Кіріспе

Процесті бақылап және басқаруға арналған өлшеу құралдары

Инструментация – физикалық шамаларды көрсету, өлшеу және тіркеу үшін қолданылатын өлшеу құралдарының жиынтығы. Бұл сонымен қатар өлшеу құралдарын жасау өнері мен ғылымын зерттейтін сала, оған метрология, автоматтандыру және басқару теориясымен байланысты салалар кіреді. Бұл терминнің бастауы ғылыми құралдар жасау өнері мен ғылымында. Инструментация қарапайым тікелей оқылатын термометрлерден бастап, өнеркәсіптік басқару жүйелерінің күрделі көп сенсорлы компоненттеріне дейін алуан түрлі құрылғыларды қамти алады. Мұндай құралдар зертханаларда, мұнай өңдеу зауыттарында, фабрикаларда, көлік құралдарында, сондай-ақ күнделікті тұрмыста (мысалы, түтін дабылдары мен термостаттар) қолданылады.

Тарих

Құралдар тарихын бірнеше кезеңге бөлуге болады.

Өнеркәсіпке дейінгі

Өнеркәсіптік аспаптар элементтерінің ұзақ тарихы бар. Салмақты салыстыру үшін арналған таразылар және орынды көрсетуге арналған қарапайым көрсеткіштер – ежелгі технологиялар. Ең алғашқы өлшемдер уақытты өлшеуден басталды. Ең көне су сағаттарының бірі б.з.д. 1500 жыл шамасында жерленген ежелгі Египет фараоны Аменхотеп I-нің қабірінен табылған. Сағаттарда жақсартулар енгізілді. Б.з.д. 270 жылға қарай олар автоматты басқару жүйесінің бастапқы элементтерін пайдаланды. 1663 жылы Кристофер Рен Корольдік қоғамға "ауа райы сағаты" жобасын ұсынды. Суретте ауа райы сенсорлары сағат механизмімен қозғалатын қаламдарды қағаз бетінде жылжытатыны көрсетілген. Мұндай құрылғылар екі ғасыр бойы метеорологияда стандартқа айналмады. Концепция пневматикалық карта жазу құралдарында көрсетілгендей, дерлік өзгермеген, онда қысыммен жұмыс істейтін балға қаламды жылжытады. Сенсорларды, дисплейлерді, жазу құралдарын және басқаруды біріктіру өнеркәсіптік революцияға дейін сирек кездесетін, себебі бұл қажеттілік пен мүмкіндіктермен шектелген.

Ерте өнеркәсіптік

Алғашқы жүйелер басқару және көрсету үшін жергілікті басқару панелдеріне тікелей процестік қосылымдарды қолданды, 1930 жылдардың басында пневматикалық хабар таратушылар мен автоматты 3 терминалдық (PID) контроллерлер енгізілді. Пневматикалық хабар таратушылардың диапазондары даладағы клапандар мен іске қосу құрылғыларын басқару қажеттілігімен анықталды. Әдетте, стандарт ретінде 3-15 psi (20-100 кПа немесе 0,2-1,0 кг/см²) аралығындағы сигнал стандартталды, кейде үлкен клапандар үшін 6-30 psi қолданылды. Транзисторлық электроника құбырларды ауыстыруға мүмкіндік берді, бастапқыда циклмен жұмыс істейтін құрылғылар үшін 90 В-қа дейін 20-100 мА диапазонымен, ал қазіргі заманғы жүйелерде 12-24 В-та 4-20 мА-ға дейін қысқартылды. Трансмитер – бұл шығыс сигналын шығаратын құрылғы, көбінесе 4-20 мА электр тогы сигналы түрінде, бірақ кернеу, жиілік, қысым немесе Ethernet желісін пайдаланатын көптеген басқа нұсқалар да мүмкін. Транзистор 1950 жылдардың ортасында коммерцияланды. Басқару жүйесіне қосылған аспаптар электромагниттерді, клапандарды, реттеушілерді, тораптарды, релелерді және басқа да құрылғыларды іске қосу үшін қолданылатын сигналдарды берді. Мұндай құрылғылар қажетті шығыс айнымалысын басқара алады және қашықтан бақылау немесе автоматтандырылған басқару мүмкіндіктерін қамтамасыз етеді. Әрбір аспаптар компаниясы өзінің стандартты аспаптық сигналын енгізді, бұл 4-20 мА диапазоны таратушылар мен клапандар үшін стандартты электрондық аспаптық сигнал ретінде пайдаланылғанға дейін шатастыруға әкелді. Бұл сигнал ақырында 1970 жылдары ANSI/ISA S50, "Электрондық өндірістік процестер үшін аналогты сигналдардың үйлесімділігі" стандарты ретінде бекітілді. Механикалық пневматикалық таратушылардан, контроллерлерден және клапандардан электронды аспаптарға аспаптарды ауыстыру техникалық қызмет көрсету шығындарын төмендетті, өйткені электронды аспаптар механикалық аспаптарға қарағанда сенімдірек болды. Бұл сонымен қатар олардың дәлдігін арттырғандықтан тиімділік пен өндірісті арттырды. Пневматиканың кейбір артықшылықтары болды, олар коррозиялық және жарылғыш атмосферада тиімдірек болды.

