淺議工業(yè)自動(dòng)化儀表的智能化

梁君

工業(yè)過程自動(dòng)化是通過自動(dòng)化儀表、自動(dòng)化技術(shù)與生產(chǎn)工藝及設(shè)備的有機(jī)結(jié)合來實(shí)現(xiàn)的，因此，工業(yè)自動(dòng)化儀表與系統(tǒng)是儀器儀表工業(yè)最主要的一類。當(dāng)前，國(guó)際上自動(dòng)化儀表與系統(tǒng)正進(jìn)行著一場(chǎng)新的“變革”，即儀表的智能化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化與開放性。

1. 我國(guó)工業(yè)自動(dòng)化儀表智能化的策略及現(xiàn)狀

儀表智能化指采用超大規(guī)模集成電路和微處理器技術(shù)，利用嵌入式軟件協(xié)調(diào)內(nèi)部操作，使儀表具有智能的功能，在完成輸入信號(hào)的非線性、溫度與壓力的補(bǔ)償、量程刻度標(biāo)尺的變換、零點(diǎn)錯(cuò)誤、故障診斷等基礎(chǔ)上，還可完成對(duì)工業(yè)過程的控制，使控制系統(tǒng)的功能進(jìn)一步分散。

90年代初，儀表行業(yè)組織了DDZ-S系列儀表的聯(lián)合開發(fā)，解決了控制儀表的數(shù)字化問題。同時(shí)，國(guó)內(nèi)有關(guān)儀表廠引進(jìn)了單回路調(diào)節(jié)器、電容式和擴(kuò)散硅式變送器、DCS、執(zhí)行結(jié)構(gòu)等新技術(shù)，并開展了國(guó)產(chǎn)化工作?！熬盼濉逼陂g，跟蹤國(guó)際潮流，現(xiàn)場(chǎng)總線智能儀表與系統(tǒng)成為發(fā)展的熱點(diǎn)。HART智能儀表開發(fā)成功；FF智能儀表關(guān)鍵技術(shù)突破；Lon智能開展網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品的開發(fā)與應(yīng)用發(fā)展迅速；CAN總線、Profibus總線產(chǎn)品的應(yīng)用已取得成效。

2.儀表的智能化過程

儀表的智能化首先從控制器開始。可編程單回路調(diào)節(jié)器是這類智能儀表的代表，如山武-霍尼威爾公司SSC系列的KMM（最近有SDC40B）；橫河公司YS-80系列（最近有YS170）的SLPC等?？删幊虇位芈氛{(diào)節(jié)器是以微處理器作為運(yùn)算控制器的核心，它主要接收和輸出標(biāo)準(zhǔn)的、連續(xù)的電模擬量信號(hào)，可由用戶編制程序，組成各種數(shù)字式過程調(diào)節(jié)裝置。它將回路控制、數(shù)字運(yùn)算、邏輯運(yùn)算及通信等多種功能集于一體，通過編制程序，可以實(shí)現(xiàn)不同的功能。

3.現(xiàn)場(chǎng)儀表的智能化與總線化

首先，以智能變送器來說明現(xiàn)場(chǎng)儀表的智能化進(jìn)程。

智能變送器集成了智能儀表全部功能及部分控制功能，具有很高的線性度和較低的溫度漂移，降低了系統(tǒng)的復(fù)雜性、簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。智能變送器具有一定的人工智能，可實(shí)現(xiàn)自學(xué)習(xí)功能等；可集成為多敏感元件的變送器，能同時(shí)測(cè)量多種物理量和化學(xué)量，全面反映被測(cè)量的綜合信息；精度高，測(cè)量范圍寬，其量程比最高可為400：1，能應(yīng)付很寬的測(cè)量范圍，特別適用于要求量程比大的場(chǎng)合；可采用標(biāo)準(zhǔn)化的通信接口進(jìn)行信息交換，這是智能變送的關(guān)鍵標(biāo)志之一。智能化使變送器由單一功能向多功能和多變量檢測(cè)發(fā)展，由被動(dòng)進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換向主動(dòng)控制和主動(dòng)進(jìn)行信息處理方向發(fā)展，由孤立元件向系統(tǒng)化、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展。

第一代智能變送器主要以提高性能為主，一般為模數(shù)混合式儀表。這是因?yàn)樵诖罅繎?yīng)用的DCS系統(tǒng)中，現(xiàn)場(chǎng)一級(jí)仍保留著4～20mA模擬信號(hào)和“一對(duì)一”的單向信號(hào)傳輸模式。第一代智能變送器使儀表的性能與精度得到了大大的提升，但在檢測(cè)信號(hào)上仍屬被動(dòng)型。

第二代智能變送器在第一代智能變送器的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)由被動(dòng)進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)轉(zhuǎn)換向主動(dòng)控制和主動(dòng)進(jìn)行信息處理方向發(fā)展，由孤立的檢測(cè)變送單元向系統(tǒng)化、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展。智能變送器屬于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，將它們和其它的各種現(xiàn)場(chǎng)上的設(shè)備與上一級(jí)的監(jiān)控裝置連接在一起形成的全數(shù)字化的、串行、雙向、多站的網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)，這就是現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)（FCS）。

