淺析自動化儀表

【中圖分類號】U453.7 【文獻標識碼】B 【文章編號】1673-8209(2009)6-0189-03

隨著現(xiàn)代科技進步，自動化得到了越來越廣泛的應(yīng)用，自動化水平已成為衡量各行各業(yè)現(xiàn)代化水平的一個重要標志。為了保證生產(chǎn)過程安全、可靠的運行，要隨時對生產(chǎn)過程中使用的儀表進行維護和校準。傳統(tǒng)的將生產(chǎn)過程中使用的儀表拿回實驗室進行校準的方法已不能滿足生產(chǎn)的要求，取而代之的是在現(xiàn)場直接對儀表進行校準。

影響設(shè)備精度的一大重要因素就是工作溫度，因此，系統(tǒng)的冷卻和散熱就顯得尤為的重要，良好的冷卻效果不僅能夠保證機箱和其中模塊的穩(wěn)定工作，更能提升相應(yīng)板卡和電源的平均故障時間間隔(MTBF)參數(shù)。一些專業(yè)的測量總線標準，如PXI總線，在冷卻和散熱方面進行了嚴格的規(guī)范，包括對機箱中散熱氣流方向的定義、以槽為單位進行散熱等確保系統(tǒng)在正常的工作溫度下完成測量任務(wù)。

自動化檢測儀表是自控系統(tǒng)中關(guān)鍵的子系統(tǒng)之一。一般的自動化檢測儀表主要由三個部分組成:①傳感器，利用各種信號檢測被測模擬量;②變送器，將傳感器所測量的模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)?～20 mA的電流信號，并送到可編程序控制器(PLC)中;③顯示器，將測量結(jié)果直觀地顯示出來，提供結(jié)果。這三個部分有機地結(jié)合在一起，缺少其中的任何一部分，則不能稱為完整的儀表。自動化檢測儀表以其測量精確、顯示清晰、操作簡單等特點，在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用，而且自動化檢測儀表內(nèi)部具有與微機的接口，更是自動化控制系統(tǒng)中重要的部分，被稱為自動化控制系統(tǒng)的眼睛。

校準的一般步驟是:預熱儀器(包括被校儀器以及標準源);設(shè)置儀器的狀態(tài)，進行測量記錄數(shù)據(jù);數(shù)據(jù)結(jié)果判定并給出結(jié)論;自動形成校準證書和原始記錄。

自動化校準系統(tǒng)的具體實現(xiàn)過程首先，標準源和數(shù)字多用表按照要求開機預熱，連接硬件設(shè)備(GPIB卡、488電纜等)，硬件連接完成后，啟動計算機，搜尋整個測試系統(tǒng)的物理地址分配情況，根據(jù)搜索到的各個儀器地址，在校準軟件運行時，設(shè)置正確的地址配置。 ①初始化設(shè)置模塊。雙擊相應(yīng)的自動化校準程序圖標，系統(tǒng)啟動，進入測試系統(tǒng)主界面，主界面的風格以簡捷實用為主，左側(cè)是各功能按鈕。首先進入的是初始化設(shè)置模塊。初始化模塊要設(shè)置被測試設(shè)備的校準項目，設(shè)置被校儀器和標準源的GPIB地址，選擇是否是首次測試，此功能的目的是為了保存測量的數(shù)據(jù)，防止意外發(fā)生使測量數(shù)據(jù)丟失，需要重新進行測試。選擇中英文語言，選擇校準、檢定，選擇被測試設(shè)備的名稱。初始化設(shè)置就完成了。②數(shù)據(jù)采集動態(tài)顯示模塊。該模塊的主要功能包括:初始化儀器、設(shè)置儀器的狀態(tài)、測量數(shù)值、數(shù)據(jù)位數(shù)控制、動態(tài)顯示數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)結(jié)果判定、數(shù)據(jù)保存等。自動化數(shù)據(jù)采集過程是完全模擬人工測量過程進行測量的。儀器的初始化配置以及量程、顯示位數(shù)、精度、采樣數(shù)率、采樣時間、測量值、功能選擇等模塊從NI網(wǎng)站上下載，程序員也可以根據(jù)儀器編程說明書提供的SCPI語言命令編寫相應(yīng)的模塊。本模塊中的數(shù)據(jù)顯示位數(shù)、數(shù)據(jù)量程、上下限等都是根據(jù)測試計量對儀器的要求而自動生成的，數(shù)據(jù)結(jié)果判定也是自動完成的。程序把那些不合格的數(shù)據(jù)用紅色的字體顯示，使計量員在測量結(jié)束后容易發(fā)現(xiàn)這些數(shù)據(jù)不合格。數(shù)據(jù)采集動態(tài)顯示模塊的前面板。③證書和原始記錄生成模塊。自動生成證書和原始記錄，給計量員的工作帶來極大的便利，而且消除了人為操作易產(chǎn)生的出錯，解放了勞動力。計量員只需在證書生成模塊的前面板輸入相關(guān)的儀器信息和校準信息，校準項目，選擇相應(yīng)的證書摸板，程序即可自動生成相應(yīng)的校準證書和原始記錄。證書模塊的前面板。