Автоматты процестерді басқару

Процесс бақылауының алғашқы жылдарында, оператор процесс көрсеткіштерін және клапандар сияқты басқару элементтерін қадағалап, қажетті температураны, қысымды және ағынды алу үшін клапандарды реттеу үшін блок айналып жүретін. Технология дамыған сайын пневматикалық контроллерлер ойлап табылды және процесс бақылап, клапандарды басқаратын жерде орнатылды. Бұл процесті бақылауға операторлар жұмсайтын уақытты азайтты. Кейінірек, контроллерлер орталық бөлмеге көшірілді, ал процесс бақылау үшін сигналдар басқару бөлмесіне жіберілді, ал шығыс сигналдары қажет болған жағдайда процесті реттеу үшін клапан сияқты соңғы басқару элементіне жіберілді. Бұл контроллерлер мен көрсеткіштер «бақылау тақтасы» деп аталатын қабырғаға орнатылды. Операторлар осы тақтаның алдында тұрып, алға-артқа жүріп, процесс көрсеткіштерін қадағалап отырды. Бұл операторлардың блоктарды аралап жүруге қажетті саны мен уақытын тағы да азайтты. Осы жылдары қолданылатын ең стандартты пневматикалық сигнал деңгейі 3–15 псиг болды.

Үлкен интеграцияланған компьютерлік жүйелер

Ірі өнеркәсіптік зауыттардың процесін басқару көптеген кезеңдерден өтті. Алғашқыда басқару, процестік зауытқа жақын орналасқан панельдерден жүзеге асырылатын. Бірақ, мұндай жағдайда көптеген адам ресурстары қажет болды, сонымен қатар процестің жалпы картинасы болмады. Келесі логикалық даму – зауыттың барлық өлшемдерін тұрақты жұмыс істейтін орталық басқару бөлмесіне жіберу болды. Бұл, барлық жергілікті панельдерді орталықтандыру арқылы, персонал санының азаюына және процестің оңай бақылануына мүмкіндік берді. Көбінесе басқарушылар басқару бөлмесіндегі панельдердің артында орналасқан, ал барлық автоматты және қолмен басқару сигналдары зауытқа жіберілді. Алайда, орталық басқаруды қамтамасыз ете отырып, бұл жүйе икемсіз болды, себебі әрбір басқару контурының өз аппараттық басқару құрылғысы болды және операторлардың басқару бөлмесінде процестің әртүрлі бөліктерін бақылау үшін үнемі қозғалуы қажет еді. Электрондық процессорлар мен графикалық дисплейлердің пайда болуымен, осы дискретті басқарушыларды компьютерлік алгоритмдермен алмастыру мүмкін болды, олар өздерінің басқару процессорлары бар кіріс/шығыс тіректерінің желісінде орналастырылды. Оларды зауыт аумағына таратып, басқару бөлмесіндегі графикалық дисплеймен байланыстыруға болады. Осылайша, таратылған басқару тұжырымы пайда болды. DCS және SCADA жүйелерін енгізу, зауыттың басқару элементтерін, мысалы каскадты контурларды және өзара байланыстарды оңай қосуға және қайта конфигурациялауға, сондай-ақ басқа өндірістік компьютерлік жүйелермен байланысуға мүмкіндік берді. Бұл күрделі дабылдарды басқаруды, автоматты оқиғаларды тіркеуді қамтамасыз етті, карталық диктофондар сияқты физикалық жазбаларға қажеттілікті жойды, басқару тіректерін желіге қосуға және осылайша кабельдік желілерді қысқарту үшін зауытқа жақын орналастыруға, сондай-ақ зауыттың жағдайы мен өндіріс деңгейінің жоғары деңгейлі шолуын ұсынуға мүмкіндік берді.

