自動(dòng)化儀表控制系統(tǒng)技術(shù)

薄江

引言：隨著技術(shù)的進(jìn)步和人工智能的發(fā)展，設(shè)備中自動(dòng)化儀表控制系統(tǒng)的地位越來越重要，嵌入式微計(jì)算機(jī)的應(yīng)用改變了自動(dòng)化儀表的結(jié)構(gòu)概念和設(shè)計(jì)觀點(diǎn)，對(duì)系統(tǒng)發(fā)展也產(chǎn)生了較大影響。

一、自動(dòng)化儀表控制系統(tǒng)的簡(jiǎn)要介紹

自動(dòng)化儀表控制系統(tǒng)是一個(gè)設(shè)備的神經(jīng)中樞，發(fā)揮對(duì)設(shè)備是否正常運(yùn)轉(zhuǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)的作用，也可以為調(diào)整設(shè)備的基本技術(shù)參數(shù)提供參考。自動(dòng)化儀表主要是由一些自動(dòng)化元器件組成的，具備十分完善的自動(dòng)化功能的一種技術(shù)工具。它通常同時(shí)具備好幾種功能，比如測(cè)量或者記錄、顯示、控制以及自動(dòng)報(bào)警等。自動(dòng)化儀表通常包括：流量、壓力、溫度等各種儀表、校驗(yàn)儀表的壓力、熱工、標(biāo)準(zhǔn)等各種校驗(yàn)儀表、還有就是數(shù)控、流量等儀表普遍用于石化、冶金、電力、科學(xué)研究以及國防等領(lǐng)域的自動(dòng)化控制。自動(dòng)化儀表控制系統(tǒng)是工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)的組成部分之一，自動(dòng)化儀表發(fā)揮了對(duì)信息進(jìn)行轉(zhuǎn)換的作用，可以將輸入信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)檩敵鲂盘?hào)。信號(hào)能夠根據(jù)時(shí)間域或者頻率域進(jìn)行表達(dá)，傳輸?shù)男盘?hào)能夠調(diào)制成連續(xù)性的模擬量或者是斷斷續(xù)續(xù)的數(shù)字量模式。

二、自動(dòng)化儀表的總線化發(fā)展趨勢(shì)

過程控制系統(tǒng)自動(dòng)化中的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備通常稱為現(xiàn)場(chǎng)儀表?，F(xiàn)場(chǎng)儀表主要有變送器、執(zhí)行器，在線分析儀表及其它檢測(cè)儀表?，F(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的廣泛應(yīng)用，使組建集中和分布式測(cè)試系統(tǒng)變得更為容易。然而集中測(cè)控越來越不能滿足復(fù)雜、遠(yuǎn)程及范圍較大的測(cè)控任務(wù)的需求，必須組建一個(gè)可供各現(xiàn)場(chǎng)儀表數(shù)據(jù)共享的網(wǎng)絡(luò)，現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（FCS）正是在這種情況下出現(xiàn)的。它是一種用于各種現(xiàn)場(chǎng)智能化儀表與中央控制之間的一種開放、全數(shù)字化、雙向、多站的通信系統(tǒng)。目前現(xiàn)場(chǎng)總線已成為全球自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展的重要表現(xiàn)形式，它為過程測(cè)控儀表的發(fā)展提供了千載難逢的發(fā)展機(jī)遇，并為實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的高精度、高穩(wěn)定、高可靠、高適應(yīng)、低消耗等方面提供了巨大動(dòng)力和發(fā)展空間。同時(shí)，各現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)制造廠家為了使自己的現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（FCS）能得到應(yīng)用，紛紛推出與其控制系統(tǒng)配套的具有現(xiàn)場(chǎng)總線功能的測(cè)量?jī)x表和調(diào)節(jié)閥，形成了較為完整的現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)體系。總而言之，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。

三、自動(dòng)化儀表的網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展趨勢(shì)

現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)采用計(jì)算機(jī)數(shù)字化通信技術(shù)，使自動(dòng)控制系統(tǒng)與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備加入工廠信息網(wǎng)絡(luò)，成為企業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)底層，可使智能儀表的作用得以充分發(fā)揮。隨著工業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，有可能不久將會(huì)出現(xiàn)以網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)體系為主要特征的新型自動(dòng)化儀表，即IP智能現(xiàn)場(chǎng)儀表，如：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)，新一代智能儀表一IP智能現(xiàn)場(chǎng)儀表的應(yīng)用將越來越廣泛。

四、自動(dòng)化儀的開放性的發(fā)展趨勢(shì)

現(xiàn)在的測(cè)控儀器越來越多采用以WindoWS/CE、Linux、VxWork等嵌入式操作系統(tǒng)為系統(tǒng)軟件核心和高性能微處理器為硬件系統(tǒng)核心的嵌入式系統(tǒng)技術(shù)，未來的儀器儀表和計(jì)算機(jī)的聯(lián)系也將會(huì)日趨緊密。Agilent公司表示儀器儀表設(shè)備上應(yīng)當(dāng)具備計(jì)算機(jī)的所有接口，如USB接口、打印機(jī)接口、局域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)接口等，測(cè)量的數(shù)據(jù)也應(yīng)通過USB接口存儲(chǔ)在可移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備中，使用這樣的儀器儀表設(shè)備和操作一臺(tái)簡(jiǎn)易電腦簡(jiǎn)直是如出一轍。齊備的接口可連接多種現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控儀表或執(zhí)行器設(shè)備，在過程控制系統(tǒng)主機(jī)的支持下，通過網(wǎng)絡(luò)形成具有特定功能的測(cè)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了多種智能化現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控設(shè)備的開放式互連系統(tǒng)。

