仪器仪表中自动化控制的探究

2022-06-01张广岭

中国金属通报 2022年2期

张广岭

工业仪器仪表涵盖温度仪表、压力仪表、流量仪表、电工仪表、测量仪器以及各种分析仪器等多个种类，在工业生产当中，这些仪器仪表主要担负着监测设备是否正常运行的责任，因此，仪器仪表的自动化控制技术水平与工业生产的可持续性以及企业的经济效益直接挂钩，这就需要技术人员应当熟悉掌握各种仪器仪表的技术原理以及自动化控制技术，并最大限度的降低仪器仪表的故障率，以确保工业生产流程能够正常进行。

1 工业仪器仪表的类别与性能分析

工业仪器仪表种类繁多，按照功能用途划分主要包括温度仪表、压力仪表、流量仪表、电工仪器仪表、电子测量仪表、分析仪器以及实验仪器等。其中，在工业生产领域最为常见的温度仪表为热电偶、热电阻（如图1 所示）、温度传感器等，压力仪表包括压力计、压力变送器、压力传感器等，流量仪表包括流量计、流量传感器、流量变送器、液位计以及液位控制器等，电工仪器仪表包括电流表、电压表、万用表、整流器等，电子测量仪器包括物位仪、示波器、LCR 测量仪等，分析仪器包括色谱仪、光度计、波谱仪等，而实验仪器则包括天平、热量计、硬度计、真空测量仪器等。

图1 热电阻

衡量和评价工业仪器仪表性能的优劣需要参考精确度、灵敏度以及响应时间这三项技术指标。首先就精确度而言，是保障监测结果准确性的一项关键指标，这项指标直接关系到设备的运行状态是否正常，而衡量该项指标的主要原则是仪器仪表的测量结果与被测量真值之间的一致程度，通常用等级予以划分，比如0.1 级、0.2 级、0.5 级等，其中，0.1 级是指仪器仪表的监测误差应当保证在±1.0%范围之内，级别越小，则代表监测误差越小。灵敏度是指被测的量值产生很小的增量时，其增量值与引起仪器仪表示值增量的比值，比值越小，说明仪器仪表的灵敏度越高。而响应时间则当仪表输入一个阶跃量时，其输出由初始值第一次到达最终稳定值的时间间隔，如果稳定值始终保持在95%以上，则说明仪器仪表的响应时间短。

2 仪器仪表的工作原理

2.1 温度仪表的工作原理

以电阻式温度计为例，该温度仪表的测温原理是基于导体或者半导体的电阻值，随着被测量对象的温度变化而变化的这一特性来辨识和测取与温度相关的参数。一般情况下，被测量对象的温度越高，其电阻值就越大。但是，对于一些具有负的电阻温度系数的半导体材料来说，被测量对象的温度越高，电阻值则越小。目前，在工业生产领域，较为常见的电阻式温度计所选用的热电阻元件主要包括铂热电阻、铜热电阻以及半导体热敏电阻。铂热电阻由高纯度的铂丝绕制而成，利用这种材质制成的电阻，具有测量精度高、抗氧化能力强、使用性能安全稳定等特征。但是，受到高温条件的影响，铂丝在还原性的工作环境下，表面极易被氧化而变脆，因此，在使用这种类型的仪表时，需要采取套管保护的方法，来避免铂丝变脆情况的发生。相比对铂热电阻，铜热电阻价格低廉，经济性好，但是，测量精度相对较低，而且一旦所处的环境温度超过100℃，铜丝极易与氧气发生氧化反应，因此，这种类型的热电阻多用于-50℃～150℃的工作环境。而半导体热敏电阻具有较高的灵敏度，在测量动态温度时，测量精度较高。但是，由于内部元器件稳定性差，不仅使用寿命短，而且在常规工作环境中测得的数值精度较差。

2.2 压力仪表的工作原理

压力仪表主要用来测量气体、液体和蒸汽压力的仪表，主要包括液柱式压力计、活塞式压力计等多种类型。以液柱式压力计为例，按照压力计的外形特点划分，主要包括U 型压力计与、单管压力计（如图2 所示）以及斜管压力计。这种类型的压力计，其工作原理主要是应用液体静力学原理，多用于测量压力小于200Kpa 的压力容器。这种压力计内部的液体类型多以水银、水、酒精、四氯化碳、甘油为主，在工业生产过程中，液柱式压力计一般被看作是标准压力计，即其它压力计测量结果需要与液柱式压力计进行比对。