1 自動化檢測儀表在污水處理中的應(yīng)用

隨著科學技術(shù)的發(fā)展，自動化檢測技術(shù)也得到了很大的發(fā)展，自動化檢測儀表在污水處理中也得到廣泛的應(yīng)用，使污水處理廠不僅節(jié)約了大量的人力、物力，更重要的是可以及時對工藝進行調(diào)整。

南寧市瑯東污水處理廠工程1993年底立項，1997年11月27日正式開工建設(shè);1999年9月28 日通水試運行，2000年2月滿負荷正常運轉(zhuǎn)。 南寧市瑯東污水處理廠，一期工程設(shè)計一級污水處理能力24 萬m3/d，二級污水處理能力10萬m3/d。設(shè)計服務(wù)范圍30.5km2，規(guī)劃服務(wù)人口34.3萬人。經(jīng)過瑯東污水處理廠凈化后的清潔水，一部分直接排入竹排沖，一部分用于南湖回灌水，以改善南湖的水污染問題。 南寧市瑯東污水處理廠全套引進國外最先進的水處理工藝設(shè)備，采用二級生物處理工藝的傳統(tǒng)活性污泥法，并針對南寧市污水水質(zhì)污染物濃度低的特點，在其核心部分--曝氣的工藝中采用OOC工藝。該工藝具有能耗低、運行費用少、出水水質(zhì)好、管理簡便、運行穩(wěn)定等優(yōu)點。 從廠外污水干管收集到瑯東污水處理廠的污水，首先進行預處理。在進水泵房經(jīng)過粗格柵，去除污水中較大的垃圾、漂浮物;通過5臺大型污水泵將污水提升到細格柵，將較小的漂浮物去除;在曝氣沉砂池去除污水中的砂粒和油類;然后進入計量槽，計量污水處理量。預處理后的污水在初沉池進行一級處理，去除約30%的有機物;初沉池出水進入二級處理，先在生物處理工藝的核心部分--曝氣池，進行生物降解有機物;曝氣池的混合液輸送到二沉池進行沉淀，泥水分離。上層澄清液作為凈化后的清潔排放水;沉淀下來的污泥一部分回流曝氣池后再生利用，一部分作為剩余污泥回流到初沉池。初沉池的污泥用泵輸送到污泥濃縮池，通過污泥處理系統(tǒng)進一步濃縮，把泥漿態(tài)的污泥脫水、壓濾，形成干污泥餅。

1.1 超聲波液位計、液位差計、流量計

1.1.1 格柵運行控制。粗格柵、細格柵各安裝了1臺超聲波液位差計，通過格柵前后的液位差來反映格柵阻塞程度，并傳輸?shù)絇LC控制器，進行分析計算。當液位差超過預設(shè)的數(shù)值，控制格柵運行，清除垃圾，保障正常過水，且合理的減少了設(shè)備磨損。

1.1.2 提升泵運行控制。為實現(xiàn)進水提升泵的自動控制，在進水泵井處安裝了2臺超聲波液位計，用以測量泵井的水位，實時傳輸?shù)絇LC控制器及上位機，進行系統(tǒng)分析。根據(jù)測量值對應(yīng)控制程序，自動控制提升泵的運行組合。這樣可以根據(jù)廠外來水量準確及時地調(diào)整泵運行狀態(tài)，減少設(shè)備疲勞;同時可以取消傳統(tǒng)泵站三班倒的人力資源耗費。

1.1.3 流量及處理量實時監(jiān)測。對于污水處理廠的運行管理，水量是一個重要的控制參數(shù)。準確及時地掌握進水量，對工藝控制及提高污水廠抵抗水力負荷沖擊能力有重要作用。傳統(tǒng)的水量測量采用堰板或文丘里流量槽等，都存在著不能實時監(jiān)測、實時顯示的缺點?，槚|污水處理廠計量槽采用超聲波流量計結(jié)合文丘里槽，能在現(xiàn)場和上位機實時顯示流量及累計處理量，達到了準確計量處理水量，以及為運行管理提供實時流量的目的。

