Jakie są rodzaje instrumentów automatycznych?

Wielu nowicjuszy w dziedzinie oprzyrządowania czuje się przytłoczonych, gdy po raz pierwszy widzą mnóstwo instrumentów na miejscu.

Przy nazwach takich jak manometry, termometry, przepływomierze, wodowskazy, zawory regulacyjne, przetworniki, sterowniki PLC, systemy DCS, alarmy i analizatory, łatwo pogubić się w ich kategoryzacji.

W rzeczywistości oprzyrządowanie automatyki nie jest tak skomplikowane. Z perspektywy miejsca pracy, koncentruje się ono głównie na jednym celu: pomiarze parametrów procesu, ich transmisji, wyświetlaniu i sterowaniu nimi – a także zapewnieniu alarmów i ochrony sprzętu, gdy jest to konieczne.

Na podstawie funkcji, instrumenty automatyki można ogólnie podzielić na sześć głównych kategorii:

Instrumenty pomiarowe terenowe, instrumenty sterowania terenowego, aktuatory terenowe, instrumenty wyświetlania i rejestracji, instrumenty regulacji/sterowania oraz specjalistyczne instrumenty pomiarowe.

I. Co robią instrumenty automatyki?

Instrumenty automatyki to nie tylko urządzenia do "odczytu wartości".

W kompletnym obwodzie sterowania, instrumenty pomiarowe zbierają parametry terenowe, sterownik przeprowadza analizę i obliczenia, aktuator wykonuje działania, a instrumenty wyświetlania/rejestracji prezentują dane operatorom i przechowują je dla systemu.

Weźmy na przykład obwód sterowania temperaturą: termopara lub termometr rezystancyjny mierzy temperaturę; przetwornik temperatury wysyła sygnał do sterownika PLC lub DCS; sterownik oblicza wymaganą reakcję i wysyła sygnał; a na końcu zawór regulacyjny dostosowuje przepływ pary, gorącej wody lub wody chłodzącej.

Dlatego instrumenty nie istnieją w izolacji. Podczas rozwiązywania problemów na miejscu, nie można skupiać się tylko na jednym wskaźniku; instrument musi być analizowany w kontekście całego obwodu sterowania.

II. Instrumenty pomiarowe terenowe

Instrumenty pomiarowe terenowe służą jako źródło danych dla systemów automatyki. Jeśli pomiary są niedokładne, kolejne funkcje wyświetlania, rejestracji i sterowania będą naruszone.

Typowe instrumenty pomiarowe terenowe obejmują te do pomiaru poziomu cieczy, ciśnienia, temperatury i przepływu, a także analizatory gazów i cieczy.

Wodomierze służą do pomiaru poziomu cieczy, materiałów lub pozycji interfejsu w zbiornikach magazynowych, kolumnach, reaktorach i silosach. Typowe rodzaje obejmują wodowskazy magnetyczne, wodowskazy pływakowe, wodowskazy radarowe, wodowskazy ultradźwiękowe, wodowskazy pojemnościowe, wodowskazy różnicy ciśnień i czujniki poziomu.

Instrumenty ciśnieniowe służą do pomiaru ciśnienia, różnicy ciśnień lub poziomu próżni w rurociągach, zbiornikach i urządzeniach. Typowe rodzaje obejmują manometry, przetworniki ciśnienia, przetworniki różnicy ciśnień, czujniki ciśnienia i presostaty. Manometry są używane głównie do odczytów na miejscu, przetworniki ciśnienia do zdalnej transmisji sygnału, a presostaty do alarmów i funkcji blokowania.

Instrumenty temperatury mierzą temperaturę medium lub powierzchni sprzętu. Typowe rodzaje obejmują termometry bimetaliczne, termometry szklane, termopary, czujniki temperatury rezystancyjne (RTD), przetworniki temperatury, termostaty i termometry na podczerwień. Termopary nadają się do zastosowań wysokotemperaturowych, podczas gdy RTD lepiej nadają się do pomiarów w niskich i średnich temperaturach.

Instrumenty przepływu mierzą natężenie przepływu gazów, cieczy lub pary. Typowe rodzaje obejmują przepływomierze elektromagnetyczne, wirowe, turbinowe, ultradźwiękowe, masowe, z kryzą pomiarową i zmiennym przekrojem (rotametry). Wybór wymaga starannego zweryfikowania medium, zakresu przepływu, ciśnienia i temperatury, lepkości, przewodności oraz wymagań dotyczących prostego odcinka rurociągu.

Analizatory gazów wykrywają skład i stężenie gazów. Typowe rodzaje dostępne na rynku obejmują analizatory tlenu, detektory gazów palnych, detektory gazów toksycznych, analizatory gazów na podczerwień, analizatory gazów z przewodnością cieplną, analizatory gazów laserowych i chromatografy gazowe.

