計装

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計装とは、物理量を示し、測定し、記録するために使用される測定器の総称です。この用語は、科学機器製造の芸術と科学に由来しています。

計装は、直読式温度計のように単純なデバイス、または産業用制御システムのマルチセンサーコンポーネントのように複雑なデバイスを指す場合があります今日、機器は、実験室、製油所、工場、車両だけでなく、日常の家庭での使用にも見られます(煙探知器サーモスタットなど) 。

歴史と発展

蒸気タービンのローカル計装パネル

計装の歴史はいくつかの段階に分けることができます。

産業革命前

産業用計装の要素には長い歴史があります。位置を示すために重みと単純なポインターを比較するためのスケールは、古代の技術です。初期の測定のいくつかは時間でした。最も古い水時計の1つは、紀元前1500年頃に埋葬された古代エジプトのファラオアメンホテプ1世の墓で発見されました。[1]時計に改良が加えられました。西暦前270年までに、彼らは自動制御システム装置の基本を手に入れました。[2]

1663年、クリストファーレンは、王立学会に「気象時計」のデザインを提示しました。図面は、時計仕掛けで駆動される紙の上でペンを動かす気象センサーを示しています。このような装置は、2世紀の間、気象学の標準にはなりませんでした。[3]加圧されたベローズがペンを置き換える空気圧式チャートレコーダーからも明らかなように、この概念はほとんど変わっていません。センサー、ディスプレイ、レコーダー、コントロールを統合することは、産業革命までは珍しく、必要性と実用性の両方によって制限されていました。

初期の産業

空気圧時代から電子時代へのアナログ制御ループ信号の進化

初期のシステムでは、制御と表示のためにローカルコントロールパネルへの直接プロセス接続が使用されていました。1930年代初頭から、空気圧トランスミッターと自動3ターム(PID)コントローラーが導入されました。

空気圧トランスミッターの範囲は、現場でバルブとアクチュエーターを制御する必要性によって定義されました。通常、標準として3〜15 psi(20〜100kPaまたは0.2〜1.0 kg / cm2)の範囲の信号が標準化され、6〜30psiがより大きなバルブに使用されることがありました。トランジスタの電子機器により、パイプの代わりに配線が可能になりました。ループ電源デバイスの場合、最初は最大90Vで20〜100mAの範囲でしたが、最近のシステムでは12〜24Vで4〜20mAに減少します。トランスミッタは、電圧周波数圧力、またはイーサネットを使用する他の多くのオプションがありますが、多くの場合4〜20mAの電流信号形式で出力信号を生成するデバイスです 可能です。トランジスタは1950年代半ばまでに商品化されました[4]

制御システムに接続された機器は、ソレノイドバルブレギュレーター回路ブレーカーリレー、およびその他のデバイスを操作するために使用される信号を提供しました。このようなデバイスは、目的の出力変数を制御し、リモート監視または自動制御機能のいずれかを提供できます。

各計装会社は独自の標準計装信号を導入し、送信機とバルブの標準電子計装信号として4〜20mAの範囲が使用されるまで混乱を引き起こしました。この信号は、1970年代にANSI / ISA S50「電子産業プロセス機器のアナログ信号の互換性」として最終的に標準化されました。機器を機械式空気圧トランスミッタ、コントローラ、バルブから電子機器に変換することで、電子機器のようにメンテナンスコストが削減されました。機械機器よりも信頼性が高く、精度が向上するため、効率と生産性も向上します。空気圧は、腐食性および爆発性の雰囲気で好まれるといういくつかの利点を享受しました。[5]

自動プロセス制御

プロセスフローの継続的に変調された制御を示す単一の産業用制御ループの例

プロセス制御の初期の頃、プロセスインジケータおよびバルブなどの制御要素は、必要な温度、圧力、および流量を得るためにバルブを調整するユニットの周りを歩き回ったオペレーターによって監視されました。技術が進化するにつれて、空気圧コントローラーが発明され、プロセスを監視してバルブを制御するフィールドに取り付けられました。これにより、プロセスオペレータがプロセスを監視するために必要な時間が短縮されました。その後、実際のコントローラーは中央室に移され、信号が制御室に送信されてプロセスが監視され、出力信号がバルブなどの最終制御要素に送信されて、必要に応じてプロセスが調整されました。これらのコントローラーとインジケーターは、コントロールボードと呼ばれる壁に取り付けられていました。オペレーターはこのボードの前に立ち、プロセスインジケーターを監視しながら前後に歩きました。これにより、プロセスオペレーターがユニットを歩き回るのに必要な数と時間が再び削減されました。これらの年に使用された最も標準的な空気圧信号レベルは3〜15psigでした。[6]

