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图说工业自动化仪表与控制的变迁

[中国仪表和自动化技术,应用和产业发展]

作者:范忠琪 文章来源:PS《流程工业》  点击数:2818  发布时间:2013-05-31
回顾新中国60年的工业发展进程中,工业自动化仪表和技术起着重要作用,本文试图以图片为主的形式来简述我国仪表自动化技术和应用的发展历程.

回顾新中国60年的工业发展进程中,工业自动化仪表和技术起着重要作用,本文试图以图片为主的形式来简述我国仪表自动化技术和应用的发展历程。通过《流程工业》平台,抛砖引玉,请自动化仪表前辈执笔,把自己丰富的经历记录下来,给后人留下宝贵的经验和资料,供同仁分享,见证历史,开创未来。

纵观工业自动化仪表发展的60年,可以用图1、2和3来展示。

中国古代论语“温故而知新,可以为师矣。从图1、2、3可以看出我国工业自动化仪表都由机械式仪表开始,经模拟式向数字式发展。历史充分说明,只有不断吸收当代新技术来完善自身功能,才能与时俱进、延长产品的生命周期,生存发展。

20世纪40年代以来,从仪表的测量(传感变送)、控制(运算)、显示(记录)和执行四大功能的演变来看:最初,在自力式调节器中4种功能高度集中;40年代后期,出现了基地式调节仪表,把执行功能分离出去,而气动、电动单元组合仪表则把另外3种功能也彻底分散为各个单元;80年代后期,由于计算机技术的引入,又把控制(运算)和显示(记录)功能分别集中于控制站和操作站;如今,由于现场总线和无线技术的推广应用,各功能重新组合集成于变送器或执行机构中,似乎又回到了基地式调节仪表的结构。真可谓“分久必合,合久必分”,从技术角度而言,这是周而复始地呈螺旋式上升。

工业自动化仪表发展轨迹同样符后技术系统的S曲线进化法则。典型的S曲线是描述一个技术系统的完整生命周期。工业自动化仪表发展的S曲线如图4所示。

当一个技术系统的进化完成4个阶段后,必然会出现一个新的技术系统或产品来替代它,或用新技术来完善延长其生命周期,如此不断的向前发展。

温度测量技术的进展

温度测量技术从50~60年代起,现场操作要求在设备上能看到温度测量值,主要使用工业水银温度计,由于仪表无水银化测量的要求已逐步被工业双金属温度计等所取代,其次是变色测温片和温包式温度计等 。如今最普及应用的测温元件是热电阻和热电偶。70年代以来,伴随工业自动化仪表技术发展,气动、电动、一体化和无线温度变送器等系列产品均先后进入市场,广泛使甪。

当被测量的温度高于热电偶所能使用的范围,以及热电偶不可能安装或不适宜安装的场所,70年代用光学高温计一般可以满足这个要求。 它广泛地用来测量冶炼、浇铸、轧钢、热处理等温度,是冶金、化工和机械等工业生产过程中不可缺少的温度测量仪表之一。80年代起采用数字式红外线点温度计。它是将物体发射的红外线具有的辐射能转变成电信号,红外线辐射能的大小与物体本身的温度相对应,根据转变成电信号大小,可以确定物体的点温度。21世纪红外测温技术已发展到可对有热变化表面进行扫描测温,确定其温度分布图像,迅速检测出隐藏的温差, 这就是红外热像仪.红外热像仪是一种用来探测目标物体的红外辐射,红外热成像仪,具有上万个探测器 ,并通过光电转换、电信号处理等手段,将目标物体的温度分布图像转换成视频图像的高科技产品,可以用来测量运动物体的温度场的变化。

红外热像仪是一个发展前景非常广阔的新兴高科技产品,红外热像仪广泛应用于军民两个领域。在现代战争条件下,红外热像仪已在卫星、导弹、飞机等军事武器上获得了广泛的应用;同时,随着非制冷红外热成像技术的发展,尤其是随着产业化过程中生产成本的大幅度降低,红外热像仪已在电力、消防、工业、医疗、安防等国民经济的各个部门得到了非常广泛的应用。适合工业设备热故障查寻的安全检测设备 ,可以对运动的物体进行测温 。是目前最佳的无损检测手段之一,深受业界重视。详见图5温度测量技术的进展。

