工業(yè)自動化儀器儀表的數(shù)字化系統(tǒng)技術(shù)

陳鳳永

[摘 ? ?要]在科學技術(shù)高速發(fā)展的同時，工業(yè)自動化儀器儀表的數(shù)字化系統(tǒng)技術(shù)也實現(xiàn)了新的發(fā)展。對工業(yè)自動化儀器儀表的數(shù)字化系統(tǒng)技術(shù)進行了分析介紹;從工業(yè)自動化儀器儀表的數(shù)字化要求和特點、自動化儀器儀表工作原理、新一代控制系統(tǒng)對儀器儀表系統(tǒng)的要求等方面進行了分析，同時也對工業(yè)自動化儀器儀表的數(shù)字化系統(tǒng)技術(shù)未來的發(fā)展方向進行了探討，以推動工業(yè)自動化儀器儀表的數(shù)字化系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展。

[關(guān)鍵詞]工業(yè)自動化;儀器儀表;數(shù)字化系統(tǒng)技術(shù)

[中圖分類號]TH86 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2022）01–0–03

[Abstract]With the rapid development of science and technology， the digital system technology of industrial automation instrumentation has also achieved new development. This article analyzes and introduces the digital system technology of industrial automation instrumentation; analyzes the digital requirements and characteristics of industrial automation instrumentation， the working principle of automated instrumentation， and the requirements for instrumentation system of a new generation of control systems. The future development prospects of the digital system technology of industrial automation instrumentation are discussed， in order to provide some references for promoting the development of the digital system technology of industrial automation instrumentation.

[Keywords]industrial automation; instrumentation; digital system technology

在儀器儀表中，自動化是最為關(guān)鍵的部分，起到了中樞系統(tǒng)的作用，可以對整個系統(tǒng)的運行情況進行實時監(jiān)測，如果工業(yè)設備發(fā)生了故障，自動化儀器儀表可以迅速對其進行監(jiān)測，并發(fā)出相關(guān)的警報，讓技術(shù)人員和維修人員及時進行調(diào)整和修理，另外，自動化儀器儀表還可以對相關(guān)的工業(yè)設備參數(shù)的調(diào)整和完善提供重要的參考依據(jù)。近些年，隨著數(shù)字化技術(shù)和計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，工業(yè)自動化儀器儀表數(shù)字化系統(tǒng)技術(shù)也得到了快速發(fā)展，并且在不同領(lǐng)域中得到了廣泛應用，并取得了很好的效果，為工業(yè)自動化發(fā)展提供了重要的技術(shù)保障。

1 工業(yè)自動化儀器儀表工作原理及儀器儀表數(shù)字化特點

1.1 自動化儀器儀表工作原理

工業(yè)自動化儀器儀表常常應用在工業(yè)生產(chǎn)中，與一些生產(chǎn)控制設備進行連接，再借助于計算機的優(yōu)勢來對各種生產(chǎn)設備進行控制，比如，對設備表面的溫度、所承受的壓力、輸出流量等指標數(shù)據(jù)進行分析和控制，如果相關(guān)的數(shù)據(jù)指標超出了設置的標準，自動化儀器儀表可以對生產(chǎn)設備進行實時控制。在機械自動化控制中，自動化儀器儀表可以將機械設備運行中的各項指標變化情況自動記錄下來，傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)中，相關(guān)管理人員根據(jù)這些數(shù)據(jù)對機械設備的運行情況進行判斷[1]。另外，控制系統(tǒng)還會將收到的這些數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一匯總分析，監(jiān)測機械設備是否發(fā)生運行異常情況，由自動化儀器儀表來快速做出反應，同時計算機對異常數(shù)據(jù)進行分析來找出問題所在。

1.2 工業(yè)自動化儀器儀表數(shù)字化系統(tǒng)發(fā)展特點

1.2.1 信號的全數(shù)字化特點

把工業(yè)自動化儀器儀表的通信線和生產(chǎn)設備進行連接可以形成和互聯(lián)網(wǎng)通信網(wǎng)絡系統(tǒng)相類似的系統(tǒng)網(wǎng)絡。通過這一網(wǎng)絡可以在信號傳輸?shù)倪^程中，實現(xiàn)全數(shù)字化、高精度、比較強的抗干擾信號傳輸，以此來提高信號轉(zhuǎn)換的精準度和可靠性，提高信號傳輸?shù)男屎唾|(zhì)量。