五、自動(dòng)化儀表控制系統(tǒng)的發(fā)展方向

自動(dòng)化儀表技術(shù)也隨著科技的發(fā)展而發(fā)展，對(duì)于儀器儀表有了更高的標(biāo)準(zhǔn)與要求。儀器儀表今后的發(fā)展方向是充分運(yùn)用全新的工作原理以及選擇全新的材料和元件，比如運(yùn)用超聲波、X射線、微波、遠(yuǎn)紅外線、核磁共振成像以及激光等原理，運(yùn)用不同的半導(dǎo)體敏感元器件、集成光路與電路、光導(dǎo)纖維等等。其最終目標(biāo)是使得儀器儀表更加小型化，重量更輕、生產(chǎn)成本不斷降低以及更加有利于使用和維修等。此外，運(yùn)用微機(jī)使得儀器儀表的性能不斷增強(qiáng)，使得儀器儀表的自動(dòng)化與智能化程度以及處理數(shù)據(jù)的能力進(jìn)一步提高。從而實(shí)現(xiàn)儀器儀表不但可以供單項(xiàng)使用，并且可以通過標(biāo)準(zhǔn)接口以及數(shù)據(jù)通道和計(jì)算機(jī)有效結(jié)合，構(gòu)成不同的測(cè)控管理工作的綜合系統(tǒng)。

5.1 分布式控制系統(tǒng)的發(fā)展方向

分布式控制系統(tǒng)為一種全新的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，它是基于集中式控制系統(tǒng)逐步發(fā)展與演變出來的。它是主要由一個(gè)過程控制級(jí)以及過程監(jiān)控級(jí)所構(gòu)成的利用通信網(wǎng)絡(luò)作為其紐帶的系統(tǒng)，將現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)、現(xiàn)代通信技術(shù)、現(xiàn)代圖形顯示技術(shù)以及現(xiàn)代控制技術(shù)即4C技術(shù)進(jìn)行綜合，其指導(dǎo)思想是集中操作與分散控制與集中操作、分級(jí)管理以及配置靈活等。

5.2 開放性控制系統(tǒng)的發(fā)展方向

當(dāng)前的測(cè)控儀器愈來愈多使用嵌入式的操作系統(tǒng)核心軟件以及性能非常高的微處理的核心硬件系統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)技術(shù)，今后的儀器儀表以及計(jì)算機(jī)之間的相互聯(lián)系也會(huì)變得更加緊密，安捷倫公司認(rèn)為儀器儀表等相關(guān)設(shè)備上都應(yīng)該具有計(jì)算機(jī)的全部接口，比如打印接、UBS、局域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)等各種接口等，測(cè)量的結(jié)果也應(yīng)當(dāng)利用UBS接口保存到移動(dòng)硬盤等可移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備中去，使用該設(shè)備就像操作一臺(tái)計(jì)算機(jī)一樣，接口齊全的話可以將現(xiàn)場(chǎng)的各種測(cè)控儀表或者相關(guān)執(zhí)行器設(shè)備連接起來，在過程控制系統(tǒng)的主計(jì)算機(jī)的支持下，利用網(wǎng)絡(luò)形成具備特定功能的測(cè)量與控制系統(tǒng)，從而達(dá)到了對(duì)多種智能化現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量與控制設(shè)備進(jìn)行開放式的相互連接。

5.3 網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的發(fā)展方向

現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)通過數(shù)字化的通信技術(shù)，從而使得自動(dòng)控制系統(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)的相關(guān)設(shè)備連接到企業(yè)的信息網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)作企業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)的底層，可以有效發(fā)揮智能儀表的作功能。由于工業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，在不久的將來可能會(huì)產(chǎn)生以網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)體系為主的全新的自動(dòng)化儀表，也就是IP智能現(xiàn)場(chǎng)儀表，比如建立在以嵌入式互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)的控制網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，其基本的特點(diǎn)是：Ethernet將貫穿到網(wǎng)絡(luò)的每一個(gè)層次，從而使得網(wǎng)絡(luò)變得更加透明，覆蓋到企業(yè)全部的運(yùn)用范圍從而達(dá)到了實(shí)質(zhì)意義上人工辦公和工業(yè)自動(dòng)化辦公的完美融合，所以可以稱之為扁平化的工業(yè)信息控制網(wǎng)絡(luò)，其優(yōu)良的互連性以及可擴(kuò)展性使得該系統(tǒng)成為實(shí)質(zhì)意義上的一種完全開放式的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)了實(shí)質(zhì)意義上的大統(tǒng)一。

現(xiàn)代自動(dòng)化儀表的智能化技術(shù)不但改變了儀表本身的性能，還影響到了控制網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)，它不再是功能單一的同定結(jié)構(gòu)，其適應(yīng)性越來越強(qiáng)，功能也越來越豐富相信新一代的智能化儀器儀表將在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)支持下在各行各業(yè)得到越來越廣泛的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1]趙群，張翔，謝素珍，等.自動(dòng)化儀表與控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)綜述[J].現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，2007.

[2]王永勝.智能儀表技術(shù)及工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用發(fā)展探討[J].自動(dòng)化博覽，2008.

（作者單位：晉煤金石化工投資集團(tuán)有限公司）