Analizatory cieczy mierzą parametry takie jak pH, przewodność, mętność, stężenie, gęstość, lepkość, tlen rozpuszczony, ChZT i azot amonowy. Instrumenty te wymagają stosunkowo wysokiej konserwacji; czyszczenie, kalibracja i inspekcja linii pobierania próbek są niezbędnymi zadaniami.

III. Instrumenty sterowania terenowego

Instrumenty sterowania terenowego odpowiadają za przetwarzanie sygnałów na miejscu, konwersję sygnałów i lokalne sterowanie.

Typowe rodzaje obejmują instrumenty sterowania pneumatycznego, elektrycznego i hydraulicznego.

Instrumenty sterowania pneumatycznego wykorzystują sprężone powietrze jako źródło zasilania; mają stosunkowo proste konstrukcje i pozostają cenne w zastosowaniach przeciwwybuchowych. Instrumenty sterowania elektrycznego wykorzystują sygnały elektryczne, co ułatwia ich integrację ze sterownikami PLC, DCS i komputerami nadzorującymi. Instrumenty sterowania hydraulicznego zapewniają dużą siłę wyjściową i są zazwyczaj stosowane w zastosowaniach o dużym obciążeniu lub dużym nacisku.

Kluczowe czynniki przy wyborze tych instrumentów obejmują sygnały wejściowe/wyjściowe, dokładność sterowania, szybkość reakcji, warunki zasilania, stopień ochrony przeciwwybuchowej, środowisko pracy i interfejsy systemowe.

IV. Aktuatory terenowe

Aktuatory terenowe to elementy w obwodzie sterowania, które faktycznie wykonują działanie fizyczne.

Po wydaniu polecenia przez system sterowania, aktuator wykonuje je, regulując zawory, przepustnice, zasuwki lub inne konstrukcje mechaniczne w celu zmiany warunków procesu, takich jak natężenie przepływu, ciśnienie, poziom cieczy lub temperatura. Typowe urządzenia wykonawcze obejmują zawory sterujące pneumatyczne, elektryczne i hydrauliczne; zawory odcinające; zawory motylkowe; zawory kulowe; zawory zasuwowe; siłowniki; pozycjonery zaworów i inteligentne pozycjonery zaworów.

Podczas konserwacji terenowej należy patrzeć poza to, czy aktuator może po prostu otwierać i zamykać. Konieczne jest również sprawdzenie płynności działania, dokładności pozycjonowania, normalnych sygnałów sprzężenia zwrotnego, odpowiednich czasów reakcji i czy pozycja awaryjna spełnia wymagania procesu.

Wiele fluktuacji sterowania wynika nie z ustawień parametrów sterownika, ale z problemów takich jak zacinanie się zaworów, niedokładne pozycjonery, niestabilne ciśnienie zasilania powietrzem lub powolna reakcja siłownika.

V. Instrumenty wyświetlania i rejestracji

Instrumenty wyświetlania i rejestracji pokazują parametry terenowe, stan sprzętu i informacje o alarmach, a także przechowują krytyczne dane.

Typowe przykłady obejmują wyświetlacze cyfrowe, wyświetlacze analogowe, sterowniki wyświetlające, skanery wielopunktowe, rejestratory papierowe, rejestratory bezpapierowe, panele HMI z ekranem dotykowym, terminale stacji operatora oraz urządzenia alarmowe dźwiękowe/wizualne.

Wyświetlacze cyfrowe nadają się do monitorowania parametrów w jednym punkcie. Sterowniki wyświetlające mogą zawierać funkcje alarmowe i podstawowe funkcje sterowania. Rejestratory bezpapierowe są idealne do śledzenia trendów parametrów, takich jak temperatura, ciśnienie, przepływ i poziom. Panele HMI i stacje operatora służą do interfejsów wizualnych, konfiguracji parametrów, monitorowania alarmów i obsługi sprzętu.

Kluczowe kryteria wyboru obejmują sygnały wejściowe, metody wyświetlania, interwały rejestracji, pojemność pamięci, interfejsy komunikacyjne, wyjścia alarmowe i ochronę przed utratą zasilania.

VI. Instrumenty regulacji i sterowania

Instrumenty regulacji i sterowania służą jako "mózg" systemu automatyki, zajmując się automatyczną regulacją, sterowaniem logicznym, sterowaniem sekwencyjnym i ochroną bezpieczeństwa.

Typowe urządzenia terenowe obejmują sterowniki PID, regulatory jedno- i wielopętlowe, sterowniki PLC, systemy DCS, systemy FCS, systemy ESD, systemy SIS i komputery przemysłowe.