1.2.2 互聯(lián)性和互操性特點

互聯(lián)性主要是指借助于微處理器和智能設備來對各種儀器儀表設備進行有效控制。各個儀器儀表的互聯(lián)性特點就凸顯出來，降低了成本和對各種設備的維修率，提高了工業(yè)自動化儀器儀表設備的工作效率和工作質(zhì)量?；ゲ傩蕴攸c，主要是指現(xiàn)場中的總線設備通過對功能模塊和相關(guān)的參數(shù)標準化進行控制操作，這樣就可以讓各個設備之間的互操性特點更加突出。用戶可以按照不同產(chǎn)品的性能價格來選擇不同的儀器儀表，并實現(xiàn)不同儀器儀表設備的相互連接，這樣如果一臺儀器儀表設備發(fā)生了故障，可以單獨更換發(fā)生故障的設備，更加方便，快捷，并且還可以降低用戶額外購買集成硬軟件設備的成本。

1.2.3 功能可靠性特點

在對儀器儀表進行生產(chǎn)的過程中，采用了統(tǒng)一的生產(chǎn)標準，這樣儀器儀表的功能可靠性更強，操作人員不用再學習多種不同的操作內(nèi)容和連接方式，在很大程度上降低了故障發(fā)生的概率，同時也提高了儀器儀表使用過程中的可操控性。

1.2.4 開放的技術(shù)和標準特點

自動化儀器儀表中的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和相關(guān)的標準都是公開、統(tǒng)一的，所有制造商采用的都是這一標準和技術(shù)，這樣用戶就可以將不同制造商的通信網(wǎng)絡集成在一起進行互連，并且用戶之間也可以共享網(wǎng)絡數(shù)據(jù)資源。

1.2.5 通信線的供電兼容性特點

在自動化儀器儀表數(shù)字化系統(tǒng)中，使用了各種不同的軟件，所以自動化儀器儀表的通信線供電需要具備兼容性特點，比如，F(xiàn)CS全數(shù)字化系統(tǒng)的運用可以讓各種信息的作用充分發(fā)揮出來，更好地為我國工業(yè)自動化發(fā)展提供便利。

2 控制系統(tǒng)對儀器儀表系統(tǒng)的要求分析

2.1 嵌入式計算機系統(tǒng)的運用

自動化儀器儀表數(shù)字化系統(tǒng)是由多個功能模塊按照一定的方式組合起來，形成一種數(shù)字化的電子系統(tǒng)。其中的功能模塊包括了軟硬件兩種，系統(tǒng)中的各個具體模塊在運行的過程中相互配合協(xié)調(diào)，相互作用形成一個整體系統(tǒng)。嵌入式計算機系統(tǒng)將儀器儀表的故障檢測和診斷、傳感測量、補償計算和工程量處理等功效匯集到系統(tǒng)軟件中。芯片、接口技術(shù)和總線是嵌入式計算機系統(tǒng)中的關(guān)鍵部位，該系統(tǒng)在自動化儀表儀器數(shù)字化系統(tǒng)中的應用使其得到了更高級的發(fā)展。

（1）嵌入式計算機系統(tǒng)中的微電子技術(shù)對自動化儀器儀表的數(shù)字化發(fā)展帶來了很大的影響。微電子技術(shù)是延續(xù)了摩爾定律發(fā)展的，集成電路芯片中的系統(tǒng)從原來的PCB設計發(fā)展到現(xiàn)在的VLSI芯片設計，改變了傳統(tǒng)多個芯片共同運行的狀態(tài)，現(xiàn)在只需要一個芯片就可以實現(xiàn)自動化儀器儀表數(shù)字化系統(tǒng)的運行?，F(xiàn)階段，單片機由A/D、D/A數(shù)模轉(zhuǎn)化器、存儲器、看門狗電路等構(gòu)成，將多種功能通過一片芯片來實現(xiàn)，這樣就不再需要微控制器外圍電路進行更廣泛的拓展，同時也減少了電路分散帶來的外部干擾，提升了自動化儀器儀表數(shù)字化系統(tǒng)技術(shù)的可靠性和穩(wěn)定性。

