Вторичные приборы и регистраторы

Назначение и принципы функционирования

Вторичные приборы и регистраторы представляют собой измерительные устройства, предназначенные для преобразования унифицированных выходных сигналов первичных измерительных преобразователей в форму, удобную для восприятия оператором или обработки системами автоматизации. Эти устройства выполняют функции отображения, документирования и архивирования технологических параметров в производственных процессах нефтегазовой, химической и композитной промышленности.

Принцип работы

Принцип функционирования вторичных приборов основан на преобразовании входного унифицированного сигнала в значение измеряемой величины. Типичные входные сигналы согласно ГОСТ 26.011-80 включают токовые сигналы от 0 до 20 мА и от 4 до 20 мА, напряжение постоянного тока от 0 до 10 В, а также выходные сигналы термопар и термопреобразователей сопротивления.

Обработка входного сигнала выполняется аналого-цифровым преобразователем с последующей линеаризацией характеристики датчика и приведением результата к инженерным единицам измерения. Современные микропроцессорные приборы обеспечивают высокую точность преобразования и возможность программной настройки параметров входных каналов без необходимости аппаратной реконфигурации.

Области применения

Вторичные приборы находят широкое применение в системах контроля и управления технологическими процессами для регистрации температуры, давления, расхода, уровня и других параметров. В нефтепереработке они используются для мониторинга параметров ректификационных колонн и реакторов. В производстве композитных материалов обеспечивают контроль температурных режимов отверждения и параметров вакуумной инфузии.

Классификация вторичных приборов

Вторичные приборы классифицируются по способу представления измерительной информации на показывающие, регистрирующие, регулирующие и сигнализирующие. Показывающие приборы отображают текущее значение измеряемого параметра без фиксации истории изменений. Регистрирующие устройства выполняют непрерывную запись динамики параметров на материальном или электронном носителе. Регулирующие приборы дополнительно формируют управляющие воздействия для поддержания заданных режимов процесса.

Показывающие приборы

Показывающие приборы предназначены для индикации мгновенного значения измеряемой величины. К этой категории относятся аналоговые приборы со стрелочной индикацией и цифровые измерители с сегментными или матричными дисплеями. Современные показывающие приборы обеспечивают разрешение от трех с половиной до семи разрядов и частоту обновления показаний до нескольких раз в секунду.

Регистрирующие приборы

Регистрирующие приборы осуществляют документирование изменения технологических параметров во времени. Традиционные регистраторы используют диаграммную бумагу и перьевой или точечный механизм записи. Безбумажные регистраторы сохраняют данные в энергонезависимой электронной памяти с возможностью последующего экспорта и анализа.

Регулирующие и сигнализирующие приборы

Регулирующие вторичные приборы объединяют функции измерения и автоматического управления. Они реализуют пропорциональные, интегральные, дифференциальные и комбинированные законы регулирования для поддержания заданных параметров процесса. Сигнализирующие приборы контролируют выход параметров за установленные границы и формируют дискретные сигналы для систем оповещения и блокировки.

Показывающие приборы и цифровые индикаторы

Цифровые показывающие приборы обеспечивают отображение измеренных значений в числовой форме на светодиодных или жидкокристаллических дисплеях. Светодиодные индикаторы характеризуются высокой яркостью и контрастностью, что обеспечивает хорошую видимость в условиях промышленных помещений с интенсивным освещением. Жидкокристаллические дисплеи отличаются низким энергопотреблением и возможностью отображения дополнительной информации.

Технические характеристики

Разрядность цифровых индикаторов определяет максимальное отображаемое значение и разрешающую способность измерения. Трехразрядные индикаторы отображают значения от минус девятисот девяноста девяти до девятисот девяноста девяти единиц. Четырехразрядные приборы расширяют диапазон до четырех значащих цифр с дробной частью. Высокоточные семиразрядные индикаторы применяются в прецизионных измерениях и метрологических установках.

Конструктивное исполнение

По конструктивному исполнению показывающие приборы подразделяются на щитовые для установки в панели операторских пультов, настенные для размещения на вертикальных поверхностях и переносные для мобильного применения. Степень защиты корпуса от внешних воздействий выбирается в соответствии с условиями эксплуатации и может достигать класса IP65 для защиты от пыли и водяных струй.

Регистрирующие приборы

Регистрирующие приборы выполняют непрерывную фиксацию изменения технологических параметров во времени на материальных или электронных носителях. Традиционные бумажные самописцы используют диаграммную бумагу и механизм записи для формирования непрерывной линии тренда измеряемой величины. Современные безбумажные регистраторы сохраняют данные в цифровом виде с возможностью графического отображения на встроенном дисплее.

Бумажные регистраторы

Бумажные регистраторы подразделяются на ленточные и дисковые в зависимости от типа диаграммной бумаги. Ленточные самописцы используют диаграммную ленту шириной от ста до двухсот пятидесяти миллиметров со скоростью протяжки от двадцати до шестисот миллиметров в час. Дисковые регистраторы работают с круглыми диаграммами диаметром от двухсот пятидесяти до трехсот пятнадцати миллиметров с периодом вращения от одного часа до семи суток.