1.2 溶解氧計、氧化還原電位計、污泥濃度計

1.2.1 曝氣池溶解氧控制。南寧市瑯東污水處理廠采用的是傳統(tǒng)活性污泥法的OOC改良工藝在4 個圓型曝氣池內(nèi)圈好氧區(qū)，分別安裝了測量范圍是0.05～10 mg/L的溶解氧計，實時監(jiān)控溶解氧濃度，傳輸?shù)絇LC及上位機。當實測濃度小于設(shè)定濃度時，自動控制系統(tǒng)啟動鼓風機，給曝氣池充氧;相反地，當氧氣充足時，就會停止運行鼓風機。通過溶解氧計控制鼓風機可以精確地根據(jù)好氧菌群對溶解氧的需求控制鼓風機的啟動和停止，在保證了菌群良好生化能力的同時節(jié)約了能耗，保護了設(shè)備，增強了好氧菌群的分解能力。

1.2.2 曝氣池好氧段與缺氧段的控制。在每個曝氣池的外圈的好氧區(qū)與缺氧區(qū)的臨界面都安裝了測量范圍是-500～500mV的氧化還原電位計，通過測量的氧化還原電位可以控制鼓風機的高速運行，給外圈供氧，形成強好氧曝氣階段和缺氧階段的交替，進而提高處理工藝中除磷脫氮的能力。如果沒有安裝氧化還原電位計。那么鼓風機的運行只能通過時間控制，這樣一來就會明顯降低除磷脫氮的效果。

1.2.3 曝氣池污泥濃度控制。曝氣池的污泥濃度是一個重要工藝參數(shù)。在傳統(tǒng)的污水處理廠，污泥濃度依靠實驗室使用舊的試驗方法進行監(jiān)測，在數(shù)據(jù)提供的及時性和精確性上，存在很大的缺陷。難以及時進行回流污泥和剩余污泥量的工藝調(diào)整，就造成時間上和準確度上的誤差。南寧市瑯東污水處理廠在每個曝氣池上都安裝了一個測量范圍是為0.5～10g/L 在線污泥濃度測量計，很好地解決了這個問題。安裝污泥濃度計可以隨時根據(jù)精確測量的污泥濃度，適時地調(diào)整曝氣池的工藝，同時減輕了實驗室工作人員的勞動強度。

1.3 電磁流量計、氣體流量計:

在回流污泥管道和剩余污泥管道中南寧市瑯東污水處理廠安裝了5臺測量范圍是0～1 200m3/h的電磁流量計測量回流污泥和剩余污泥的流量。安裝流量計后，值班人員可以根據(jù)顯示的流量是否正確，從而判斷回流污泥泵和剩余污泥泵工作是否正常，解決了潛水泵無法簡單判斷工作是否正常的難題，而且電磁流量計還具有安裝方便，維護簡單的特點。

鼓風機與曝氣池間的空氣管道上直接安裝的4臺測量范圍0～4000m3/h(標準狀況)的氣體流量計。氣體流量計的安裝可以使值班人員隨時了解鼓風機向曝氣池提供氣體的量。

1.4 經(jīng)驗

1.4.1 保持自動化檢測儀表傳感器的清潔。定期專人清洗探頭，保證數(shù)據(jù)采集準確性。因為儀表在污水環(huán)境中工作，所以儀表的清潔工作就顯得尤為重要，特別是直接與污水接觸的溶解氧計、氧化還原電位計及污泥濃度測量計等分析儀表，為了保證儀表的正常工作，我們定期由專人清洗，每7天就全面清洗1次儀表，清洗時要求使用柔軟的材料，以免損壞儀表。

1.4.2 定期校正各種儀表。儀表在長期運行過程中難免會產(chǎn)生測量誤差，這就需要定期校正，以保證儀表測量的準確性，對分析儀表我們制訂了每兩月定期校正1次;而且要求實驗室工作人員利用分析方法分析對應(yīng)的檢測項目，并與現(xiàn)場儀表監(jiān)測結(jié)果比較，如果偏差太大，那么應(yīng)適時對儀表進行校正，確保準確。

1.4.3 保證儀表供電電壓的穩(wěn)定性，延長儀表的使用壽命。瞬間的高電壓沖擊往往使儀表很容易燒壞。南寧市瑯東污水處理廠運行過程中，就發(fā)生了多次因供電電壓不穩(wěn)定，而使超聲波液位差計和超聲波液位計的變送 器損壞，從而影響了自控系統(tǒng)的正常工作的情況。南寧市瑯東污水處理廠正進行技術(shù)改造避免供電電壓不穩(wěn)定對儀表造成的損壞，降低運行成本，提高經(jīng)濟效益。

