Введение

Измерительные приборы, предназначенные для мониторинга и управления процессом.

Инструментация – это обобщающий термин для измерительных приборов, используемых для индикации, измерения и регистрации физических величин. Это также область знаний, посвященная теории и практике создания измерительных приборов, включающая смежные области метрологии, автоматизации и теории управления. Термин берет свое начало в искусстве и науке изготовления научных инструментов. Инструментация может охватывать как простые устройства, такие как термометры с прямым считыванием, так и сложные многосенсорные компоненты промышленных систем управления. Приборы можно встретить в лабораториях, нефтеперерабатывающих заводах, на фабриках и в транспортных средствах, а также в быту (например, дымовые извещатели и термостаты).

История

Историю измерительной техники можно разделить на несколько фаз.

Доиндустриальный

Элементы промышленной приборотехники имеют долгую историю. Весы для сравнения веса и простые указатели положения – древние технологии. Одними из самых ранних измерений были измерения времени. Один из старейших водяных часов был найден в гробнице древнеегипетского фараона Аменхотепа I, захороненного около 1500 года до нашей эры. В эти часы вносились улучшения. К 270 году до нашей эры они содержали зачатки устройства автоматического управления. В 1663 году Кристофер Рен представил Королевскому обществу проект "метеорологических часов". Чертеж показывает метеорологические датчики, перемещающие перо по бумаге с помощью часового механизма. Такие устройства не стали стандартными в метеорологии в течение двух столетий. Концепция осталась практически неизменной, что подтверждается пневматическими самописцами, где под давлением мех перемещает перо. Интеграция датчиков, индикаторов, регистраторов и контроллеров была редкостью до промышленной революции, ограничиваясь как потребностью, так и возможностями.

Ранняя промышленность

Ранние системы использовали прямое подключение к локальным панелям управления для управления и индикации, и с начала 1930-х годов стали внедрять пневматические передатчики и автоматические трехкомпонентные (PID) контроллеры. Диапазоны пневматических передатчиков определялись необходимостью управления клапанами и приводами в полевых условиях. Обычно сигнал составлял от 3 до 15 psi (20 до 100 кПа или 0,2 до 1,0 кг/см2) в качестве стандарта, хотя для больших клапанов иногда использовался диапазон от 6 до 30 psi. Транзисторная электроника позволила заменить трубопроводы проводкой, изначально с диапазоном от 20 до 100 мА при напряжении до 90 В для устройств с питанием по цепи, который затем был снижен до 4–20 мА при напряжении от 12 до 24 В в более современных системах. Передатчик – это устройство, генерирующее выходной сигнал, часто в виде электрического тока 4–20 мА, хотя возможны и другие варианты, использующие напряжение, частоту, давление или Ethernet. Транзистор был коммерциализирован к середине 1950-х годов. Приборы, подключенные к системе управления, предоставляли сигналы для управления соленоидами, клапанами, регуляторами, автоматическими выключателями, реле и другими устройствами. Эти устройства могли управлять требуемой выходной переменной и обеспечивать либо удаленный мониторинг, либо возможности автоматического управления. Каждая компания-производитель приборов вводила собственные стандартные сигналы, что приводило к путанице, пока диапазон 4–20 мА не был принят в качестве стандартного электронного сигнала для передатчиков и клапанов. Впоследствии этот сигнал был стандартизирован как ANSI/ISA S50, "Совместимость аналоговых сигналов для электронных промышленных приборов", в 1970-х годах. Переход от механических пневматических передатчиков, контроллеров и клапанов к электронным приборам снизил затраты на обслуживание, поскольку электронные приборы были более надежными, чем механические. Это также повысило эффективность и производительность благодаря увеличению точности. Пневматика сохраняла некоторые преимущества, особенно в коррозионных и взрывоопасных средах.

Автоматическое управление процессом

В первые годы развития систем управления процессами оператор осуществлял мониторинг показателей процесса и элементов управления, таких как клапаны, обходя установку и вручную регулируя клапаны для достижения требуемых температур, давлений и расходов. С развитием технологий были изобретены и установлены в поле пневматические контроллеры, которые осуществляли мониторинг процесса и управление клапанами. Это сократило время, необходимое операторам для наблюдения за процессом. Позднее сами контроллеры были перемещены в центральное помещение, а сигналы поступали в диспетчерскую для мониторинга процесса, а управляющие сигналы отправлялись на конечные регулирующие элементы, такие как клапаны, для корректировки процесса по мере необходимости. Эти контроллеры и индикаторы монтировались на стену, называемую щитом управления. Операторы стояли перед этим щитом, перемещаясь вдоль него и наблюдая за показателями процесса. Это вновь уменьшило количество операторов и время, необходимое для обхода установок. Наиболее распространенным уровнем пневматического сигнала в те годы был 3–15 пси.