Механизм записи в бумажных регистраторах может быть перьевым с использованием чернил или точечным с термопечатью на специальной бумаге. Перьевые самописцы обеспечивают высокую контрастность записи и длительное хранение диаграмм. Термопечатающие устройства исключают необходимость заправки чернилами, но требуют применения термочувствительной бумаги.

Многоканальные регистраторы

Многоканальные регистраторы выполняют одновременную запись нескольких технологических параметров на одной диаграмме с цветовым или числовым кодированием каналов. Количество регистрируемых каналов в промышленных самописцах составляет от двух до двенадцати. Временная развертка и масштабирование осей настраиваются в соответствии с характером изменения контролируемых параметров.

Безбумажные регистраторы

Безбумажные регистраторы представляют собой микропроцессорные устройства для цифровой регистрации и архивирования технологических параметров без использования диаграммной бумаги. Данные сохраняются во внутренней энергонезависимой памяти или на внешних носителях с возможностью экспорта в стандартные форматы для обработки в специализированном программном обеспечении.

Технические возможности

Современные безбумажные регистраторы производства компании Yokogawa Electric включают модели GP10 и GP20 с количеством входных каналов до тридцати и ста соответственно. Модели DX1000 и DX2000 обеспечивают регистрацию до двенадцати и сорока восьми каналов с возможностью расширения до трехсот сорока восьми каналов при подключении внешних модулей ввода-вывода через сетевые интерфейсы. Модульная система GM10 SmartDAC+ поддерживает конфигурацию до четырехсот двадцати аналоговых каналов с использованием модулей расширения.

Объем внутренней памяти безбумажных регистраторов составляет от двухсот до тысячи двухсот мегабайт в зависимости от модификации. Частота опроса входных каналов достигает ста герц в высокоскоростном режиме измерений. Встроенный дисплей с диагональю от пяти с половиной до двенадцати дюймов обеспечивает графическое представление трендов и численных значений параметров.

Сетевые функции

Безбумажные регистраторы оснащаются интерфейсами Ethernet для интеграции в корпоративные сети. Встроенный веб-сервер обеспечивает доступ к данным и конфигурационным параметрам через браузер без установки дополнительного программного обеспечения. Поддерживаются протоколы Modbus TCP, OPC UA и EtherNet/IP для обмена данными с системами диспетчерского управления и сбора данных.

Функция автоматической отправки данных позволяет осуществлять передачу файлов измерений на удаленный FTP-сервер по расписанию или по событию. Электронная почта используется для оповещения о возникновении аварийных ситуаций и рассылки периодических отчетов. Функция синхронизации времени по протоколу SNTP обеспечивает точную временную привязку измерений в распределенных системах.

Регулирующие приборы

Регулирующие вторичные приборы объединяют функции измерения и автоматического управления исполнительными механизмами. Они формируют управляющий сигнал на основе отклонения измеряемого параметра от заданного значения уставки, реализуя пропорциональные, интегральные, дифференциальные или комбинированные законы регулирования.

Структура регулятора

Базовая структура регулирующего прибора содержит измерительный канал, блок сравнения измеренного значения с уставкой, регулирующее устройство и выходной преобразователь. Регулирующее устройство реализует заданный алгоритм управления и вырабатывает сигнал коррекции. Выходной преобразователь формирует управляющий сигнал в унифицированном виде для исполнительного механизма.

Алгоритмы регулирования

Пропорциональное регулирование формирует управляющее воздействие, пропорциональное отклонению регулируемого параметра от уставки. Интегральная составляющая устраняет статическую ошибку регулирования. Дифференциальная составляющая учитывает скорость изменения параметра и повышает быстродействие системы. Пропорционально-интегрально-дифференциальный регулятор обеспечивает оптимальное качество переходных процессов при правильной настройке параметров.

Современные микропроцессорные регуляторы поддерживают адаптивную настройку параметров, автоматическую идентификацию объекта управления, каскадное и соотношение регулирование. Они могут работать по программе изменения уставки во времени, что необходимо для реализации сложных технологических циклов.

Технические требования и метрологические характеристики

Метрологические характеристики вторичных приборов регламентируются нормативными документами и определяют функцию преобразования, диапазон измерений, основную и дополнительные погрешности, динамические характеристики. Класс точности определяет допустимую приведенную погрешность в процентах от диапазона измерений.

Основная погрешность

Основная погрешность определяется при нормальных условиях эксплуатации и характеризует точность преобразования входного сигнала. Для показывающих приборов типичные классы точности составляют 0,2, 0,5, 1,0 и 1,5. Регистрирующие приборы имеют классы точности от 0,5 до 2,5 в зависимости от типа записывающего механизма.

Дополнительные погрешности

Дополнительные погрешности возникают при отклонении условий эксплуатации от нормальных. Нормируются температурная погрешность на каждые десять градусов отклонения температуры окружающей среды, погрешность от изменения напряжения питания, погрешность от влияния внешних магнитных полей. Значения дополнительных погрешностей указываются в технической документации прибора.

Динамические характеристики

Для вторичных приборов нормируется время реакции или постоянная времени переходной характеристики. Время реакции определяет период от момента изменения входного сигнала до момента установления выходного значения с заданной погрешностью. Для цифровых приборов нормируется также максимальная частота опроса входных каналов.