總線化現(xiàn)場(chǎng)儀表功能豐富，在FCS中，幾乎不存在單一功能的現(xiàn)場(chǎng)儀表。如橫河川儀生產(chǎn)的EJA系列FF現(xiàn)場(chǎng)總線壓力變送器，具有兩個(gè)相互獨(dú)立的AI（模入）功能模塊，分別計(jì)算差壓和靜壓。它的自診斷不但可以檢測(cè)出壓力超界、環(huán)境溫度過高、量程設(shè)置錯(cuò)誤，而且還能檢測(cè)出壓力傳感器、溫度傳感器以及放大器、模塊等硬件故障；再如Fisher-Rosemount公司的FIELDVUEDVC5000f系列是一種典型的總線化調(diào)節(jié)閥門控制器，它采用FF總線通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)閥門與系統(tǒng)的雙向通信及自診斷功能。它內(nèi)置PID和AO（模出）功能塊，實(shí)現(xiàn)了通過PID運(yùn)算并根據(jù)運(yùn)算結(jié)果調(diào)控閥門工作的功能。除此之外，還能提供如下報(bào)警信息：提供閥門的行程、輸入電流、行程報(bào)警、行程累計(jì)和故障報(bào)警等；提供自診斷信息：閥門特性測(cè)試、閥座關(guān)閉壓力、執(zhí)行機(jī)構(gòu)預(yù)置工作壓力范圍、閥門摩擦力和動(dòng)態(tài)誤差帶測(cè)試分析數(shù)據(jù)。Valve Link軟件和設(shè)備管理系統(tǒng)AMS的Valve Link Snap On軟件通過處理這些寶貴的信息，可對(duì)閥門的工作狀態(tài)做出及時(shí)的診斷，從而將定期維修和臨時(shí)維修改進(jìn)為預(yù)防性維修。

4.嵌入式智能儀表

嵌入式Internet技術(shù)在工業(yè)過程控制中的一個(gè)重要應(yīng)用是實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)程現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)控，Internet將從最初的Personal to Personal發(fā)展到Personal to Device，Deviceto Device時(shí)代，智能將下移到設(shè)備，大量的嵌入式設(shè)備將連接到Internet。

新一代智能儀表——IP智能現(xiàn)場(chǎng)儀表基于嵌入式Web服務(wù)器技術(shù)，支持HTTP/TCP/UDP/IP等通信協(xié)議，并采用以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)接口，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和Internet的直接通信。IP智能現(xiàn)場(chǎng)儀表解決了設(shè)備的直接上網(wǎng)問題，通過分配正確的IP地址，授權(quán)用戶就可以在任意Internet終端實(shí)現(xiàn)對(duì)被控設(shè)備的訪問和控制。

目前，惠普公司生產(chǎn)的嵌人式以太網(wǎng)控制器具有10-Base T以太網(wǎng)接口，運(yùn)行FTP/HTTP/TCP/UDP協(xié)議，應(yīng)用于傳感器、驅(qū)動(dòng)器等現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。國(guó)內(nèi)的東大阿爾派公司為自己的CT產(chǎn)品開發(fā)了遠(yuǎn)程維修診斷系統(tǒng)。美國(guó)OPT022公司采用嵌入式Intemet技術(shù)，研制開發(fā)了“以太網(wǎng)I/O系統(tǒng)”——SNAP I/O系統(tǒng)，通過Internet對(duì)分布在遠(yuǎn)程設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)的I/O口進(jìn)行訪問，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)程設(shè)備的監(jiān)測(cè)和控制。對(duì)I/O的讀寫控制是通過標(biāo)準(zhǔn)Web瀏覽器實(shí)現(xiàn)的，提供對(duì)SNMP、RDP、PPP、HTML、XML、WML及HDML等協(xié)議的支持。

圖3顯示了基于嵌入式Internet的控制網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)。其特點(diǎn)是：首先，Ethernet貫穿于整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)層次，它使網(wǎng)絡(luò)成為透明的、覆蓋整個(gè)企業(yè)范圍的應(yīng)用實(shí)體。它實(shí)現(xiàn)了真正意義上的辦公自動(dòng)化與工業(yè)自動(dòng)化的無縫結(jié)合，因而我們稱它為扁平化的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)，其良好的互連性和可擴(kuò)展性使之成為一種真正意義上的全開放的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，一種真正意義上的大統(tǒng)一。因此，基于嵌入式Internet的控制網(wǎng)絡(luò)代表了新一代控制網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的必然趨勢(shì)，新一代智能儀表——IP智能現(xiàn)場(chǎng)儀表的應(yīng)用將越來越廣泛。

從工業(yè)儀表尤其是工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)儀表的智能化、總線化的進(jìn)程，我們不難看出計(jì)算機(jī)和現(xiàn)代儀表的相互包容，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與儀表網(wǎng)絡(luò)的融合性?，F(xiàn)場(chǎng)總線是一種底層計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，也是現(xiàn)場(chǎng)儀表與設(shè)備之間的通信網(wǎng)絡(luò)。儀表的智能化技術(shù)不但改善了儀表本身的性能，還影響到了控制網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)。