大規模な統合コンピュータベースのシステム

電子機器が信頼性が高く、安価で、危険場所で安全に使用できるようになる前に広く使用されていた、空気圧式の「3項」空気圧式PIDコントローラー(Siemens Telepneuの例)
DCS/SCADA以前の時代の中央制御室。コントロールは1つの場所に集中化されていますが、それでも個別であり、1つのシステムに統合されていません。
プラント情報と制御装置がコンピュータグラフィックス画面に表示されるDCS制御室。オペレーターは着席しており、プラントの概要を維持しながら、画面からプロセスの任意の部分を表示および制御できます。

大規模な産業プラントのプロセス制御は、多くの段階を経て進化してきました。当初、制御はプロセスプラントのローカルパネルから行われます。ただし、これには、これらの分散したパネルに参加するために多大な人的資源が必要であり、プロセスの全体像はありませんでした。次の論理的な開発は、すべてのプラント測定値を常設の中央制御室に送信することでした。事実上、これはすべてのローカライズされたパネルの集中化であり、人員配置レベルが低く、プロセスの概要が簡単であるという利点がありました。多くの場合、コントローラーは制御室のパネルの後ろにあり、すべての自動および手動の制御出力がプラントに返送されました。

ただし、中央制御フォーカスを提供する一方で、各制御ループには独自のコントローラーハードウェアがあり、プロセスのさまざまな部分を表示するには、制御室内での継続的なオペレーターの移動が必要であったため、この配置には柔軟性がありませんでした。電子プロセッサとグラフィックディスプレイの登場により、これらのディスクリートコントローラを、独自の制御プロセッサを備えた入出力ラックのネットワークでホストされるコンピュータベースのアルゴリズムに置き換えることが可能になりました。これらはプラント全体に分散され、制御室または複数の部屋のグラフィックディスプレイと通信できます。分散制御の概念が生まれました。

DCSとSCADAの導入により、カスケードループやインターロックなどのプラント制御の相互接続と再構成が容易になり、他の実稼働コンピューターシステムとのインターフェースが容易になりました。高度なアラーム処理を可能にし、自動イベントロギングを導入し、チャートレコーダーなどの物理的な記録の必要性を排除し、制御ラックをネットワーク化してプラントにローカルに配置し、ケーブル配線を削減し、プラントのステータスと生産の概要を提供しました。レベル。

アプリケーション

場合によっては、センサーはメカニズムの非常に小さな要素です。デジタルカメラと腕時計は、感知された情報を記録および/または表示するため、技術的には計装の大まかな定義を満たす可能性があります。ほとんどの場合、どちらも計装とは呼ばれませんが、レースの経過時間を測定し、フィニッシュラインで勝者を記録するために使用される場合、両方とも計装と呼ばれます。

世帯

計装システムの非常に単純な例は、家庭用炉を制御し、したがって室温を制御するために使用される機械式サーモスタットです。典型的なユニットは、バイメタルストリップで温度を感知します。ストリップの自由端にある針で温度を表示します。水銀スイッチで炉を作動させます。スイッチがストリップによって回転すると、水銀が電極間で物理的(したがって電気的)に接触します。

計装システムの別の例は、ホームセキュリティシステムです。このようなシステムは、センサー(動き検出、ドアの開口部を検出するスイッチ)、侵入を検出する簡単なアルゴリズム、ローカル制御(アーム/アーム解除)、および警察を呼び出すことができるシステムのリモート監視で構成されています。コミュニケーションは設計の本質的な部分です。

厨房機器はセンサーを使用して制御します。

  • 冷蔵庫は、温度が高くなりすぎると冷却システムを作動させて一定の温度を維持します。
  • 自動製氷機は、リミットスイッチがスローされるまで氷を作ります。
  • ポップアップパントースターで時間を設定できます。
  • 非電子式ガスオーブンは、ガスバーナーへのガスの流れを制御するサーモスタットで温度を調整します。これらは、オーブンのメインチャンバー内に配置されたセンサーバルブを備えている場合があります。さらに、安全遮断火炎監視装置がある場合があります。点火後、センサーが高温になり、バーナーへのガスの流れを可能にするために、バーナーの制御ノブを短時間保持する必要があります。安全センサーが冷えた場合は、バーナーの炎が消えたことを示している可能性があり、ガスの継続的な漏れを防ぐために流れが停止されています。
  • 電気オーブンは温度センサーを使用しており、温度が低すぎると発熱体をオンにします。より高度なオーブンは、温度センサーに応答してファンを作動させ、熱を分散させたり、冷却したりします。
  • 一般的なトイレは、フロートがバルブを閉じるまで水タンクを補充します。フロートは水位センサーとして機能しています。