图2 U 型压力计结构形式单管压力计结构形式

在测量设备与容器压力时，可以通过液柱高度与压力之间的换算关系得到最后的标准压力值，即P=ρgh N/m2，公式当中的ρ 代表液体密度，h 代表液体高度，g 代表重力加速度。在工业生产中，常用液柱式压力计的计量刻度每一小格为1mm，测量精度较高的分格为0.5mm。U 型压力计液柱高度误差值为±1mm，而单管压力计液柱高度误差值为±0.5mm。

2.3 流量仪表的工作原理

以容积式流量计为例，其基本工作原理是流量计的进出口位置存在一定的压力差，在这一差值的作用下，流量计内部的转子将随之旋转，这时，流量计内部流体从入口处向出口处排出，进而充满计量空间，因此，只需要测出转子的转动次数，便可以得到流体的体积，其计算公式如下：V=Nv，其中，流体的体积为v，转子的转动次数为N，二者的乘积即是流体体积的累积量。如果仪表的齿轮比常数为a，仪表指示值不I，那么I 与转子转动次数的关系式为I=aN，根据上述两个计算式，能够准确判定出流体体积与仪表指示值之间的关系。

2.4 色谱仪工作原理

色谱仪主要是用来测量高分子材料的某种物质的含量，在化学化工行业得到广泛应用。以气相色谱仪为例，该仪器的内部结构主要包括载气系统、进样系统、分离系统、检测系统与记录系统。其中载气系统较为常用的载气类型为氨气和氮气，进样系统包括进样器与汽化室，汽化室温度一般保持在20℃～400℃之间，主要作用是将被测量的物质转化成为蒸气形态，然后被载气直接带入到色谱柱当中。分离系统的核心装置是色谱柱，另外还包括恒温控制装置与柱箱。检测系统主要由检测器与控温装置组成，检测箱体中的温度应当略高于柱温或者与柱温相同，在这种情况下，才能保证检测精度。而记录系统主要是由放大器、记录器以及数据处理装置组成，气相色谱仪的工作原理如图3 所示。

图3 气相色谱仪的工作原理

3 工业仪器仪表的自动化控制技术

近年来，计算机与微电子技术迅猛发展，在这一背景之下，工业仪器仪表的自动化水平也越来越高，而且在工业生产当中的应用效果与价值也逐步突显出来。因此，有必要对工业仪器仪表的自动化控制技术进行深入剖析和解读。

3.1 系统集成技术

系统集成技术是微电子时代的标志性技术，这项技术将过去一些分散的元器件集合到一起，而功能性则表现的越加强大，尤其在仪器仪表的中枢系统当中，通过设置通信模块、系统解析模块以及物理层等集成单元，使仪器仪表的监测精度与灵敏度大幅提升。运用该技术，仪器仪表能够对每道生产工序进行实时监测与动态监测，一旦系统出现温度异常、压力异常或者运行故障，仪器仪表将快速做出反应，以规避因设备故障而造成的经济损失。因此，仪器仪表的系统集成技术实际上在促进生产效率提升，降低生产成本方面表现的更加明显。

3.2 智能化技术

仪器仪表自动化控制集合了计算机技术、微电子技术、数字技术、人工智能技术等一些高端技术类型，因此，仪器仪表在正常工作状态下，借助于这些智能化技术，能够精准高效的完成监测与检测任务。尤其在机械制造领域，利用先进的智能化技术，仪器仪表可以对各种零部件的加工精度进行精准识别，一旦加工精度与标准要求出现较大的误差，系统将第一时间把各项数据参数反馈给终端操作平台，技术人员通过对反馈数据的分析，能够及时对错误的运行程序进行纠正，进而使整个生产过程能够始终保持正常状态。

3.3 人机界面交互技术

人机界面交互技术实际上是将运行程序转化为通俗易懂的信息，以便于技术人员能够快速读懂信息内容，进而对仪器仪表进行有效控制。这种技术主要借助于系统当中的各个功能模块，每一个模块所发挥的作用各不相同，因此，传输的信号与程序指令也存在较大差异。这时，利用人机界面交互技术，系统可以对传输信号进行智能化处理，进而将其转化成为可视化信号，然后在终端操作平台显示出来，平台操作人员可以根据这些简单易懂的文字、图形与数据准确判断出设备的运转状态是否正常，并可以同步了解和掌握各种设备的实际运转状况。如果从终端显示界面上发现设备运转存在异常情况，操作人员将及时把信息反馈给技术人员，并对故障类型与部位进行分析查找，进而在短时间排除故障隐患。