（2）嵌入式技術(shù)對自動化儀器儀表數(shù)字化系統(tǒng)技術(shù)的影響。嵌入式計算機系統(tǒng)的關(guān)鍵配件是處理器，一般采用最多的是DSP處理器結(jié)合嵌入式片上系統(tǒng)SoC。這種處理器和普通的計算機處理器相比，損耗更小，成本更低，穩(wěn)定性和可靠性更強，同時嵌入式微處理器的體積也比較小，重量比較輕。此外，其還有著比較高的集成度，可以將CPU擴展后芯片的所有功能全部集中到一個芯片上，移動更加方便，并且網(wǎng)絡連接能力也更強。與此同時，該系統(tǒng)中的半導體和電子技術(shù)可以讓其應用在各個不同的領(lǐng)域中，同時具備更長的使用壽命。

2.2 網(wǎng)絡技術(shù)在自動化儀器儀表數(shù)字化系統(tǒng)技術(shù)中的運用

在現(xiàn)階段自動化儀器儀表數(shù)字化系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展過程中，網(wǎng)絡技術(shù)得到了廣泛應用，數(shù)字化通信技術(shù)被應用在自動化儀器儀表系統(tǒng)中，發(fā)揮出了通信傳輸?shù)闹匾饔?。在網(wǎng)絡技術(shù)和智能儀器儀表等相關(guān)技術(shù)發(fā)展的影響下，自動化儀器儀表逐漸按照嵌入式和通信網(wǎng)絡相融合的方式發(fā)揮出其作用和功能，讓網(wǎng)絡的透明化程度更高，同時也實現(xiàn)了自動化和辦公自動化的充分結(jié)合，為自動化儀器儀表數(shù)字化系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展創(chuàng)造了更多的技術(shù)支撐。

2.3 分布式控制系統(tǒng)在自動化儀器儀表數(shù)字化系統(tǒng)技術(shù)中的運用

現(xiàn)階段，分布式控制系統(tǒng)發(fā)展更加成熟完善，成為儀器儀表設備智能化數(shù)字化測控系統(tǒng)中的重要組成部分，在集中式控制系統(tǒng)發(fā)展的影響下，將現(xiàn)代通信技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)、現(xiàn)代圖形顯示技術(shù)和現(xiàn)代化的計算機技術(shù)等多種技術(shù)進行了全面整合發(fā)展，實現(xiàn)了對各種設備參數(shù)的分級管理，也實現(xiàn)了更加靈活的配置，讓自動化儀器儀表的數(shù)字化系統(tǒng)技術(shù)更加完善和穩(wěn)定。

2.4 網(wǎng)絡控制系統(tǒng)在自動化儀器儀表數(shù)字化系統(tǒng)技術(shù)中的運用

在自動化儀器儀表數(shù)字化系統(tǒng)技術(shù)的測控系統(tǒng)中，微處理核心硬件系統(tǒng)和嵌入式操作系統(tǒng)核心軟件的應用非常廣泛，這兩種系統(tǒng)實現(xiàn)了計算機和儀器儀表之間各種數(shù)據(jù)信息的有效傳輸，同時也讓控制的緊密性和銜接性更加便捷，儀表設備中局域網(wǎng)絡接口和打印機接口、USB接口等使得測控儀器的通用性更強。只需要和計算機進行連接，就可以讓設備在進行操作運轉(zhuǎn)時更加快捷、方便，操作的流程、方法和計算機并無差別，這樣使得自動化儀器儀表數(shù)字化系統(tǒng)技術(shù)的應用和操作的開放性和實用性更強。

