基于嵌入式的智能化與網(wǎng)絡化的自動化儀表應用分析

劉鵬宇

（大慶石油天然氣有限公司天然氣分公司油氣加工四大隊北II淺冷站，黑龍江 大慶 163000）

基于嵌入式的智能化與網(wǎng)絡化的自動化儀表應用分析

劉鵬宇

（大慶石油天然氣有限公司天然氣分公司油氣加工四大隊北II淺冷站，黑龍江 大慶 163000）

隨著知識經(jīng)濟時代到來，工業(yè)生產(chǎn)對于數(shù)字化、智能化技術設備運用能力越來越強。嵌入式自動化儀表的使用受周圍環(huán)境影響程度低，即使在一些惡劣生產(chǎn)環(huán)境下仍能正常運轉(zhuǎn)；而且自動化控制系統(tǒng)對工藝設備，也起到了監(jiān)督指導作用，因此被廣泛應用于現(xiàn)代化生產(chǎn)中。基于此，本文將探討嵌入式智能化自動儀表設計分析與網(wǎng)絡化實現(xiàn)。

嵌入式；自動化儀表；智能化；網(wǎng)絡化

傳統(tǒng)儀器儀表抗環(huán)境能力差，易被工業(yè)粉塵進入儀器內(nèi)部而產(chǎn)生故障，其自身在集成化處理與儲存容量上，也不能滿足現(xiàn)代生產(chǎn)工藝要求。而嵌入式自動化儀表不但具有強大控制處理系統(tǒng)，還有自我學習系統(tǒng)與記憶系統(tǒng)，其網(wǎng)絡化實現(xiàn)也為現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)帶來更大便利。

1 嵌入式自動化儀表介紹

現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)設備具有很強適用性，依據(jù)生產(chǎn)需要，配備不同功能。嵌入式系統(tǒng)也正是將此優(yōu)勢最大發(fā)揮，按照系統(tǒng)功能剪裁軟硬件，提高設備適應能力，目前被廣泛應用于各類電氣設備設計中。目前共有三類主要嵌入式系統(tǒng)：基于單片機系統(tǒng)、工業(yè)化單板機系統(tǒng)、MPU系統(tǒng)。這三類系統(tǒng)，依據(jù)使用要求不同也各具特色，如MPU系統(tǒng)，是32位嵌入式處理器，不但控制性能良好，而且具有強大功能支持各類軟件，系統(tǒng)資源較為豐富。

將嵌入式系統(tǒng)與現(xiàn)代化儀表相融合，對儀表各部分操作部位都進行了升級，使系統(tǒng)不再只是設備一部分附屬品，而是具有指導監(jiān)控功能。使儀表可以對應外界環(huán)境變化，調(diào)節(jié)內(nèi)部設計安排，精細化監(jiān)督設備加工過程，而其網(wǎng)絡化設計還提供了遠程操作等功能，節(jié)省更多人力，真正實現(xiàn)自動化無人生產(chǎn)模式。

2 嵌入式自動化儀表設計分析

嵌入式自動化儀表設計最大特色在于其新系統(tǒng)設計部分，將軟件功能開發(fā)與硬件功能設計相結合，使其內(nèi)部資源得到最優(yōu)化利用，這就是軟硬件協(xié)同設計思路，總體分為四部分：系統(tǒng)功能描述劃分，軟硬件功能分解，協(xié)同模擬，軟硬件綜合。這四個模塊，相互配合，互相制約，如圖1。

圖1 嵌入式儀表設計布局

2.1 系統(tǒng)功能描述及劃分

傳統(tǒng)儀表設計中，設計人員注重硬件功能設計，一般先進行硬件功能采集設計，其后才是軟件系統(tǒng)配對，再進行系統(tǒng)測試，這種設計思路很容易導致重復設計，一旦設計不合理無法通過測試階段就要重頭設計，設計成本過高，不能及時滿足市場需要。而功能描述、劃分階段，則是在設計初期先利用修改性能好或是不具備實現(xiàn)性能語言編寫程序，進行系統(tǒng)功能測試，如果通過測試并且符合使用要求，則進行后續(xù)步驟；如果出現(xiàn)錯誤中斷測試，可以及時找出錯誤重新編寫，以此來保障程序運行穩(wěn)定性，避免后期設計返工，節(jié)約設計成本。

2.2 軟硬件功能分解

這是資源配置階段，在系統(tǒng)功能總體確定后，進行功能任務細分，依照設計目標以及軟硬件驅(qū)動性能，使每個功能運行達到最優(yōu)化目標。與傳統(tǒng)設計模式相比，提高了軟硬件配合能力，將軟件系統(tǒng)由附屬地位提升到操作地位，使系統(tǒng)設計更加合理。

2.3 系統(tǒng)協(xié)同模擬

將軟件設計周期與整個系統(tǒng)設計周期相結合，在進行軟硬件分布設計之后，提供模擬環(huán)境，進行進一步調(diào)試，提高系統(tǒng)實際運行能力，并且找出系統(tǒng)與軟硬件不匹配部分進行重新分配設計。