Крупные интегрированные компьютерные системы

Контроль процессов на крупных промышленных предприятиях развивался через множество этапов. Изначально управление осуществлялось с локальных панелей, расположенных непосредственно у технологического оборудования. Однако это требовало значительных трудовых ресурсов для обслуживания этих разрозненных панелей, и не обеспечивало целостного представления о процессе. Следующим логичным шагом стала передача всех показаний с предприятия в постоянно укомплектованную центральную диспетчерскую. По сути, это была централизация всех локальных панелей, с преимуществами в виде сокращения численности персонала и удобного обзора процесса. Часто контроллеры располагались за панелями диспетчерской, а все автоматические и ручные управляющие сигналы передавались обратно на предприятие. Однако, несмотря на централизацию управления, эта схема была негибкой, поскольку каждый контур управления имел собственное аппаратное обеспечение контроллера, и оператору приходилось постоянно перемещаться по диспетчерской для наблюдения за различными участками процесса. С появлением электронных процессоров и графических дисплеев стало возможным заменить эти дискретные контроллеры компьютерными алгоритмами, размещенными в сети модулей ввода/вывода с собственными контроллерами. Эти модули могли быть распределены по всему предприятию и взаимодействовать с графическим дисплеем в диспетчерской или диспетчерских. Так родилась концепция распределенного управления. Внедрение DCS и SCADA обеспечило простое соединение и переконфигурацию систем управления предприятием, таких как каскадные контуры и блокировки, а также легкую интеграцию с другими производственными компьютерными системами. Это позволило реализовать сложные системы обработки аварийных сигналов, внедрить автоматическое протоколирование событий, отказаться от физических носителей информации, таких как самописцы, организовать сетевое взаимодействие модулей управления и, таким образом, размещать их непосредственно у оборудования для сокращения протяженности кабельных трасс, а также получать общие представления о состоянии предприятия и уровнях производства.

Применение

В некоторых случаях датчик является очень незначительным элементом механизма. Цифровые камеры и наручные часы могут технически подпадать под широкое определение измерительных приборов, поскольку они записывают и/или отображают информацию, полученную от датчиков. Однако в большинстве случаев ни то, ни другое не называют измерительными приборами, но когда они используются для измерения времени гонки и фиксации победителя на финишной черте, оба могут быть названы измерительными приборами.

Домашние

Очень простым примером системы измерений и управления является механический термостат, используемый для управления домашним отопительным котлом и, таким образом, для поддержания температуры в помещении. Типичное устройство определяет температуру с помощью биметаллической пластины. Оно отображает температуру с помощью стрелки на свободном конце пластины. Оно включает отопительный котел с помощью ртутного выключателя. Когда пластина поворачивает выключатель, ртуть замыкает физический (и, следовательно, электрический) контакт между электродами. Другой пример системы измерений и управления – система домашней безопасности. Такая система состоит из датчиков (обнаружения движения, концевых выключателей для определения открытия дверей), простых алгоритмов для обнаружения вторжения, локального управления (включение/выключение) и удаленного мониторинга системы для вызова полиции. Связь является неотъемлемой частью конструкции. Кухонные приборы используют датчики для управления. Холодильник поддерживает постоянную температуру, включая систему охлаждения при повышении температуры. Автоматическая машина для льда производит лед до срабатывания концевого выключателя. Тостеры с автоматическим подъемом тостов позволяют установить время. Неэлектронные газовые плиты регулируют температуру с помощью термостата, управляющего подачей газа к газовой горелке. Они могут быть оснащены датчиком, расположенным в основной камере плиты. Кроме того, может быть предусмотрено устройство контроля наличия пламени для обеспечения безопасности: после поджигания ручку управления горелкой необходимо удерживать в течение короткого времени, чтобы датчик нагрелся и разрешил подачу газа к горелке. Если датчик безопасности остывает, это может указывать на то, что пламя на горелке погасло, и для предотвращения непрерывной утечки газа подача газа прекращается. Электрические плиты используют датчик температуры и включают нагревательные элементы при понижении температуры. Более продвинутые плиты включают вентиляторы в ответ на показания датчиков температуры для распределения тепла или охлаждения. В обычном унитазе резервуар наполняется до тех пор, пока поплавок не перекроет клапан. Поплавок выполняет функцию датчика уровня воды.

Автомобильная промышленность

Современные автомобили оснащены сложной приборной панелью. Помимо отображения скорости вращения двигателя и линейной скорости автомобиля, также отображаются напряжение и ток батареи, уровни и температуры жидкостей, пройденное расстояние, а также обратная связь от различных систем управления (поворотники, стояночный тормоз, фары, положение коробки передач). Предупреждения могут отображаться при возникновении особых проблем (низкий уровень топлива, проверка двигателя, низкое давление в шинах, открытая дверь, незастегнутый ремень безопасности). Неисправности записываются для последующей передачи диагностическому оборудованию. Навигационные системы могут использовать голосовые команды для прокладки маршрута до пункта назначения. Автомобильная приборная панель должна быть недорогой и надежной в течение длительного времени в сложных условиях эксплуатации. Могут присутствовать независимые системы подушек безопасности, включающие датчики, логический контроллер и исполнительные механизмы. Антиблокировочная система тормозов использует датчики для управления тормозами, а круиз-контроль регулирует положение дроссельной заслонки. Широкий спектр услуг может быть предоставлен через каналы связи системы OnStar. Были продемонстрированы автономные автомобили (с передовой приборной панелью).

