自動化儀表新技術(shù)的研究

林永濤

摘 要：計算機技術(shù)與通信技術(shù)的迅猛發(fā)展大大推動了自動化儀表的進步。智能化、網(wǎng)絡(luò)化和數(shù)字化是未來自動化儀表的主要發(fā)展方向，其中工業(yè)以太網(wǎng)的應(yīng)用、無線網(wǎng)技術(shù)的推廣、實時嵌入式操作系統(tǒng)、電源轉(zhuǎn)換技術(shù)和Flash存儲器等自動化儀表新技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用顯得尤為重要，主要圍繞這幾個方面介紹新技術(shù)的研究狀況。

關(guān)鍵詞：自動化儀表；新技術(shù)；應(yīng)用

隨著現(xiàn)代科技的進步，自動化儀表的應(yīng)用范圍越來越廣，自動化儀表也越來越受到人們的重視。在工業(yè)生產(chǎn)中，自動化儀表是自動化生產(chǎn)的重要部分，它可以對生產(chǎn)工藝參數(shù)進行自動在線監(jiān)測、記錄、顯示等；對于惡劣的生產(chǎn)環(huán)境如高溫、有毒、易燃、深冷等條件，采用自動化儀表，不僅能夠快速準確的得到所需數(shù)據(jù)，還能夠減少對操作人員的傷害，降低生產(chǎn)消耗，減少成本，提高質(zhì)量，從而促進生產(chǎn)持續(xù)、穩(wěn)定的進行。

自動化儀表主要由三部分組成：傳感器，用于檢測各種信號；變送器，將傳感器所測的信號由模擬信號轉(zhuǎn)換為電流信號[1]（一般轉(zhuǎn)換為4-20mA的電流信號）；顯示器，將測得的電流信號轉(zhuǎn)譯成圖形顯示出來。他們作為關(guān)鍵設(shè)備包含在整個控制系統(tǒng)中，缺一不可。

1 自動化儀表行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 國外發(fā)展現(xiàn)狀

國外自動化儀表起步早，伴隨著信息技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來，已經(jīng)取得較大成果并成熟應(yīng)用。當前國際上自動化儀表已經(jīng)朝著智能化和現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)方向發(fā)展，能夠迅速對故障進行判斷并維護其正常工作?，F(xiàn)場儀表對復(fù)雜的工況和惡劣的條件都有很強的適應(yīng)性，如現(xiàn)在市場上出現(xiàn)的耐高溫高壓、耐強輻射強沖擊的自動化儀表，解決了許多現(xiàn)場檢測難題。國外自動化儀表正逐漸向著無人化方向發(fā)展，逐漸減輕操作人員的勞動強度，同時提高設(shè)備集成水平，減少配件。例如采用模塊化的結(jié)構(gòu)、自動校正和無線通訊等技術(shù)會使自動化儀表的操作更方便。

1.2 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

我國在自動化儀表方面起步于解放后，在改革開放之后才得到較大發(fā)展，又受制于信息化水平的發(fā)展，因此具體有以下幾點特點：（1）我國該產(chǎn)業(yè)的新技術(shù)開發(fā)能力有限，新產(chǎn)品較少，產(chǎn)品的穩(wěn)定性、可靠性較低，許多核心技術(shù)需要依賴進口。（2）我國自動化儀表行業(yè)有一定的基礎(chǔ)，產(chǎn)品門類齊全，雖然與發(fā)達國家相比差距較大，但在發(fā)展中國家處于領(lǐng)軍水平。（3）自動化儀表行業(yè)處于中低端水平，高端產(chǎn)品受制于體制機制、科技綜合水平、人才等因素的影響，開發(fā)能力不強，還未能打入高端市場。（4）隨著國內(nèi)經(jīng)濟的發(fā)展，自動化儀表內(nèi)需較大，同時出口量也在增加。

2 自動化儀表行業(yè)新技術(shù)

2.1 工業(yè)以太網(wǎng)的應(yīng)用

過去以太網(wǎng)主要應(yīng)用于IT行業(yè)，由于受到技術(shù)的限制，以太網(wǎng)極少應(yīng)用于工業(yè)自動化領(lǐng)域。近年來，以太網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，為工業(yè)的自動化控制做出了巨大貢獻。在工業(yè)中引用交換機，并在網(wǎng)絡(luò)的各個節(jié)點都獨立接入一條線路，防止沖突。為了使響應(yīng)時間成為確定值，在工業(yè)自動化中應(yīng)用微處理器交換或者背板交換，以此來滿足控制系統(tǒng)的實時要求。采用抗干擾能力很強的非屏蔽內(nèi)雙絞線。

使用工業(yè)以太網(wǎng)有以下幾個優(yōu)勢：可以統(tǒng)一企業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)與控制網(wǎng)絡(luò)，從而滿足各個層次控制系統(tǒng)的要求；以太網(wǎng)網(wǎng)卡的價格低廉，不足傳統(tǒng)總線網(wǎng)卡的十分之一，大大節(jié)約了設(shè)備成本；降低了維護成本，以太網(wǎng)的維護簡單易學(xué)，基本每家企業(yè)都能培養(yǎng)維護以太網(wǎng)的人員；以太網(wǎng)向內(nèi)可組成局域網(wǎng)，向外具有較強的擴展性。