差压式流量计的进展

我们不妨再以差压式流量计产品发展为例再来回顾一下这段历史,详见图6所示。

自1738年瑞士人丹尼尔以伯努利方程为基础,利用差压法测量水流量以来,此技术已很成熟。该方法约占各种流量测量方法的70%。在这漫长的发展进程中,节流装置一直沿用至今。作为差压式流量计的差压检测部件,即差压变送器,最初采用U型双管差压计和仿苏的机械式浮子水银差压计,后为实现无水银化检测,被双波纹差压计所取代。20世纪50年代的电感膜盒式差压变送器,是利用压差使铁芯在线圈内上下移,形成电感量发生变化,能将差压信号转成电信号进行远传。60年代出现了气动、电动式力平衡式差压变送器。70年代出现了原理上有大的创新的微位移式差压变送器,上述都以模拟技术为主要特征。80年代,因智能变送器的出现,以数模混合技术为特征,标志着模拟仪表向数字化智能仪表的转变,形成一体化(集成)差压变送器产品。21世纪以来,无线、多变量变送器和太阳能供电变送器均纷纷上市。

差压变送器传递的模拟信号,也由多种电气信号0~10mv、0~10mA、0~20mA等输出,发展到采用国际统一标准4~20mA信号,或带HARA协议输出,进入数字式后,有多种总线协议共存的现象,在众多的现场总线协议中,由浙江中控领衔制定的EPA协议已纳入国际标准,正在推广应用,为国人赢得话语权,这是一个良好的开端,目前正在积极推广应用中,差压变送器的检测信号传输的演变如图7所示。

流程工业控制操作的演变

人类在同自然进行长期的艰苦斗争中,积累了丰富的经验教训,有了飞跃的发展。在手工作坊时代,人类用手工操作方法制造机器,后来进入以金属(主要是铁)为材料、用机器进行生产加工的机械化时代,这就是第一次技术革命。随后是第二次技术革命的电气时代和第三次技术革命的电子时代,现在又在酝酿新的技术革命,用一种时髦的说法就是信息时代,或知识经济社会等等。综观这三次技术革命,不难发现,由于工艺流程的改进和生产规模的扩大,仪器仪表与自动化技术的发展对流程工业的操作演变起着决定性作用。一旦了解这种总体的历史背景,就能理解,在新中国成立60年来流程工业控制操作方式的演变轨迹中,仪器仪表与自动化技术的发展同样起到不可替代的作用。60年来控制操作方式的演变如图8所示。

就地检测仪表操作

在20世纪50年代,主要是在工艺设备上直接安装工业温度计、弹簧管压力表和玻璃管液位计,进行现场目测参数,人工操作阀门,此方法一直保留至今。例如北京嘉铭园小区的自来水流量切换分流,就利用压力表和手动切换阀改变流向。

就地仪表盘操作

在20世纪60、70年代里常采用就地仪表盘操作。就是在工艺设备附近,设置就地仪表盘(柜),将检测或调节仪表直接装在仪表盘(柜)上。浙江大学化工自动化及仪表专出于1962年建立的实验装置采用就地仪表盘方式,增加了参数记录功能。当工艺装置检测点达到几十个时,通常在设备附近设立现场仪表盘(柜),为操作阀门方便,在工艺配管时有意把需操作的阀门集中安装在现场仪表盘(柜)附近,或加长阀门的手柄,便于就地集中操作,减轻劳动强度。可以讲目前某些设备或机组自带的专用仪表柜是在此基础上发展而成的。如能实现就地数字化仪表柜,进行就地监控,独立正常运行,再利用通讯手段与上级控制室保持联系,也是一种良策。