Қолдану

Кейбір жағдайларда сенсор механизмнің өте шағын бөлігі болуы мүмкін. Цифрлық камералар мен қол сағаттары сезімтал ақпаратты жазу немесе көрсету мүмкіндігі болғандықтан, техникалық тұрғыдан аспаптардың кең анықтамасына сай келеді. Бірақ көп жағдайда оларды аспаптар деп атамайды, алайда жарыстың өткен уақытын өлшеу және финиш сызығында жеңімпазды тіркеу үшін қолданылғанда, олар аспаптар болып есептеледі.

Үй шаруашылығы

Құрал-жабдықтар жүйесін басқарудың өте қарапайым мысалы – механикалық термостат, ол үй пешін басқару және осы арқылы бөлме температурасын реттеу үшін қолданылады. Типик құрылғы температураны екі металл жолағымен сезеді. Ол температураны жолақтың бос ұшындағы көрсеткіш арқылы көрсетеді. Пешті ртуть қосқышымен қосады. Жолақ қосқышты бұрғанда, сынап электродтар арасында физикалық (демек, электрлік) байланыс жасайды. Құрал-жабдықтар жүйесінің тағы бір мысалы – үй қауіпсіздік жүйесі. Мұндай жүйе сенсорлардан (қозғалыс анықтағыштар, есік ашылуын анықтауға арналған қосқыштар), кіргізуді анықтау үшін қарапайым алгоритмдерден, жергілікті басқарудан (қосу/өшіру) және полиция шақыру мүмкіндігімен жүйені қашықтан бақылаудан тұрады. Байланыс – бұл дизайнның ажырамас бөлігі. Ас үй құралдары басқару үшін сенсорларды пайдаланады. Тоңазытқыш температура тым жоғары болғанда салқындату жүйесін қосу арқылы тұрақты температураны сақтайды. Автоматты мұз жасағыш шекті қосқыш іске қосылғанға дейін мұз жасайды. Ашылатын тостерлер уақытты орнатуға мүмкіндік береді. Электрондық емес газ пештері газ жағылғышына газ ағынын басқаратын термостатпен температураны реттейді. Мұндай пештерде пештің негізгі камерасына орнатылған сенсорлық шам болуы мүмкін. Сонымен қатар, қауіпсіздік құрылғысы – отты бақылауға арналған жану тоқтату құрылымы болуы мүмкін: тұтанғаннан кейін, сенсордың қызуына және газдың жануға ағылуына рұқсат беру үшін, жану бақылау тұтқасын қысқа уақытқа ұстап тұру керек. Егер қауіпсіздік сенсоры суыса, бұл жалынның сөнгенін көрсетеді және газдың үздіксіз ағып кетуін болдырмау үшін ағын тоқтатылады. Электр пештері температура сенсорын пайдаланады және температура тым төмен болған кезде жылыту элементтерін қосады. Күрделірек пештер температура сенсорларына жауап ретінде желдеткіштерді қосып, жылуды тарату немесе салқындату үшін пайдаланады. Әдеттегі әжетхана су багын суару клапанын жабатын иілімге дейін сумен толтырады. Иілім – су деңгейін анықтайтын сенсор болып табылады.