2 自動化檢測儀表在壓力表校準方面的應(yīng)用

特大型冶金制造企業(yè)各工序都是連續(xù)性銜接作業(yè)，往往造成許多現(xiàn)場壓力儀表雖到檢定周期，卻由于不能停產(chǎn)也就不能從作業(yè)。壓力儀表的工作原理是彈簧管在壓力或真空作用下產(chǎn)生彈性變形引起管端位移，其位移通過機械傳動機構(gòu)進行放大后再傳遞給指示裝置，可在刻有法定計量單位的分度盤上讀出指針所指示的被測壓力值或真空量值。

2.1 在線校準預期

(1)目的:實施在線校準適應(yīng)生產(chǎn)流程計量需求，降低外送檢費用。

(2)校準儀表范圍:本企業(yè)現(xiàn)場在用壓力儀表。

(3)校準范圍:0~100MPa

(4)校準對比準確度:1.5%~1.6%

(5)預期目標:實現(xiàn)在線壓力儀表的受控、有效。

(6)校準方案種類:a. 理想型校準比對;b. 實用型校準比對。

2.2 材料準備

(1)專用管道打孔器

(2)符合現(xiàn)場壓力儀表準確度及量程的數(shù)塊相應(yīng)受控有效標準表。

(3)校準比對記錄。

2.3 在線校準比對方案

A. 實用型對壓力儀表的校準比對

(1)在同一管道上:在距擬被校準的現(xiàn)場壓力儀表的適當范圍內(nèi)，用專用管道打孔器引出導壓管路，在導壓管路中間安置一截止閥(截止閥處于關(guān)閉狀態(tài))，截止閥后的接口處安裝壓力變送器與擬被校準儀表同規(guī)格的受控有效標準壓力表。

(2)緩慢開啟截止閥至全開，待管道內(nèi)流體介質(zhì)充分進入標準表內(nèi)數(shù)分鐘后，分別讀取兩塊表的指示值。

(3)填寫校準比對記錄。

B. 理想型對壓力儀表的校準比對

自制一臺流動簡易“壓力校驗臺”。

(1)在流體介質(zhì)管道上，關(guān)閉在用(即擬被校準)的現(xiàn)場壓力儀表的“截止閥1”(該截止閥處于關(guān)閉狀態(tài))。

(2)在截止閥后適當延長導壓管路。

(3)在延長導壓管路上安裝一只三通。

(4)三通的直管口的接口處安裝在用的指示為零的壓力儀表。

(5)三通的丁字管口的接口處新安裝“截止閥2”(該截止閥也處于關(guān)閉狀態(tài))。

(6)在“截止閥2”后接壓力“專用校驗管”至簡易流動“壓力校驗臺”上預置的“專用校驗管接口”。

(7)“壓力校驗臺”上還預置有受控、有效的相應(yīng)型號規(guī)格的標準壓力表。

(8)檢查無遺漏后，逐一緩慢開啟截止閥1、截止閥2至全開;數(shù)分鐘后，分別讀取兩塊表的指示值。

(9)填寫校準比對記錄。

2.4 經(jīng)驗:

認真做好巡回檢查工作儀表工一般都有自己所轄儀表的巡檢范圍，根據(jù)所轄儀表分布情況，選定最佳巡檢路線，每天至少巡檢兩次。巡回檢查時，要關(guān)閉氣源，并松開過濾器減壓閥接頭。拆卸環(huán)室孔板時，注意孔板方向，一是檢查以前是否有裝反，二是為了再安裝時正確。由于直管段的要求，工藝管道支架可能少，要防止工藝管道一端下沉，給安裝孔板環(huán)室?guī)砝щy。拆卸的儀表其位號要放在明顯處，安裝時對號入座，防止同類儀表由于量程不同安裝混淆，造成儀表故障;帶有聯(lián)鎖的儀表，切換置手動然后再拆卸;儀表一次開車成功或開車順利，說明儀表檢修質(zhì)量高，開車準備工作做得好。反之，儀表工就會在工藝開車過程中手忙腳亂，有的難以應(yīng)付，甚至直接影響工藝生產(chǎn)。

3 建議

3.1 發(fā)展趨勢

(1) 結(jié)構(gòu)日趨簡潔，從當前發(fā)展最快的3種流量儀表(電磁、超聲、科氏)來看，機械結(jié)構(gòu)都十分簡潔，管道內(nèi)既無轉(zhuǎn)動件，又無節(jié)流件。