2.4 軟硬件綜合

在模擬運行之后，進行軟硬件綜合設計步驟，使得系統(tǒng)結構更加完善。硬件構件與軟件構件都要進行綜合處理，使系統(tǒng)邏輯更加嚴密，擁有最低冗余度與最高專用性。另外自動化儀表設計，還包括核心內(nèi)容設計，將上述幾種嵌入式系統(tǒng)分別運用于核心設計中，提高設備性能。自動化管理要求儀表所具有功能要更加全面，因此8-16位嵌入式系統(tǒng)在功能提供上，已不能滿足實際應用需要。而一些新型嵌入式處理器不論是在成本上還是抗損耗能力上，也都有一定程度下降，提升了儀表高新系統(tǒng)嵌入可能性。如上所提到MPU系統(tǒng)，內(nèi)核為32位，其最大特點為集成通信，包含了4種不同通信處理通道，支持多項通信軟件，而且這些通道具有同步協(xié)議功能，提高了系統(tǒng)環(huán)境適應能力，加強了自動化儀表網(wǎng)絡化實現(xiàn)可能(圖2)。

圖2 智能前入式自動儀表的硬件系統(tǒng)設計

3 嵌入式自動化儀表網(wǎng)絡化實現(xiàn)

自動化儀表網(wǎng)絡化實現(xiàn)想法，其實在自動化儀表應用之初就已經(jīng)被提出了，但其技術難關主要出現(xiàn)在，網(wǎng)絡通信協(xié)議、運行速度要求與儀表內(nèi)部設置不能相互統(tǒng)一。儀表內(nèi)部中等運行速度處理器，如果在接受多種網(wǎng)絡通信信號時，就會發(fā)生信息滯留，同時協(xié)調(diào)處理容易造成系統(tǒng)內(nèi)部癱瘓，破壞系統(tǒng)邏輯處理能力，同時可能會激發(fā)隱含程序錯誤，降低儀表使用功效。而隨著對于儀表網(wǎng)絡化實現(xiàn)研究加深，也提出了新網(wǎng)絡化難題解決方案，主要介紹以下兩種。

3.1 通過EMIT技術接入網(wǎng)絡

EMIT技術又稱為微型嵌入技術，這種技術引入了網(wǎng)關附加系統(tǒng)，等同于添加了一項通信數(shù)據(jù)綜合處理器。網(wǎng)關系統(tǒng)通過紅外線、CAN、射頻等輕量級總線與多種嵌入式設備連接起來，每個設備將傳遞信息發(fā)入到網(wǎng)關之中，由網(wǎng)關程序進行處理和協(xié)調(diào)，具有修改設備變量功能。網(wǎng)關可以同時管理多個嵌入式設備，提高儀表適用性。自動化儀表通過實現(xiàn)網(wǎng)絡化以后，與計算機具有相同功能，成為網(wǎng)絡控制中一環(huán)，可以實現(xiàn)遠程控制，數(shù)據(jù)采集。

3.2 實時操作RTOS系統(tǒng)

傳統(tǒng)儀表控制系統(tǒng)，由于自身控制系統(tǒng)與儲存容量限制，很難實現(xiàn)實時操作控制，但新型儀表設計模式，提升了儀表軟、硬件構建適用度，并提高了工作效率，這些都促成了實時操作實現(xiàn)。

RTOS系統(tǒng)主要有以下幾項優(yōu)點：第一，主程序被分為多個控制任務，使任務安排更加細化，也方便系統(tǒng)識別操作，降低了分操作難度，提高了操作速度。第二，為保證重要信息處理時間，該系統(tǒng)會依照初始設置，進行任務信息分類，如報警信息在處理優(yōu)先順序上高于普通監(jiān)控返回信號判斷，因此提高了儀表自動化監(jiān)控功能性。而且優(yōu)先處理系統(tǒng)會有時間保障，在時間范圍內(nèi)不斷發(fā)出警告提示，降低大型錯誤觸發(fā)幾率，提高整個生產(chǎn)過程安全性。第三，穩(wěn)定性。由于系統(tǒng)本身使用最新處理技術，故對于穩(wěn)定性有先天保障，而且其細化任務處理與信號順序安排，都提高了運行速度，從而減輕了系統(tǒng)運行壓力，提高了穩(wěn)定性。

4 結語

現(xiàn)代化生產(chǎn)越來越趨于自動化無人管理模式，因此對于設備要求也逐步提高。嵌入式自動化儀表，也在這種背景要求下，逐步改進設計理念，升級軟硬件配置，從而提高設備適應性能。而且其網(wǎng)絡化實現(xiàn)，不但節(jié)省了大量人力使用，同時還提高了設備監(jiān)控能力。

[1]王世好，嚴迎建，吳清平.嵌入式系統(tǒng)軟硬件協(xié)調(diào)設計環(huán)境構造與實現(xiàn)方法[J].計算機工程與應用，2014,(16):123～124.

[2]王太勇，王濤，楊潔，許愛芬，趙麗，李波，胡世廣.基于嵌入式技術的數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)設計[J].天津大學學報，2015,(12)111～113.

[3]毛勇，金傳正.基于嵌入式Web服務器的遠程故障診斷系統(tǒng)[J].中國電子網(wǎng).

[4]李嘉，楊佃福.嵌入式遠程監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)[J].自動化儀表，2012.4:5.

[5]馮建新，王光興.基于網(wǎng)絡的設備遠程監(jiān)控系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J].東北大學學報，2014.7:617.

TP216

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1671-0711（2016）12（上）-0148-02