Самолет

У первых самолетов было немного датчиков. "Стеклянные приборы" преобразовывали давление воздуха в отклонение стрелок, которое можно было интерпретировать как высоту и воздушную скорость. Магнитный компас обеспечивал определение направления. Отображение информации пилоту было столь же важно, как и сами измерения. Современный самолет оснащен гораздо более сложным комплексом датчиков и дисплеев, интегрированных в системы авионики. Самолет может включать инерциальные навигационные системы, глобальные системы позиционирования, метеорологические радиолокаторы, автопилоты и системы стабилизации полета. Для повышения надежности используются резервные датчики. Часть информации может передаваться в бортовой самописец для помощи в расследовании происшествий. Современные дисплеи в кабине пилота теперь включают компьютерные дисплеи, в том числе индикаторы на лобовом стекле. Радар управления воздушным движением – это распределенная система инструментов. Наземная часть посылает электромагнитный импульс и принимает отраженный сигнал (как минимум). Самолеты оснащены ответчиками, которые передают коды в ответ на принятый импульс. Система отображает местоположение самолета на карте, идентификатор и, опционально, высоту. Определение местоположения на карте основано на направлении антенны и времени задержки сигнала. Остальная информация содержится в передаче ответчика.

Лабораторная аппаратура

Среди возможных применений термина — комплекс лабораторного измерительного оборудования, управляемого компьютером через шину IEEE 488 (также известную как GPIB – шина приборов общего назначения или HPIB – шина приборов Hewlett-Packard). Лабораторное оборудование позволяет измерять множество электрических и химических параметров. Такой комплекс оборудования может использоваться для автоматизации анализа питьевой воды на наличие загрязняющих веществ.

Инструментальная техника

Инструментальная инженерия – это инженерная специализация, ориентированная на принципы и работу измерительных приборов, используемых при проектировании и настройке автоматизированных систем в таких областях, как электрика и пневматика, а также для контроля измеряемых параметров. Как правило, они работают в отраслях с автоматизированными процессами, таких как химическая или машиностроительная промышленность, с целью повышения производительности, надежности, безопасности, оптимизации и стабильности систем. Для управления параметрами в процессе или конкретной системе используются такие устройства, как микропроцессоры, микроконтроллеры или ПЛК, однако их конечная цель – контроль параметров системы. Инструментальная инженерия имеет достаточно широкое определение, поскольку требуемые задачи сильно зависят от области применения. Эксперт по биомедицинскому оборудованию для лабораторных крыс имеет совершенно иные задачи, чем специалист по ракетному оборудованию. Общими для обоих являются вопросы выбора подходящих датчиков, исходя из их размера, веса, стоимости, надежности, точности, срока службы, устойчивости к воздействию окружающей среды и частотной характеристики. Некоторые датчики буквально запускаются в артиллерийских снарядах, другие регистрируют термоядерные взрывы до момента своего разрушения. Данные с датчиков неизменно необходимо записывать, передавать или отображать. Скорость и объем записи могут значительно варьироваться. Передача данных может быть простой, а может быть скрытой, зашифрованной и с низким энергопотреблением в условиях помех. Отображение информации может быть тривиально простым или требовать консультаций со специалистами по эргономике. Проектирование систем управления может варьироваться от простого до отдельной специализации. Инженеры-инструменталисты отвечают за интеграцию датчиков с регистраторами, передатчиками, дисплеями или системами управления, а также за создание принципиальных схем трубопроводов и приборов для процесса. Они могут разрабатывать или определять требования к монтажу, проводке и обработке сигналов. Они также могут отвечать за ввод системы в эксплуатацию, калибровку, тестирование и техническое обслуживание. В научно-исследовательской среде эксперты в предметной области часто обладают значительным опытом работы с приборными системами. Астроном знает структуру Вселенной и многое о телескопах – оптике, наведении и камерах (или других сенсорных элементах). Это часто включает в себя ценный опыт, полученный в результате разработки оперативных процедур, обеспечивающих наилучшие результаты. Например, астроном часто знаком с методами минимизации температурных градиентов, вызывающих турбулентность воздуха внутри телескопа. Технологи, техники и механики приборостроения специализируются на поиске и устранении неисправностей, ремонте и обслуживании приборов и приборных систем.

Влияние современного развития

Ральф Мюллер (1940) заявил: "Широко известно, что история физической науки во многом является историей инструментов и их разумного применения. Общие закономерности и теории, возникавшие время от времени, подтверждались или опровергались на основе точных измерений, а в ряде случаев для этого требовалось создание новых приборов. Нет достаточных оснований полагать, что ум современного человека превосходит ум древних. Его инструменты несоизмеримо лучше". В химии внедрение новых приборов в 1940-х годах было "не чем иным, как научной и технологической революцией". Еще в 1954 году У. А. Уайлдхак рассматривал как созидательный, так и деструктивный потенциал, заложенный в автоматическом управлении процессами. Возможность получения точных, верифицируемых и воспроизводимых измерений природных явлений на недостижимых ранее уровнях, благодаря использованию научных приборов, "изменила восприятие мира".