Автомобильдік

Қазіргі заманғы автомобильдерде күрделі аспаптар жиынтығы бар. Қозғалтқыштың айналу жылдамдығы және көліктің сызықтық жылдамдығынан өзге, батареяның кернеуі мен тогы, сұйықтық деңгейі, сұйықтық температурасы, жүрілген қашықтық және түрлі басқару элементтерінің (көрсеткіштер, тұрақ тежегіші, фаралар, қоробка орны) кері байланысы да көрсетіледі. Ерекше мәселелер бойынша ескертулер шығуы мүмкін (жанармай аз, қозғалтқышты тексеру қажет, дөңгелек қысымы төмен, есік ашық, қауіпсіздік белбеуі бекітілмеген). Анықталған мәселелер диагностикалық құралдарға жіберу үшін жазылып сақталады. Навигациялық жүйелер мақсатқа жету үшін дауыстық нұсқаулар бере алады. Автомобиль аспаптары арзан, сонымен қатар қатал жағдайларда ұзақ мерзімге сенімді болуы тиіс. Тәуелсіз қауіпсіздік жастықшалары сенсорлар, логикалық бағдарламалар және орындаушы механизмдерден тұруы мүмкін. Сығуға қарсы тежегіш жүйелер тежегіштерді басқару үшін сенсорларды пайдаланады, ал круиздік жүйе газ педалінің күйін өзгертеді. OnStar жүйесіндегі байланыс арналары арқылы түрлі қызметтер ұсынылуы мүмкін. Экзотикалық аспаптармен жабдықталған автономды автомобильдер де көрсетілді.

Ұшақ

Ертедегі ұшақтарда аз ғана сенсорлар болған. "Бұрынғы өлшегіштер" ауа қысымын көрсеткіш инелерінің бұрылуына айналдырып, оны биіктік және жылдамдық ретінде түсіндіруге мүмкіндік берді. Магниттік компас бағытты анықтауға көмектесті. Пилотқа берілген деректер, өлшемдермен бірдей маңызды болды. Қазіргі заманғы ұшақтарда сенсорлар мен дисплейлердің жиынтығы әлдеқайда күрделі және авиациялық жүйелерге енгізілген. Ұшақта инерциялық навигация жүйелері, жаһандық позициялық жүйелер, ауа райын бақылайтын радиолокаторлар, автопилоттар және ұшақты тұрақтандыру жүйелері болуы мүмкін. Сенімділік үшін қосымша сенсорлар қолданылады. Апатты жағдайларды зерттеуге көмектесу үшін деректердің бір бөлігі апатты жазбаға жіберілуі мүмкін. Қазіргі заманғы пилоттық дисплейлер компьютерлік дисплейлерді, соның ішінде алдыңғы проекциялық дисплейлерді қамтиды. Әуе қозғалысын басқару радарі – таратылған құралдар жүйесі. Жердегі бөлім электромагниттік импульс жіберіп, одан эхо алады (кемінде). Ұшақтарда импульс алғанда код жіберетін транспондерлер орнатылған. Жүйе ұшақтың картадағы орнын, идентификаторын және қажет болған жағдайда биіктігін көрсетеді. Картадағы орналасуы антенна бағыты мен уақыт кешігуіне негізделген. Қалған ақпарат транспондер арқылы беріледі.

Зертханалық аспаптар

Терминнің мүмкін қолданылуларының бірі – IEEE 488 шинасы арқылы компьютермен басқарылатын зертханалық сынақ жабдықтары жиынтығы (бұл GPIB, яғни жалпы мақсаттағы аспаптар шинасы немесе HPIB, Hewlitt Packard аспаптар шинасы деп те аталады). Зертханалық жабдықтар көптеген электрлік және химиялық шамаларды өлшеуге мүмкіндік береді. Мұндай жабдықтар жиынтығы ауыз судың ластаушы заттарға тексеруін автоматтандыру үшін қолданылуы мүмкін.