自動車

現代の自動車には複雑な計装があります。エンジンの回転速度と車両の直線速度の表示に加えて、バッテリーの電圧と電流、液面レベル、液温、移動距離、さまざまなコントロール(ターンシグナル、パーキングブレーキ、ヘッドライト、トランスミッション位置)のフィードバックも表示されます。特別な問題(燃料が少ない、エンジンをチェックする、タイヤの空気圧が低い、ドアが半開き、シートベルトが緩んでいる)については注意が表示される場合があります。問題は記録されるため、診断機器に報告できます ナビゲーションシステムは、目的地に到達するための音声コマンドを提供できます。自動車の計装は、過酷な環境で長期間にわたって安価で信頼できるものでなければなりません。センサー、ロジック、アクチュエーターを含む独立したエアバッグシステムが存在する場合があります。アンチスキッドブレーキシステムはセンサーを使用してブレーキを制御し、クルーズコントロールはスロットル位置に影響を与えます。OnStarシステムとして通信リンクを介して多種多様なサービスを提供することができます。自動運転車(エキゾチックな計装付き)が実証されています。

航空機

初期の航空機にはいくつかのセンサーがありました。[7]「蒸気計」は、気圧を高度と対気速度として解釈できる針のたわみに変換しました。磁気コンパスは方向感覚を提供しました。パイロットへの表示は、測定と同じくらい重要でした。

現代の航空機には、アビオニクスシステムに組み込まれたはるかに洗練されたセンサーとディスプレイのスイートがあります。航空機には、慣性航法システム全地球測位システム気象レーダー、自動操縦装置、および航空機安定化システムが含まれている場合があります。信頼性のために冗長センサーが使用されています。情報のサブセットは、事故調査を支援するためにクラッシュレコーダーに転送される場合があります。最新のパイロットディスプレイには、ヘッドアップディスプレイを含むコンピューターディスプレイが含まれるようになりました

航空交通管制レーダーは分散型計装システムです。接地部分は電磁パルスを送信し、(少なくとも)エコーを受信します。航空機は、パルスの受信時にコードを送信するトランスポンダを搭載しています。システムは、航空機の地図の場所、識別子、およびオプションで高度を表示します。マップの場所は、検知されたアンテナの方向と検知された時間遅延に基づいています。その他の情報は、トランスポンダの送信に埋め込まれています。

実験機器

この用語の考えられる使用法の中には、IEEE-488バス(汎用計測器バスの場合はGPIB、ヒューリットパッカード計測器バスの場合はHPIBとも呼ばれます)を介してコンピュータによって制御される実験室試験装置のコレクションがあります。多くの電気的および化学的量を測定するための実験装置が利用可能です。このような機器のコレクションは、汚染物質の飲料水のテストを自動化するために使用される可能性があります。

測定パラメータ

計装は、多くのパラメーター(物理値)を測定するために使用されます。これらのパラメータは次のとおりです。


制御弁

計装工学

配管の計装部分と計装図は、計装エンジニアによって開発されます。

計装工学は、電気および空気圧領域などの自動システムの設計と構成、および測定される量の制御に使用される測定器の原理と操作に焦点を当てた工学専門分野です。これらは通常、システムの生産性、信頼性、安全性、最適化、および安定性を向上させることを目的として、化学プラントや製造プラントなどの自動化されたプロセスを使用する業界で機能します。プロセスまたは特定のシステムのパラメータを制御するために、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、PLCなどのデバイスが使用されますが、それらの最終的な目的は、システムのパラメータを制御することです。

必要なタスクはドメインに大きく依存するため、計装エンジニアリングは大まかに定義されています。実験用ラットの生物医学的計測の専門家は、ロケット計測の専門家とは非常に異なる懸念を持っています。両方の共通の懸念は、サイズ、重量、コスト、信頼性、精度、寿命、環境の堅牢性、および周波数応答に基づいた適切なセンサーの選択です。一部のセンサーは、文字通り砲弾で発射されます。他の人は、破壊されるまで熱核爆発を感知します。常にセンサーデータを記録、送信、または表示する必要があります。録音レートと容量は大きく異なります。送信は簡単な場合もあれば、妨害が存在する場合の秘密の暗号化された低電力の場合もあります。ディスプレイは非常にシンプルな場合もあれば、人的要因との協議が必要な場合もあります専門家。制御システムの設計は、些細なものから別の専門分野までさまざまです。

計装エンジニアは、センサーをレコーダー、トランスミッター、ディスプレイ、または制御システムと統合し、プロセスの配管および計装図を作成する責任があります。彼らは、設置、配線、信号調整を設計または指定する場合があります。彼らは、システムの試運転、校正、テスト、および保守を担当する場合があります。

