探討智能儀表技術(shù)及工業(yè)自動化應用發(fā)展

汪峰

【摘 要】概述了智能儀表的發(fā)展歷程及技術(shù)特點，在闡述我國智能儀表的應用現(xiàn)狀及存在問題的基礎(chǔ)上，詳細列舉了三類問題成因（環(huán)境因素、人為因素和自身因素）的應對措施，并針對智能儀表技術(shù)及其應用的未來發(fā)展方向提供了幾點參考建議。

【關(guān)鍵詞】智能儀表；應用現(xiàn)狀；應對措施；發(fā)展方向

0.前言

隨著微電子、計算機、網(wǎng)絡(luò)和通訊技術(shù)的飛速發(fā)展以及綜合自動化程度的不斷提高，目前廣泛應用于工業(yè)自動化領(lǐng)域的智能儀表，其技術(shù)也同樣在過去的二十多年里得到了迅猛的發(fā)展。目前國外智能儀表占據(jù)了國際應用市場的絕大比重，如何結(jié)合目前智能儀表的工業(yè)應用經(jīng)驗并快速跟蹤國際智能前沿技術(shù)應用于我國智能儀表的開發(fā)研究成為振興民族智能儀器儀表的一大突出問題。

1.智能儀表的優(yōu)勢和特點

1.1精度高

智能變送器具有較高的精度。利用內(nèi)裝的微處理器，能夠?qū)崟r測量出靜壓、溫度變化對檢測元件的影響，通過數(shù)據(jù)處理，對非線性進行校正，對滯后及復現(xiàn)性進行補償，使得輸出信號更精確。一般情況，精度為最大量程的±0.1%，數(shù)字信號可達±0.075%。

1.2功能強

智能變送器具有多種復雜的運算功能，依賴內(nèi)部微處理器和存儲器，可以執(zhí)行開方、溫度壓力補償及各種復雜的運算。

1.3測量范圍寬

普通變送器的量程比最大為10：1，而智能變送器可達40：1或100：1，遷移量可達1900%和-200%，減少變送器的規(guī)格，增強通用性和互換性，給用戶帶來諸多方便。

1.4通信功能強

智能變送器均可實現(xiàn)手操器進行操作，既可在現(xiàn)場將手操器插到變送器的相應插孔，也可以在控制室將手操器連接到變送器的信號線上，進行零點及量程的調(diào)校及變更。有的變送器具有模擬量和數(shù)字量兩種輸出方式（如HART協(xié)議），為實現(xiàn)現(xiàn)場總線通訊奠定了基礎(chǔ)。

1.5完善的自診斷功能

通過通信器可以查出變送器自診斷的故障結(jié)果信息。

智能儀表建立在微電子技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)上，超大規(guī)模集成電路的嵌入，將CPU、存儲器、A/D轉(zhuǎn)換、輸入/輸出等功能集成在一塊芯片上，甚至將PID控制組件也置入其中。加之現(xiàn)場總線的應用，智能儀表與控制系統(tǒng)之間的數(shù)字通訊將替代以往的模擬傳遞，大大提高了精度和可靠性，避免了模擬信號在傳輸過程中的衰減，長期難以解決的干擾問題得到解決。此外，由于數(shù)字通訊，節(jié)省了大量電纜、安裝材料和安裝費用。

2.我國智能儀表工業(yè)自動化應用現(xiàn)狀及應對措施

2.1我國智能儀表的工業(yè)自動化應用現(xiàn)狀

隨著大規(guī)模工業(yè)化裝置對安全運行及自動化控制水平要求的不斷提高，尤其是上世紀90年代后期DCS系統(tǒng)的應用普及、現(xiàn)場總線技術(shù)的快速發(fā)展、各種標準通訊協(xié)議的進一步開放和完善，促使智能儀表在工業(yè)自動化領(lǐng)域得到了更為廣泛和大規(guī)模的應用。

首先，工業(yè)用戶對于能源及物耗成本的計量要求、控制精度的要求、減輕現(xiàn)場作業(yè)量（工藝操作和儀表維護）的要求無一例外的將擴大智能儀表的應用市場。

此外，儀表行業(yè)的自身發(fā)展已經(jīng)趨于智能化。這一點無論是中國還是全球，儀表產(chǎn)品的高科技化、高智能化已經(jīng)成為必然的發(fā)展趨勢。

相比之下，國產(chǎn)智能化儀表無論是設(shè)計還是制造都明顯弱于國際先進水平，國內(nèi)工業(yè)自動化用戶在智能儀表的使用經(jīng)驗方面也相對積累較晚、較少，智能儀表與現(xiàn)場總線的應用組合也還不多，這些現(xiàn)狀表明我國智能儀表的應用還只是處于一個初級階段，而由此也帶來了相對較多的應用問題。

2.2智能儀表應用存在的問題及應對措施

2.2.1環(huán)境因素及應對措施

環(huán)境因素主要表現(xiàn)為來自系統(tǒng)內(nèi)部和外部的各種干擾。具體來說，這些干擾源可劃分為：空間的電磁輻射、布線的干擾和控制系統(tǒng)內(nèi)部的干擾。上述干擾又通過以下途徑進入系統(tǒng)：電源、輸入端子、輸出端子和空間輻射。