Құрал-саймандар жасау

Инструментациялық инженерия – электрлік және пневматикалық салалардағы автоматтандырылған жүйелерді жобалау және конфигурациялауда, сондай-ақ өлшенетін шамаларды басқаруда қолданылатын өлшеу құралдарының қағидалары мен жұмыс істеуіне бағытталған инженерлік мамандық. Олар көбінесе химиялық немесе өндірістік кәсіпорындар сияқты автоматтандырылған процестермен жұмыс істейді, мақсаты – жүйенің өнімділігін, сенімділігін, қауіпсіздігін, оңтайландыруын және тұрақтылығын арттыру. Процесс немесе нақты бір жүйедегі параметрлерді басқару үшін микропроцессорлар, микроконтроллерлер немесе ПЛК сияқты құрылғылар пайдаланылады, бірақ олардың басты міндеті – жүйенің параметрлерін басқару. Инструментациялық инженерия шартты түрде анықталады, себебі талап етілетін міндеттер салаға байланысты өте әртүрлі. Зертханалық егеуқұйрықтардың биомедициналық құралдарын меңгерген маманның, ракета құралдарын меңгерген маманнан мүдделері мүлдем бөлек. Екеуінің де ортақ мәселесі – өлшем, салмақ, құн, сенімділік, дәлдік, қызмет ету мерзімі, қоршаған ортаның тұрақтылығы және жиілік жауабына сәйкес келетін сенсорларды таңдау. Кейбір сенсорлар тікелей артиллериялық оқтармен атылады. Ал кейбіреулері термоядролық жарылыстарды жойылғанша сезінеді. Сенсорлық деректер міндетті түрде жазылып, беріліп не көрсетілуі керек. Жазу жылдамдығы мен сыйымдылығы зор айырмашылыққа ие. Деректерді беру оңай болуы мүмкін, ал кедергі кезінде жасырын, шифрланған және аз қуатты болуы да мүмкін. Көрсету қарапайым немесе адам факторы мамандарымен кеңесуді қажет етуі мүмкін. Басқару жүйесін жобалау қарапайымнан бастап жеке мамандыққа дейін өзгеруі мүмкін. Инструментациялық инженерлер сенсорларды жазу құрылғыларымен, деректерді беру құралдарымен, көрсету құрылғыларымен немесе басқару жүйелерімен интеграциялауға және процесс үшін құбырлар мен аспаптар сызбасын жасауға жауапты. Олар орнатуды, сымдарды және сигналды өңдеуді жобалай немесе белгілей алады. Сондай-ақ жүйені іске қосу, калибрлеу, сынау және техникалық қызмет көрсетуге жауапты болуы мүмкін. Зерттеу ортасында пән сарапшыларының аспаптық жүйелер туралы мол білімі болуы жиі кездеседі. Астроном ғаламның құрылымын және телескоптар – оптика, бағыттау және камералар (немесе басқа да сезім элементтері) туралы көп біледі. Бұл көбінесе ең жақсы нәтижелерді беру үшін операциялық процедураларды білуді қамтиды. Мысалы, астроном телескоптың ішінде ауа турбуленттігін тудыратын температуралық градиенттерді азайту әдістерін жақсы біледі. Аспаптық технологтар, техниктер және механиктер аспаптар мен аспаптық жүйелерді жөндеу, түзету және техникалық қызмет көрсетуде маманданған.

Заманауи дамудың әсері

Ральф Мюллер (1940) былай деді: "Физикалық ғылым тарихының көбінесе құралдар тарихы және олардың тиімді қолданылуы екені жақсы белгілі. Уақыт өте келе туындаған жалпыламалар мен теориялар дәл өлшемдерге негізделген, және кейбір жағдайларда осы мақсат үшін жаңа құралдар ойлап табуға тура келді. Қазіргі адамның санасы ежелгі адамдардың санасынан артық екенін көрсететін дәлел аз. Оның құралдары салыстыруға келмейді". Химияда 1940 жылдары жаңа құралдардың енгізілуі "шындығында ғылыми және технологиялық революция" болды.

1954 жылдың өзінде В. А. Уайлдхак процестерді басқарудың өнімді және құрылымды бұзуға қабілетті әлеуетін талқылады. Ғылыми құралдарды пайдалану арқылы табиғи әлемді бұрын байқауға болмаған дәрежеде дәл, расталатын және қайталанатын өлшемдер жасау мүмкіндігі "әлемнің жаңа көрінісін ұсынды".