工业自动化的活化石｜单元组合仪表（1）

朋友们刚刚看完我的考古连载文章《基地式调节器“考古”纪实》和《工业自动化模拟信号的“黄金标准”：4~20mA》，再给大家聊点什么呢？我想了想，该聊单元组合仪表了，说起来在基地式调节器和DCS之间，单元组合仪表可是起承上启下传承作用的。它问世的时候可能4~20mA还没出来，4~20mA出来之后，很快成为电动单元组合仪表信号制的首选标准信号，从而促进了电动单元组合仪表的发展，两者的关系非常紧密。

1 前言

单元组合仪表延续的时间有点长，20世纪60年代到80年代在全球红火得很，20世纪90年代以后稍微差那么一点。到了21世纪，已经让位于DCS、PLC控制系统了，但偶尔还能见到它的身影，甚至在网上还查得到有厂家在销售呢。

在自动化仪表发展过程中，首先出现的是一台台具有单一功能的检测仪表，如U形管压力表、弹簧管压力表、膨胀式液体温度计、玻璃浮子流量计、机械水表、玻璃管液位计、浮标液位计、天平、杆秤等等，它只有感知被测参数值的变化并简单显示参数值的功能。稍后，单一功能逐渐增加了一些附加功能，如测量值上下限的报警功能、记录功能等等。

工艺过程生产装置逐渐发展，规模加大、效率提升，对过程参数的要求就从检测逐步发展到控制了，于是在检测仪表较为单一功能的基础上又增加了调节的要求。显然，过程参数报警功能很容易演变成双位调节功能，如果这还不能满足要求，那就加PID调节功能吧，于是就有了基地式调节器。

当20世纪初期基地式调节器问世后，这种同时具有检测、显示、记录、调节、给定、操作功能的一体化设备受到欢迎，因为它毕竟是第一个能完成PID调节功能的仪表设备。这个开创性的成果，使生产过程由操作工人手动操作一下跃升到自动调节，大大改善了过程操作条件。

但总有些人是不满足基地式调节器能完成的工作，除了发牢骚埋怨几句外，还老是对它提出更高的要求。比如你现在只能去做简单的单回路调节，复杂的调节回路你做不了啊；比如你这块表是配铂电阻，0~100℃，想改成0~300℃，那没门啊，你要换一台基地式调节器；比如你配铂电阻要改成配铂铑-铂热电偶的，那更没门啊，更得换一台基地式调节器才行。

大约在20世纪40年代，基地式调节器为了扩大应用范围，首先把执行功能从基地式调节器中分离出去，成为气动调节阀，其工作气源是由空气压缩机提供的洁净压缩空气，气源压力值0.14 MPa，但送往气动调节阀的信号压力范围是0.02~0.1 MPa（或 3~15 psi）。这一变化为拆分基地式调节器的功能开了个头，以后应用过程中碰到不顺心的事，立马又想到拆分功能，于是导致单元组合仪表的问世。

但基地式调节器的出现为现代自动化技术铺平了道路，后面陆续出现了单元组合仪表、集散型控制系统DCS（见图1），这些仪表或系统就是在基地式调节器基础上将自动化仪表功能分散、性能提高过程的延续。

图1  调节系统发展历程

人想改变现状总是先分析现有设备的特点，拿它下手，基地式调节器的最大特点是多种功能融入一体，那我想改变现状就反其道而行之，让一台设备一个功能，把基地式调节器的检测、显示、记录、调节、给定、操作功能划分开，让一类设备(之所以是一类，因为在同一种功能中又有细分，如显示功能既有显示仪、记录仪，还要开发流量累计值显示的比例积算器、开方积算器等)完成一种功能。这样做的优点是每种功能的设备由一个厂家（或大厂的车间）生产，专业性强；而在用户使用时可灵活组合，通用性强；可组合成复杂的控制系统，如串级调节、比值调节、随动调节、辅助微分信号调节系统等等。

当时的自动化仪表的制造能力有限，专业化分工有助于提高产品质量和经济效益，所以单元组合仪表的出现适应那个年代的生产力水平，再加上它的性能提高、应用灵活，所以很快就普及推广，成为20世纪60年代到80年代自动化仪表的主流产品，即使到了20世纪90年代和21世纪初期，仍然能看到单元组合仪表的存在。

2 什么是单元组合仪表?