智能儀表工作環(huán)境復雜、惡劣，應用空間存在各種干擾，在設(shè)計環(huán)節(jié)應當綜合考慮各種可能因素，確定干擾性質(zhì)，采取相應的抗干擾措施，合理有效地抑制干擾，使其高可靠地穩(wěn)定運行。

2.2.2人為因素及應對措施

人為因素主要表現(xiàn)為選型、安裝及使用維護不當所帶來的問題。所以，只要對癥下藥，做好選型、安裝及使用維護三個方面的工作，就可以從人為角度保障智能儀表的長周期可靠運行。

（1）選型應對措施。

工業(yè)自動化應用實踐表明，智能儀表的故障率極低，較多故障來源于儀表的選型偏差，這就需要慎重考慮測量介質(zhì)的具體情況。以智能變送器為例，選型時的考慮重點是測量范圍是否合理、接液部分材質(zhì)是否滿足工藝介質(zhì)的腐蝕性要求、法蘭規(guī)格型號是否與工藝連接法蘭一致。

（2）安裝應對措施。

舉例來說，實際應用中我們可能會遇到需要伴熱、但裝置現(xiàn)場附近又不具備保溫蒸汽氣源的取壓點，若采用電伴熱，運行成本又過高也不利安全。此時可以考慮就地安裝變送器，然后再結(jié)合簡單的保溫處理。能夠采取這種方案的理由如下：一是智能變送器防護等級已達到IP67允許露天安裝，二是變送器型號齊全，可以選擇體積小、重量輕的外螺紋接口的智能壓力變送器。

（3）使用維護應對措施。

目前智能變送器的精度大多都可達到±0.075%甚至±0.05%，量程比可達到40：1或100：1，但是變送器實際量程比過小，比如小于測量范圍的1/10，則實際測量精度將會大打折扣，從使用經(jīng)驗來看，建議使用設(shè)置時，儀表實際量程應大于測量范圍的1/5。

智能變送器要求使用與之配套的安全柵，當使用未取得與其配套許可的安全善后，就可能出現(xiàn)諸多問題，如安全柵壓降過大，整個回路電壓可能不足以支撐變送器正常工作；安全柵沒有本安接地，造成大的共模干擾信號，導致智能變送器工作異常等。

2.2.3自身因素及應對措施

自身因素即是指智能儀表本身的質(zhì)量問題。這種問題極其少見，只要選型得當，正確審查、評定與優(yōu)選供應商，這類問題基本上是容易避免的。

3.對于智能儀表技術(shù)及其應用未來發(fā)展方向的建議

3.1智能儀表的智能化程度有待進一步提高

智能儀表的智能化程度表征著其應用的廣度和深度，目前的智能儀表還只是處于一個較低水平的初級智能化階段，但某些特殊工藝及應用場合則對儀表的智能化提出了較高的要求，而當前的智能化理論，如：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法、小波理論、混沌理論等已經(jīng)具備潛在的應用基礎(chǔ)，這就意味著我們有必要也有能力結(jié)合具體的應用需要下大氣力開發(fā)高級智能化的儀表技術(shù)。

3.2智能儀表的穩(wěn)定性、可靠性有待長期和持續(xù)的關(guān)注

儀表運行的穩(wěn)定性、可靠性是用戶首要關(guān)心的問題，智能儀表也不例外，隨著智能儀表技術(shù)的不斷拓展、新型的智能儀表也將陸續(xù)投放市場，這需要我們始終把握一個原則：每一項智能新技術(shù)的應用有待實踐的檢驗，是否用戶有信心和勇氣敢于做“第一個吃螃蟹的人”。這就需要安全性、可靠性技術(shù)的并行開發(fā)。

3.3智能儀表的潛在功能應用有待最大化

目前工業(yè)自動化領(lǐng)域的實際應用尚未將智能儀表的功能發(fā)揮最大化，而更多的只是應用了其總體功能的半數(shù)左右，而這一應用現(xiàn)狀的主要原因是，控制系統(tǒng)的總體架構(gòu)忽略了諸如現(xiàn)場總線的技術(shù)優(yōu)勢，這需要儀表廠商與用戶建立良好的合作伙伴關(guān)系，加強長期合作，以短期投資促長期效益，通過建立“智能儀表+現(xiàn)場總線”的控制系統(tǒng)架構(gòu)，確立優(yōu)化的投資觀念，達成和諧共贏的目標。

3.4繼續(xù)加大國內(nèi)智能儀表的開發(fā)投入

智能儀表技術(shù)及應用還需要經(jīng)歷一個較為漫長的成熟發(fā)展期，而對于國內(nèi)智能儀表技術(shù)及產(chǎn)品開發(fā)已經(jīng)面臨著更大的挑戰(zhàn)，這種局面召喚著國內(nèi)儀表行業(yè)共同探討智能儀表的發(fā)展問題，應對激烈的國際競爭市場，擔負儀表產(chǎn)業(yè)的歷史使命，在日益優(yōu)厚的國家及政府扶持政策下，堅持產(chǎn)、學、研的密切結(jié)合，繼續(xù)加大國內(nèi)智能儀表的開發(fā)投入，積聚力量，贏在明天！ [科]