2.5 自動化控制技術(shù)在自動化儀器儀表數(shù)字化系統(tǒng)技術(shù)中的運用

自動控制技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中的應用在很大程度上提高了生產(chǎn)的效率和水平，同時也減少了生產(chǎn)操作過程中失誤的發(fā)生概率，提升了工業(yè)生產(chǎn)的效率和質(zhì)量?，F(xiàn)階段，在工業(yè)自動化儀器儀表數(shù)字化系統(tǒng)技術(shù)中，自動化控制技術(shù)主要是在過程自動化、管理自動化和機械自動化三個大的方面來進行應用。工業(yè)生產(chǎn)通過三方面的自動化應用來讓生產(chǎn)流線中的設備操作更加精準，更好地對生產(chǎn)進行控制，讓生產(chǎn)過程中的各個環(huán)節(jié)都可以實現(xiàn)更加直觀的管理，從而實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)的批量化管理，提高生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質(zhì)量。

在傳統(tǒng)的工業(yè)設計、制造和服務領(lǐng)域，經(jīng)驗往往是一種模糊而很難把握的形態(tài)，很難將其作為精準判決的依據(jù)。而通過數(shù)字化的手段，將原先無法保存的專家經(jīng)驗進行數(shù)字化，并提供了保存、復制、修改和轉(zhuǎn)移的能力。例如，針對大型設備運行過程中出現(xiàn)的各種故障特征，可以將傳感器的歷史數(shù)據(jù)通過機器學習訓練出針對不同故障現(xiàn)象的數(shù)字化特征模型，并結(jié)合專家處理的記錄，將其形成未來對設備故障狀態(tài)進行精準判決的依據(jù)，并可針對不同的新形態(tài)的故障進行特征庫的豐富和更新，最終形成自治化的智能診斷和判決。

2.6 網(wǎng)絡互聯(lián)互操作性儀器儀表設備的運用

網(wǎng)絡技術(shù)很早以前就應用到了工業(yè)自動化儀器儀表系統(tǒng)中，發(fā)揮出了控制網(wǎng)絡的作用，形成了分布式的網(wǎng)絡控制系統(tǒng)，讓自動化儀器儀表系統(tǒng)的靈活性、效能性更高，更加便于維護和拓展。發(fā)展到現(xiàn)階段，網(wǎng)絡技術(shù)的互操作性和互聯(lián)性更加突出，比如，LonWorks控制網(wǎng)絡掛接儀器儀表設備的互連和互操作性優(yōu)勢更加突出，現(xiàn)場信息的模擬量實現(xiàn)了全數(shù)字雙向多站數(shù)字通訊的發(fā)展，和以往的儀器儀表有了很大的區(qū)別和不同。該控制網(wǎng)絡掛接儀器儀表設備是在神經(jīng)元芯片的基礎(chǔ)上開發(fā)的，這種神經(jīng)元芯片有3120系列和3150系列兩種。3120系列的芯片接口有ROM、RAM、E2PROM;3150系列芯片中并沒有內(nèi)部ROM，但是卻有了訪問外部存儲器的信號傳輸功能。神經(jīng)元芯片內(nèi)部的通信協(xié)議實現(xiàn)了完整的固化，這樣可以讓節(jié)點間的可靠通信和互操作性更強。

神經(jīng)元芯片在很多的網(wǎng)絡節(jié)點中形成了一個獨立的處理器，如果想要讓節(jié)點信號處理能力和I/O通道更加強大，只需要利用其他的處理器來進行處理，用神經(jīng)元芯片來進行數(shù)據(jù)的交換傳輸，這樣神經(jīng)元芯片就可以實現(xiàn)通信功能。神經(jīng)元芯片中有3個8位微處理器、只讀存儲ROM、隨機存儲RAM和通信、I/O接口。ROM中的貯存操作系統(tǒng)、I/O函數(shù)庫和通信協(xié)議、RAM等常常用于從網(wǎng)絡中下載相關(guān)數(shù)據(jù)信息和應用程序的存儲。