将各种能够独立工作的标准单元，以统一的标准信号相互联系而组合起来的一类仪表称为单元组合仪表。标准单元是按仪表在自动检测系统和自动调节系统中的作用划分的，有变送、显示、计算、转换、调节、给定、操作、辅助、执行等多类单元，每类仪表还可能按完成这类功能中的一项再细分，所以每个标准单元都专门负责完成某一类单元的某一特定功能。根据生产工艺的要求，这些标准单元可组成不同复杂程度的自动检测系统和自动调节系统，如图2所示为一个温度调节系统，除了通常安装在现场的检测元件（热电偶或热电阻）和调节阀外，它是由以下几个标准单元组成：变送单元、显示单元、调节单元、给定单元、操作单元、执行单元（见图2）。但是在图2所示系统中，还有计算单元、转换单元、辅助单元没能用上。也就是说，单元组合仪表所包含的种类很多，当用户设计某个调节回路或检测回路时，需根据需求挑选相应标准单元的仪表。

图2  采用单元组合仪表的标准单元构成的温度调节系统

单元组合仪表有两大特点：功能模块化和信号标准化。功能模块化指的是按各类仪表功能生产模块化仪表，使每个独立的功能模块仅实现某类仪表功能或某类仪表功能的一部分。这使得功能模块的设计简化、制作简单。信号标准化是指各类仪表组合时是通过标准信号联络，如0~10mA DC、4~20mA DC的电流信号或0.02~0.1 MPa的气动压力信号。

单元组合仪表标准单元的功能如下：

变送单元如温度变送器、压力变送器、差压变送器等，除温度变送器外，变送单元实际上属于检测仪表。它将各种被测参数变换为统一标准信号，供指示、记录或调节。而温度变送器实际上是一台毫伏转换器或电阻值转换器，只不过它的输出信号理论上是与温度值成正比，而不应该是与毫伏值或电阻值成正比。

显示单元如色带指示仪、条形指示仪、记录仪等，显示单元指示、记录被测参数，供操作人员操作、监视。

运算单元如加减器、乘除器、开方器、积算器等，可对几台仪表输出的标准信号进行加、减、乘、除、开方、平方、积算等运算。其中的积算器除了完成积算运算外，本身还通过计数器显示积算值，所以也可将它列入显示单元。

转换单元如毫伏转换器、频率转换器、阻抗转换器、气电转换器和电气转换器等，它将各种检测仪表或其他类型仪表的输出信号转换为标准信号，或将标准信号转换为所需信号。

给定单元如比值给定器、报警给定器等，分别用于比值调节系统和声光报警装置的信号值给定。

调节单元如PID调节器、前馈调节器、间歇调节器、非线性调节器等，它比较被调参数信号与给定信号，按一定调节规律(如比例、积分和微分等)计算偏差值，然后输出一个调节信号给执行器，实现系统的自动调节。

辅助单元如信号选择器、信号限幅器、配电器、安全栅等，分别用于从多个信号中选出最大或最小的信号作为输出、限制信号的变化幅度、供电、供电/电路隔离/限制进入危险现场。

操作单元如电动操作器、气动操作器等，用于执行器手动/自动无扰动切换、手动操作、阀位指示。

执行单元如电气阀门定位器、以电机为动力的位置伺服机构（如直行程执行器）等，它将调节单元送来的信号转换成机械位移，操纵阀门等执行元件，使阀门开大或关小，以实现自动调节。

 未完待续 

方原柏

2026年3月