Sterowniki PID są zazwyczaj używane do regulacji parametrów ciągłych, takich jak temperatura, ciśnienie, przepływ i poziom. Sterowniki PLC są powszechnie stosowane do operacji uruchamiania/zatrzymywania sprzętu, sterowania sekwencyjnego, ochrony blokującej i przetwarzania sygnałów dyskretnych (włącz/wyłącz). Systemy DCS nadają się do scentralizowanego monitorowania i rozproszonego sterowania dużymi jednostkami produkcyjnymi ciągłymi. Systemy SIS i ESD są używane głównie do blokowania bezpieczeństwa i wyłączeń awaryjnych; nie należy ich traktować jedynie jako standardowych systemów sterowania.

Czynniki wyboru obejmują sterowany proces, liczbę punktów I/O, strategię sterowania, protokoły komunikacyjne, wymagania dotyczące redundancji, poziomy integralności bezpieczeństwa (SIL), zarządzanie alarmami i długoterminowe możliwości konserwacji.

VII. Specjalistyczne instrumenty pomiarowe

Specjalistyczne instrumenty pomiarowe są używane głównie do wykrywania unikalnych parametrów, monitorowania stanu sprzętu i przeprowadzania kalibracji terenowej. Typowe przykłady obejmują monitory drgań wału, monitory przemieszczenia wału, tachometry, instrumenty wagowe, grubościomierze, kalibratory sygnałów, detektory płomienia, analizatory wilgotności online, mierniki gęstości online i instrumenty monitorowania stanu sprzętu.

Instrumenty do pomiaru drgań wału, przemieszczenia wału i prędkości obrotowej są zazwyczaj stosowane na urządzeniach wirujących, takich jak sprężarki, turbiny parowe, wentylatory i pompy. Instrumenty wagowe są używane w silosach, na wagach taśmowych oraz w systemach dozowania lub pakowania. Grubościomierze służą do pomiaru grubości płyt, rur i ścian zbiorników, a także grubości powłok. Detektory płomienia są powszechnie stosowane do ochrony przed spalaniem w kotłach, piecach grzewczych i spalarniach.

Wybór tych instrumentów wymaga uwzględnienia czynników takich jak typ sprzętu, mierzony parametr, lokalizacja instalacji, szybkość reakcji, sygnały wyjściowe i wymagania dotyczące ochrony.

VIII. Kluczowe punkty dotyczące wyboru i użytkowania na miejscu

Przy wyborze instrumentów automatyki nie należy skupiać się wyłącznie na numerze modelu i cenie.

Najpierw zidentyfikuj mierzony parametr; następnie określ zakres pomiarowy, dokładność, materiały konstrukcyjne, metodę instalacji, zasilanie i sygnał wyjściowy.

Jeśli medium jest korozyjne, części mające kontakt z medium muszą być wykonane z odpowiedniego materiału. W przypadku mediów wysokotemperaturowych należy rozważyć odprowadzanie ciepła, kondensację, izolację i osłony termometryczne. Jeśli medium jest podatne na krystalizację lub zatykanie, lub zawiera zanieczyszczenia, należy rozważyć zastosowanie membran, przedmuchów, płukania lub wstępnego przygotowania próbki. Na obszarach o znaczących wibracjach należy rozważyć montaż na wsporniku i lokalizację instalacji.

Po uruchomieniu instrumentu, regularnie sprawdzaj punkt zerowy, zakres, okablowanie, zasilanie, uziemienie, komunikację, wyjścia alarmowe i stan blokady.

Podczas rozwiązywania problemów na miejscu, postępuj zgodnie z tą sekwencją: sprawdź zasilanie, następnie sygnał, następnie okablowanie, następnie ustawienia parametrów, a na końcu element czujnikowy i warunki procesu.

Podsumowanie

Klasyfikacja instrumentów automatyki nie jest trudna do zapamiętania, ponieważ każdy typ wykonuje określoną funkcję.

Na przykład, instrumenty pomiarowe zbierają dane; instrumenty sterowania zajmują się przetwarzaniem sygnałów; aktuatory wykonują fizyczne działania w terenie; instrumenty wyświetlania i rejestracji pokazują i zapisują dane; instrumenty regulacji i sterowania zarządzają sterowaniem i blokadami; a specjalistyczne instrumenty pomiarowe wykrywają unikalne parametry.

Gdy jesteś faktycznie na miejscu, nie traktuj instrumentu jako samodzielnego urządzenia. Rozważ go w kontekście całego obwodu sterowania, a wiele problemów stanie się łatwiejszych do zdiagnozowania.