就地控制室仪表盘操作

当工艺装置检测点达到几十个时,又有易燃易爆有毒的泄漏气体时,不能在设备附近设立就地仪表盘(柜)进行操作,仪表盘(柜)与工艺设备环境需要隔离,则可在设备附近开辟单独房间,有自己单独的进风排风系统,来满足有防爆和防毒要求的工艺。例北京化工研究院1962年建成的深冷分离乙烯丙烯中试装置是配合兰化沙子炉裂解装置而研发的,由胡满江主任率吕武宣、陈书昆、王文均等人进行仪表自动化设计,而我参加了安装调试工作。当年北京化工研究院魏文德副院长指派我到兰州西固找兰州化学公司领导林华,邀请兰化304厂派仪表师傅前来指导安装。乙烯丙烯易爆易燃,要求采取防爆措施。就地仪表柜内要保持微正压,才能防止易爆易燃气体侵入,为此柜内要节耗大量压缩空气,故不宜设置就地仪表柜。就在装置区附近专设就地控制室。温度电偶信号用补偿导线引入控制室;压力、差压信号用14×2引压管引入。如工艺介质是易燃物质则应采用隔离罐进行隔离,隔离罐内充隔离液,隔离液应不与工艺介质发生化学反应且性能稳定,常用硅油或变压器油等。所有进控制室的管线均通过防爆隔离板,起防爆隔离作用。这些措施和如今的安全栅、隔离栅等功能相似。液位采用气动浮筒液位调节仪,具有PI调节作用,输出到动气动调节阀进行精馏塔塔釜液位调节。这种就地气动PI调节在20世纪60年代就广泛应用。深冷分离就地控制室仪表盘上安装基地式气动PID调节器、手动/自动切换器、园图位置控制记录仪和12点温度记录仪等。另外还设操作台,装有报警和运行信号灯及机泵启停操作开关等。就地控制室仪表盘如图9所示。

模拟工艺流程仪表盘操作

随着生产规模不断扩大,工艺生产过程对仪表自控的要求越来越高,检测控制点越来越多,基地式仪表和就地控制室操作方式满足不了比较复杂的工艺过程的要求。当时为观察工艺测量参数和便于实施现场操作,在仪表盘上增加模拟屏。模拟屏上人工绘制带检测点的主要工艺流程图,并安装运行和报警信号灯等来显示操作现状况,构成半模似流程操作盘。它可以直观形象地显示工艺流程和检测点,通过信号灯动态显示设备的运行和故障报警状态。也有在仪表盘上直接绘制主工艺流程,在检测点上开孔安装相应的仪表,显示当前设备的参数,构成全流程模拟操作盘。在20世纪60年代,这些带工艺流程的模拟屏均需向仪表盘制造厂特殊定制。20世纪90年代以来各高校和仪表盘制造厂先后研发推出了各种模拟屏系统,生产了一系列产品,如微电脑调度模拟屏、智能调度模拟屏、马赛克模拟工艺流程屏、污水处理屏、DLP大屏幕系统、LED电子显示屏系统等,广泛应用于石油化工厂、污水处理、煤矿选煤工艺、大型厂矿能源管理等领域。图14是污水水处理厂工艺流程模拟屏。

由硬件来组成的工艺流程模拟屏虽不太灵活和丰富生动,但这与目前DCS系统CRT操作站上由软件组态的工艺操作画面的操作指导思想是有共同之处。

基地式仪表在20世纪50~60年代以气动04型调节仪表为主,它具有PID调节功能,采用机械式机构,以压缩空能为动力,采用统一信号0.2~1kg/cm2。当年的仿苏04型压力调节仪表如图15所示。用气动差压调节仪表组成的流量调节系统如图16所示。用于自动调节温度的气动调节电子平衡电桥,利用电阻体作为测温元件,如图17所示。

基地式气动调节仪表采用统一的标准气源(1.4kg/cm2),用标准的输入输出信号(0.2~1.0kg/cm2),把测量、记录、调节功能组合在一起,调节输出到气动调节阀,很容易构成单回路调节系统,适合直接安装在工艺装置附近,用于现场型单回路调节系统,可降低制造成本,缩短传输距离,提高响应速度,增强稳定性、可靠性。所以讲PID调节功能置于现场早在50年代就有了,可惜是机械模拟量的控制,远不及现埸总线采用数字量的优越。

也可安装在就地控制室仪表盘上,但距离受限制,容易导致信号传递滞后。又因仪表面尺寸大,在仪表盘上安装数量有限,所以只适合几十个测控点场合。应用实践证明只要气源压缩空气符合要求,气动单回路PID调节就能长期稳定工作,具有可靠性高、本质安全防爆、价格便宜等优点,其缺点是信号难以远传,实现的功能也有限制。

随着工业规模的不断扩大,特别是石油化工工业的迅速发展,工业生产过程的检测点增加,要求仪表盘上进行高密度的安装, 进行集中操作与控制,基地式仪表越来越不适应这一新的形势要求,且结构也不够灵活,于是产生不如将其分解为若干基本单元的想法, 例如变送单元、显示单元、控制单元等,每一个单元都能独立完成一定功能,各单元间以统一标准的信号相互联系;使用时可以根据检测与控制的需要,选择一定单元,用硬线把各个单元连接起来,就能组成各种单参数或多参数的自动控制系统。
为了适应和满足时代的需要,研发单元组合仪表就有了社会基础。