(2)功能力求完善，隨著微電子、計算機、通信技術(shù)的飛速發(fā)展，流量儀表的功能日益完善、多樣，不少機械部分難以解決的問題，依靠電子軟件則迎刃而解，如Krohne的智能電磁流量計，不少超聲流量計不僅可測流量，還可測流體密度、組分、熱能等等。

(3)安裝日益簡便，工業(yè)自動化程度越高，用戶越歡迎采用安裝維護簡便的產(chǎn)品，這也是插入式，外夾式儀表日益暢銷的原因。

3.2 國產(chǎn)化刻不容緩:

據(jù)了解，我國近年來進口儀器儀表約130億美元，出口約30億美元(多為低附加值的電工儀表、家用水表、氣表)，國內(nèi)大型工程選用國外儀表占2/3，而其價格為國產(chǎn)5~10倍，我國大型流量儀表企業(yè)主要依靠國外技術(shù)，缺乏擁有自主知識產(chǎn)權(quán)意識，創(chuàng)新乏力;自動化儀表國產(chǎn)化刻不容緩!

3.3 品種多，選用要實事求是:

流量儀表品種、類型較多，正確選用并非易事，建議:

(1)不要輕信廠商宣傳，廠商為利所圖，往往對儀表的技術(shù)指標夸大其詞，選用時要理性分析這些參數(shù)的依據(jù)，有無檢驗證明。

(2)按需選取，勿追求高指標，如不是用于商務(wù)計量，貿(mào)易核算，準確度要求可以降低，如工控系統(tǒng)的某些場合，檢測、監(jiān)控儀表的重復性、可靠性好就可以了。

(3)全面考慮經(jīng)濟指標，儀表的經(jīng)濟性并非限于一次購買費用，還要考慮安裝維修(停產(chǎn)損失)，是否節(jié)能(長期運行費)等因素。

4 自動化測試系統(tǒng)的設(shè)計挑戰(zhàn)

測試管理人員和工程師們?yōu)榱吮ＷC交付到客戶手中的產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性，在各種應(yīng)用領(lǐng)域 (從設(shè)計驗證，經(jīng)終端產(chǎn)品測試，到設(shè)備維修診斷) 都采用自動化測試系統(tǒng)。他們使用自動測試系統(tǒng)執(zhí)行簡單的“通過”或“失敗”測試，或者通過它執(zhí)行一整套的產(chǎn)品特性測試。由于設(shè)計周期后期產(chǎn)品瑕疵檢測的成本呈上升趨勢，自動化測試系統(tǒng)迅速地成為產(chǎn)品開發(fā)流程中一個重要的部分。這篇“設(shè)計下一代自動化測試”的文章描述了一些迫使工程團隊減少測試成本和時間的挑戰(zhàn)。這篇文章還深刻地洞察了測試管理人員和工程師們?nèi)绾瓮ㄟ^建立模塊化軟件定義型測試系統(tǒng)來克服這些挑戰(zhàn)。這種測試系統(tǒng)在減少總體成本的同時，顯著地增加了測試系統(tǒng)的吞吐量和靈活性。

如今的測試工程師們面臨著一系列新的壓力。他們所面臨的產(chǎn)品設(shè)計比前幾代更為復雜;為了保持競爭力并滿足客戶要求，開發(fā)周期要求越來越短 ;產(chǎn)品測試成本越來越高，而預算越來越少。

4.1 不斷提高的設(shè)計復雜性:如今，測試測量的最明顯趨勢是器件復雜性不斷增加。例如，消費電子、通信和半導體工業(yè)持續(xù)要求將數(shù)字圖象/視頻、高保真音頻、無線通信和因特網(wǎng)互聯(lián)性集成到一個單獨產(chǎn)品中。甚至在汽車中都集成了復雜的汽車娛樂和信息系統(tǒng)、安全和早期預警系統(tǒng)，以及車身和發(fā)動機上的控制電子裝備。測試系統(tǒng)的設(shè)計不僅需要足夠靈活地支持對不同產(chǎn)品模型進行廣泛的測試，還需要能夠進行升級以提供新測試功能所需的更多測試點。

4.2 更短的產(chǎn)品開發(fā)周期:

由于希望不斷提高新產(chǎn)品和技術(shù)，擁有市場第一個占有率的競爭天性，設(shè)計和測試工程團隊只能不斷的縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。

總之，只有設(shè)計出新的測試策略來減少測試時間，并提高從設(shè)計到生產(chǎn)的測試效率，才能更好的為企業(yè)服務(wù)，自動化儀表才能發(fā)揮更大的效能。