神經(jīng)元芯片的性能指標包括了3個8位的CPU和輸入時鐘，輸入時鐘可以選擇11條可編程I/O引腳、625 kHz～10 MHz，2個16位的硬件定時器/計數(shù)器，15個軟定時器;休眠的工作方式是在維持操作基本穩(wěn)定的情況下盡可能降低電能的損耗。網(wǎng)絡通信端口方式有差分方式、單端方式和專用方式，固件包括了I/O啟動器程序、通信協(xié)議、事件驅(qū)動多任務調(diào)度程序等。服務引腳主要是用于遠程識別和診斷，48位的內(nèi)部神經(jīng)元芯片ID來作為神經(jīng)元芯片的唯一識別系統(tǒng)。在功能比較強大的神經(jīng)元芯片下，為網(wǎng)絡互連互操作性的自動化儀器儀表設備提供了更多有效的功能。

神經(jīng)元芯片還可以支持多種不同的通信介質(zhì)，比如，光纖、紅外、雙絞線、無線和同軸電纜等，同時還可以支持不同種類的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)。雙絞線因其比較高的性價比成為通信介質(zhì)中最常用的一種。比如，F(xiàn)TT-10A雙絞線變壓器耦合收發(fā)器支持總線型和自由拓撲型拓撲，并且這種收發(fā)器還有著很強的抗干擾能力，可以承受1 000 Vrms電壓長達1 min時間。LonWorks總線和神經(jīng)元芯片共同構(gòu)成的網(wǎng)絡靈活性更強，在結(jié)合總線拓撲網(wǎng)絡可以讓網(wǎng)絡系統(tǒng)的長度達到2 000 m，采用自由拓撲的網(wǎng)絡最長也可以達到500 m。

3 工業(yè)自動化儀器儀表數(shù)字化系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展展望

在各種先進技術(shù)不斷發(fā)展的影響下，我國的自動化儀器儀表技術(shù)有了新的發(fā)展方向，數(shù)字化智能化發(fā)展水平更高，將引領(lǐng)自動化儀器儀表技術(shù)產(chǎn)業(yè)的未來發(fā)展。

近些年，我國的精密機械技術(shù)、微電子技術(shù)、計算機技術(shù)、高密封技術(shù)和特種加工技術(shù)、集成技術(shù)、薄膜技術(shù)、網(wǎng)絡技術(shù)、激光技術(shù)、納米技術(shù)和超導技術(shù)等多種高新技術(shù)的飛速發(fā)展，對于工業(yè)自動化儀器儀表的發(fā)展提出了更高更新的要求，需要儀器儀表的數(shù)字化、智能化水平更高，同時還要具備更加敏捷、靈活、穩(wěn)定的性能特點，要求可以采用比較少的樣本量，實現(xiàn)監(jiān)測微損或者是無損的目標，可以對更多的距離進行遙感遙測等。

在高科技發(fā)展以及現(xiàn)場總線的應用影響下，為自動化儀器儀表數(shù)字化系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展起到了新的導航作用。現(xiàn)場總線的應用可以讓儀器儀表的數(shù)字化系統(tǒng)和控制室之間形成一種開放式、雙向性、全數(shù)字化和多站的通信系統(tǒng)，不僅可以滿足不同用戶的不同需求，同時還可以提升通信技術(shù)和控制技術(shù)在工業(yè)控制領(lǐng)域中的發(fā)展水平，提升了其性能、精度、穩(wěn)定、適應性水平，同時也形成了更加科學、可靠、低消耗的優(yōu)勢特點，為自動化儀器儀表數(shù)字化系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展帶來了新的發(fā)展動力和發(fā)展空間。

4 結(jié)束語

科學技術(shù)和信息技術(shù)等多種技術(shù)的發(fā)展融合應用，為工業(yè)制造的數(shù)字化發(fā)展帶來了新的發(fā)展機遇和便捷，所以，在工業(yè)發(fā)展過程中要重視工業(yè)自動化儀器儀表數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，這樣才可以實現(xiàn)我國工業(yè)領(lǐng)域的健康可持續(xù)發(fā)展。

參考文獻

[1] 段紅松.探析數(shù)字化儀表與控制系統(tǒng)技術(shù)應用與發(fā)展[J].中國機械，2021（7）：119，123.