3.4 传感检测技术

传感器作为一种智能化、数字化、微型化、多功能化的检测装置，在工业仪器仪表的监测过程中发挥着关键性作用。一方面，传感器可以将系统采集的信号与数据转换成为电信号，然后直接传输到功能执行单元，进而完成信息的存储、处理、显示与控制功能。另一方面，利用传感检测技术可以快速查找出设备运行过程中存在的故障与问题，并准确识别出故障区域，这就给设备检修争取了大量时间。目前，工业仪器仪表中的传感器主要包括两种类型，一种是参量型传感器，另一种是发电型传感器，参量型传感器主要输出电阻、电感、电容等无源电参量，而发电型传感器则输出电压或者电流，最具代表性的是热电偶传感器、光电传感器以及磁电传感器，传感器检测系统结构示意图如图2 所示。

图4 传感器检测系统结构示意图

4 仪器仪表自动化控制技术的应用策略

近年来，工业仪器仪表逐步向微型化与智能化方向过渡，而仪器仪表在实际应用过程中，如果仅仅掌握一些理论技术知识则难以将其付诸于实践，进而使仪器仪表的实际应用价值被忽略，因此，为了进一步提高仪器仪表的监测精度与灵敏度，技术人员应当重点关注以下几方面问题。

4.1 制订周期性维护计划

工业仪器仪表属于精密型的监测设施，而且系统内部由大量的灵敏性元器件组成，受到工业生产恶劣作业环境与条件的影响，仪器仪表的持续运转时间长，外界施加的不利因素多，以至于给仪器仪表的使用寿命造成严重影响。因此，为了提高仪器仪表的监测精度，延长仪表的使用寿命，技术人员针对不同类型的仪表，应当制订一个周期性维护保养计划，对仪表在一个生命周期内的运行状况予以监测和记录。首先，需要深入了解各种仪表的结构组成与工作原理，然后对仪表所处的外部环境进行统计记录。比如高温环境、高湿环境、高压环境或者粉尘浓度大的环境等，接下来，结合仪表的故障类型，及时查找出故障诱因，以针对性的采取维修或者维护措施。另外，仪表每一个生命周期的运行参数都存在较大差异，技术人员应当对每一个运行周期的运行状态参数进行详细记录，比如温度参数、压力参数、液位高度等，这样可以为日常维护保养提供更加有力的参考依据，而且也是延长仪表使用寿命的一条有效路径。

4.2 注重安装调试环节

如果仪器仪表的安装调试环节出现差错或者问题，将严重影响仪表的正常运行。比如以压力计为例，在安装调试过程中，由于工作人员疏忽而遗漏了校准工序，在这种情况下，当设备运行压力值超过临界压力值时，压力计所监测到的数据仍为正常值，这时，一些压力容器极易发生爆炸等安全事故，因此可以说，忽略了安装调试环节的重要性等同于埋下了重大的安全隐患。出于对这方面的考虑，工业生产企业应当定期举办内部专业技术培训班，将仪器仪表的安装程序以及调试方法等内容纳入到培训计划当中，并通过集中培训的方式，来持续提升技术人员的专业水平。另外，为了避免安全事故的发生，企业针对仪表故障应当制订一套应急响应预案，一旦在安装调试过程中，发现仪表存在故障隐患，应当及时启动应急响应预案，进而将故障风险的发生概率降到最低点。

4.3 优化仪器仪表性能与结构

自动化仪器仪表与控制系统的兼容性一直是技术人员普遍关注的焦点问题，如果兼容性差，仪器仪表的部分功能也将被屏蔽，进而影响监测数据的精准性，基于对这一点的考虑，技术人员应当充分发挥计算机技术的优势，利用一些较为先进的算法对仪器仪表的内部结构进行改造，对仪器仪表的工作性能进行优化。比如遗传算法、蚁群算法、神经网络算法、二次型最优算法等。以蚁群算法为例，从字面意思理解可以得知该算法产生的灵感来自于蚂蚁觅食过程中发现路径的行为，这种算法属于一种模拟进化算法，利用该算法可以对PID 控制器的参数进行优化，优化后的各项参数不仅能够提升仪器仪表的监测精度，而且也可以运算过程也极为简化。另外，对仪器仪表的处理器来说，可以向微型处理器过渡，比如说较为常见的单片机，这是一种较为典型的嵌入式微控制器，主要由运算器、控制器、存储器以及输入输出设备组成，虽然单片机体积微小，但是却相当于一台微型计算机，尤其在高速单片机出现以后，使得系统的运算速度大幅提升，在这种情况下，仪器仪表的监测效率也提升到一个新的高度。