是“系统集成”。

自动化仪表作为一类专门的仪表，最早出现于20世纪40年代，当时由于石油、化工、电力等工业对自动化的需要，出现了将测量、记录、调节仪表组合在一起的多功能自动化仪表。此后，随着大型工业企业的出现，生产向综合自动化和集中控制的方向发展，人们发现多功能仪表的结构不够灵活，不如将仪表按功能划分，制成若干种能独立完成一定功能的标准单元，各单元间以标准联络信号相互联系，这样，仪表的性能容易提高。在使用中可以根据需要，选择一定的单元，积木式地把仪表组合起来，构成各种复杂程度不同的控制系统。这种积木式的仪表就称为单元组合式仪表。显然，将多功能仪表分解为若干基本单元的做法，无论对仪表厂的大量生产，还是对用户的选用和维护都是有利的。尽管近年来随着自动化仪表由模拟技术向数字技术的发展，仪表的功能结构又重新由单功能向多功能转变，但这种按功能划分标准单元的思路在仪表内部还是被充分地肯定下来。

自动化仪表除了有上述不同的功能结构外，还可根据能源的种类，分为电动、气动等仪表。其中气动仪表的出现比电动仪表早，而且价格便宜，结构简单，特别对石油化工等易燃易爆的生产现场，具有本质性的安全防爆性能，因而在相当长的一段时间里，一直处于优势地位。但从20世纪60年代起，由于电动仪表的晶体管化和集成电路化，控制功能日益完备，在使用低电压、小电流时，可在电路上及结构上采取严密措施，限制进入易燃易爆场所的能量，从而保证在生产现场不会发生足以引起燃烧或爆炸的“危险火花”。这样，限制电动仪表在易燃易爆场所使用的一个主要障碍被扫除，电信号比气压信号在传送和处理上的优越性就能得到充分的发挥。大家知道，气压信号传递速度慢，传输距离短，管线安装不便。相比之下，电信号传输、放大、变换、测量都比气压信号方便得多，特别是电动仪表容易和计算机配合使用，实现生产过程的全盘自动化。因此，电动仪表取得了压倒的优势。