2.2 無線網(wǎng)技術(shù)

應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域的無線網(wǎng)技術(shù)[2]有三種：3G無線網(wǎng)、無線局域網(wǎng)、藍牙技術(shù)。3G無線網(wǎng)采用CDMA技術(shù)，允許所有使用者同時使用全部頻帶，具有抗干擾能力強、信號隱蔽、多個用戶同時接收同時發(fā)送的能力。在工業(yè)上用于數(shù)據(jù)采集的無線局域網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)相當成熟，可自己編寫網(wǎng)絡(luò)上端協(xié)議軟件，以提高實時性。由于帶寬較高，無線局域網(wǎng)也可用于視頻監(jiān)控和監(jiān)視，尤其適用于不方便重新布線施工的場所。藍牙技術(shù)的發(fā)射接收距離可達10米，具有低功耗的特點，其在自動化儀表方面的應(yīng)用主要體現(xiàn)在從運動機械裝置中獲取數(shù)據(jù)。以上無線網(wǎng)技術(shù)已在工業(yè)上大力推廣使用，并向著高可靠、高安全、實時性和節(jié)能的方向發(fā)展。

2.3 實時嵌入式操作系統(tǒng)（RTOS）

實時嵌入式操作系統(tǒng)是指當外界數(shù)據(jù)發(fā)生波動時，系統(tǒng)能夠接受波動并以最快的速度處理波動，處理后的結(jié)果又能在極短的時間內(nèi)控制生產(chǎn)過程，與生產(chǎn)任務(wù)協(xié)調(diào)運行。在自動化儀表中，當儀表的功能越來越強大時，系統(tǒng)的程序也就越來越繁雜，此時采用RTOS就能降低程序的開發(fā)難度，縮短開發(fā)周期。RTOS是用于控制、監(jiān)視或者輔助操作機器和設(shè)備的裝置，能夠支持多任務(wù)、圖形擴展、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議等功能，具有程序開發(fā)容易，易于維護，高穩(wěn)定性，高可靠性等優(yōu)點。

2.4 電源轉(zhuǎn)換技術(shù)

2.4.1 AC/DC

傳統(tǒng)的自動化儀表采用模擬電源，輸入交流電壓，依次進行變壓器隔離、整流、濾波、穩(wěn)壓，最終輸出直流電壓，這種方式的AC/DC具有分量重、效率低、輸入電壓適應(yīng)性不強等缺點。改進后的AC/DC轉(zhuǎn)換的原理是：輸入交流電壓，依次通過開關(guān)管、高壓隔離變壓器、濾波穩(wěn)壓，最終輸出直流電壓，而濾波穩(wěn)壓處的波動將導(dǎo)致反饋隔離，從而影響脈寬調(diào)制控制，并負反饋于開關(guān)管。改進后效率可達85%，且輸入壓力適應(yīng)性強，抗干擾能力和過壓、過流保護能力強。

2.4.2 DC/DC

DC/DC主要用于實現(xiàn)電壓的變換和隔離，有以下特點：工作溫度范圍廣，可在-40℃至+80℃之間使用；工作發(fā)熱量小，效率高，工作效率可達85%；外型尺寸較小，可在小空間范圍內(nèi)操作；可靠性強，平均無故障時間可達100萬小時；功率低，能耗小。

2.5 Flash存儲器

傳統(tǒng)的自動化儀表的存儲器有RAM和ROM兩種，RAM包括DRAM和SRAM，ROM包括PROM，EPROM和E2PROM。FLASH具有：讀寫速度快；可擦除重復(fù)寫，斷電保存長達10年；價格低，容量大。由于這些優(yōu)點，F(xiàn)LASH在自動化儀表中得到了大范圍的應(yīng)用，成為電子數(shù)據(jù)的臨時存儲器。

2.6 數(shù)字電位器

數(shù)字電位器是數(shù)控電位器的一種，其最大特點是在掉電后不會丟失電阻值[3]，相對于傳統(tǒng)儀表，解決了掉電后必須重新調(diào)整對比度，儀表中必須要有旋轉(zhuǎn)部件的缺點，因此具有可靠性高、可在惡劣條件下使用的優(yōu)點。主要應(yīng)用于零點遷移、調(diào)節(jié)對比度和量程調(diào)整等方面。

3 自動化儀表行業(yè)發(fā)展趨勢

自動化儀表正在朝著網(wǎng)絡(luò)化、智能化和數(shù)字化方向發(fā)展。隨著新技術(shù)的使用，自動化伴隨著信息化將成為帶動工業(yè)化的最重要的手段[4]。新器件、新技術(shù)的開發(fā)使用對自動化儀表的發(fā)展具有重要意義。同時也要看到我國自動化水平與國外的差距和面臨的嚴峻挑戰(zhàn)，要改革創(chuàng)新、迎接挑戰(zhàn)，努力使自動化技術(shù)達到國際一流水平。

參考文獻

[1]陽憲惠.現(xiàn)場總線技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版，1999.

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[3]王永勝.智能儀表技術(shù)及工業(yè)自動化應(yīng)用發(fā)展探討[J].自動化博覽，2009，12（6）：21-22.

[4]吳朋.我國自動化儀表行業(yè)現(xiàn)狀與發(fā)展研究[J].中國化工裝備，2004（1）：1～4.