单元组合仪表控制室操作

1.气动单元组合仪表

气动单元组合仪表的组成表详见图14。

20世纪50年代后期,我国的工业自动化水平还比较落后。第一个五年计划期间,时为“老大哥”的前苏联援助中国156个项目,其中之一为年处理能力100万吨原油的兰州炼油厂,该厂配备的自动化工具主要是前苏联生产的AYC气动单元组合仪表、04型气动温度调节仪表和气动执行机构。兰州一些大型化工厂、化肥厂由于当时电动单元组合仪表的安全防爆问题尚未彻底解决,难以满足化工、炼油等对防火防爆要求,也大量使用了气动仪表。

按照当时的机械部仪表局下达的气动单元组合仪表联合设计的要求,上海热工仪表研究所首先与广东仪表厂合作,试制QDZ型气动单元组合仪表。厂所合作,历时数月,1963年完成了QDZ型气动单元组合仪表部分单元的试制。研究人员分别到西安仪表厂和上海自动化仪表一厂,同厂里的技术人员联合设计其他品种,并试制投产。1974年开始联合设计QDZ-III型气动单元组合仪表,由重庆工业自动化仪表研究所负责,参加单位有广东仪表厂、天津自动化仪表五厂、沈阳气动仪表厂、川仪十六厂等。QDZ-III型的基本产品于1977年在山东胜利炼油厂进行现场运行考核试验。1988年通过部级鉴定,获科技成果三等奖。

需要说明的是,气动单元组合仪表从QDZ型直接进入QDZ--III型,中间没有II型。这是由于气动仪表发展的特点,要与电动单元组合仪表的型号命名相呼应的原因。

2.电动单元组合仪表

我国电动单元组合仪表按其发展,可分为DDZ I、II、III、S型,发展过程如图15所示。其系统结构如图16所示,应用实例如图17所示。

图18是电动单元组合仪表组成的控制室,是我国20世纪70、80年代工业自动化仪表主流操作控制方式,在流程工业生产装置控制中占据首位。后来由于计算机技术、通信技术和CRT显示技术的发展,逐步被集中操作分散控制DCS系统所取代。

CRT显示控制室操作和中央控制室DCS和FCS系统控制操作

20世纪80年代初在流程工业装置改扩建项目时,因担心DCS系统的可靠性,且价格昂贵,仍保留原仪表盘作为备用。新建项目采用DCS系统时,还另设立辅助操作台,设置重要工艺参数的记录和报警灯,安全操作开关等作为辅助措施,以节约DCS冗余系统的投资。图19左上是1986年开始筹建的中石化岳化橡胶厂丁苯热塑弹性体SBS聚合装置的控制室内DCS系统和辅助操作台,右上则为间歇聚程序控制仿真调试,采用日本富士电机的高速程序控制站HDC,程序编制利用SPAC语言和FM功能块。如今由于DCS系统成本下降,技术不断完善,20世纪90年代开始广泛取代传统的控制室内的仪表盘,至今己成为工业自动控制主流产品。图23下左是上海赛克石化装置中央控制室,下右是福建炼化一体化装置中央控制室,具有几千到上万个I/O检测点和现场总线仪表,具有世界一流水平。

从20世纪末至今,工业自动化技术得到很大重视与发展,特别是PLC、DCS以至总线技术几乎成了绝对热门。全球工业朝着大系统、大生产方向发展,这是大势所趋。这就要求自动化不只关注生产,而且要关注从原材料到应用的整个过程,这个过程就是系统。新自动化的要求必然是系统集成,对今后的控制操作方式必将产生深远影响,也是值得大家深思的。

范忠琪,高级工程师,1962年毕业于浙江大学化工生产过程自动化及仪表专业 。曾任中石化北京燕山石化公司研究院仪表自动化研究室付主任、主任、院副总工程师、院技术委员会委员。北京燕山石化公司技术委员会委员、自动化专家组组长,燕山石化公司仪表厂顾问。北京化工学会理事、自动化仪表专业委员会主任和中国仪表协会分析学会理事等职。一直从事过程控制系统的工程设计和仪表自动化研究开发工作。

现任全国专业标准化技术委员会(SAC/TC123/SC8)委员,中国仪器仪表学会分析仪器学会理事,在线分析仪器专业委员会付主任,公司顾问等职。

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