研究環境では、対象分野の専門家が計装システムの専門知識を持っているのが一般的です。天文学者は宇宙の構造と望遠鏡について多くのことを知っています–光学、ポインティング、カメラ(または他の感知要素)。これには、多くの場合、最良の結果をもたらす運用手順に関する苦労して得た知識が含まれます。たとえば、天文学者は、望遠鏡内で乱気流を引き起こす温度勾配を最小限に抑える技術に精通していることがよくあります。

計装技術者、技術者、および整備士は、計装および計装システムのトラブルシューティング、修理、および保守を専門としています。

典型的な産業用送信機の信号タイプ

  • HART –データシグナリング。多くの場合、現在のループにオーバーレイされます

現代開発の影響

RalphMüller(1940)は、次のように述べています。 、そしていくつかの例では、その目的のために新しい楽器を考案しなければなりませんでした。現代人の心が古代人の心より優れていることを示す証拠はほとんどありません。彼の道具は比類のないほど優れています。」[8] [9] :290 

デイビス・ベアードは、第二次世界大戦後のフロリス・コーエン「第4の大きな科学革命」の特定に関連する主な変化は、化学だけでなく科学全体での科学機器の開発であると主張しました。[9] [10] 化学では、1940年代に新しい機器が導入されたのは、「科学技術革命にほかなりません」[11] :28–29 で、構造有機化学の古典的な乾湿法が破棄されました。 、そして新しい研究分野が開かれました。[11] :38 

早くも1954年に、WA Wildhackは、プロセス制御に固有の生産的および破壊的な可能性の両方について議論しました。[12] 科学機器を使用して、以前は観察できなかったレベルで、自然界の正確で検証可能かつ再現可能な測定を行う能力は、「世界の異なるテクスチャーを提供しました」。[13]この計装革命は、水質汚染物質を監視するためのDDT監視とUV分光光度法およびガスクロマトグラフィーの使用の例に示されているように、監視および応答する人間の能力を根本的に変えます[10] [13]

も参照してください

参照

  1. ^ 「初期の時計」2009-08-12 2012年3月1日取得
  2. ^ 「ビルディングオートメーション履歴ページ」2011年7月8日にオリジナルからアーカイブされました2012年3月1日取得
  3. ^ Multhauf、Robert P.(1961)、自己登録気象機器の紹介、ワシントンDC:スミソニアン協会、95〜116ページ アメリカ合衆国国立博物館、会報228。歴史技術博物館からの寄稿:論文23。プロジェクトグーテンベルクから入手可能。
  4. ^ リン、LH(1998)。「日本におけるトランジスタラジオの商品化:イノベーションコミュニティの機能」。エンジニアリング管理に関するIEEEトランザクション45(3):220–229。土井10.1109/17.704244
  5. ^ アンダーソン、ノーマンA.(1998)。プロセス測定および制御のための計装(3版)。CRCプレス。pp。254–255。ISBN  978-0-8493-9871-1
  6. ^ アンダーソン、ノーマンA.(1998)。プロセス測定および制御のための計装(3版)。CRCプレス。pp。8–10。ISBN  978-0-8493-9871-1
  7. ^ 航空機計器–リロイR.グラマン士官候補生飛行隊
  8. ^ カッツ、エリック; ライト、アンドリュー; トンプソン、ウィリアム(2002)。制御技術:現代の問題(第2版)。ニューヨーク州アマースト:プロメテウスブックス。ISBN 978-15739298372016年3月9日取得
  9. ^ a b Baird、D.(1993)。「分析化学と「大きな」科学機器革命」。科学の年報50(3):267–290。土井10.1080/00033799300200221記事全体を読むには、PDFをダウンロードしてください。
  10. ^ a b Baird、D.(2002)。「分析化学と「大きな」科学機器革命」モリスでは、ピーターJT(編)。古典化学から現代化学へ:機器革命; 化学計装の歴史に関する会議から:「試験管から自動分析装置へ:20世紀における化学計装の開発」、ロンドン、2000年8月ケンブリッジ:英国王立化学会。科学博物館と。pp。29–56。ISBN 9780854044795
  11. ^ a b Reinhardt、Carsten、ed。(2001)。20世紀の化学科学(第1版)。ヴァインハイム:Wiley-VCH。ISBN 978-3527302710
  12. ^ 西オーストラリア州ワイルドハック(1954年10月22日)。「計装—産業、科学、および戦争における革命」科学120(3121):15A。Bibcode1954Sci...120A..15W土井10.1126/science.120.3121.15APMID17816144_ 
  13. ^ a b ヘンチェル、クラウス(2003)。「化学における機器革命(レビューエッセイ)」。化学の基礎5(2):179–183。土井10.1023 / A:1023691917565

外部リンク