新型智能化過程校驗(yàn)儀的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

童 靈 夏 鵬 張學(xué)涌

(浙江中控自動(dòng)化儀表有限公司，杭州 310052)

新型智能化過程校驗(yàn)儀的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

童 靈 夏 鵬 張學(xué)涌

(浙江中控自動(dòng)化儀表有限公司，杭州 310052)

在保留傳統(tǒng)過程校驗(yàn)儀基礎(chǔ)功能的同時(shí)結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計(jì)了一款互聯(lián)網(wǎng)+過程校驗(yàn)?zāi)Ｊ降娜乱淮喙δ苤悄芑^程校驗(yàn)設(shè)備。

過程校驗(yàn)儀 物聯(lián)網(wǎng) 智能化 過程校驗(yàn)?zāi)Ｊ?/p>

隨著生產(chǎn)過程自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，為了保證生產(chǎn)過程安全、可靠的運(yùn)行，要隨時(shí)對(duì)生產(chǎn)過程中使用的儀表進(jìn)行維護(hù)和校準(zhǔn)。傳統(tǒng)的將生產(chǎn)過程中使用的儀表拿回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行校準(zhǔn)的方法已不能滿足生產(chǎn)要求，取而代之的是在現(xiàn)場(chǎng)直接對(duì)儀表進(jìn)行校準(zhǔn)的方法。

根據(jù)這一趨勢(shì)，國(guó)外許多著名的傳統(tǒng)儀表生產(chǎn)廠商紛紛推出自己的現(xiàn)場(chǎng)型過程儀表校驗(yàn)儀產(chǎn)品，如美國(guó)福祿克公司的F710系列、日本橫河公司的CA10 系列及GE德魯克的DPI620等。市場(chǎng)上的過程校驗(yàn)儀基本上具有小型、多功能及高精度等特點(diǎn)[1]。然而，傳統(tǒng)的過程校驗(yàn)儀在對(duì)現(xiàn)場(chǎng)儀表校驗(yàn)過程中由于缺少校驗(yàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)化記錄和分析顯得繁瑣麻煩。此外，雖然過程校驗(yàn)儀有以太網(wǎng)接口，但是由于網(wǎng)線布線不方便，也限制了工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的信息和上位機(jī)(如PAD)之間的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

目前，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)[2,3]的發(fā)展和互聯(lián)網(wǎng)+時(shí)代的來臨，越來越多的傳統(tǒng)制造業(yè)開始走向物物相連，并結(jié)合后臺(tái)的數(shù)據(jù)中心實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)效率的提升。根據(jù)該理念設(shè)計(jì)開發(fā)新型智能化的過程校驗(yàn)儀，嵌入WIFI模塊使得校驗(yàn)儀設(shè)備通過互聯(lián)網(wǎng)信息傳輸?shù)姆绞脚c后臺(tái)的校驗(yàn)管理軟件系統(tǒng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)信息數(shù)據(jù)的交互。后臺(tái)在對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采集輸出等相關(guān)監(jiān)控信息進(jìn)行分析計(jì)算后，反饋并告知被校驗(yàn)儀器可能潛在的故障或改進(jìn)方法。這樣的互聯(lián)網(wǎng)+過程校驗(yàn)?zāi)Ｊ降男吕砟罴纯稍谝欢ǔ潭壬瞎?jié)省傳統(tǒng)手工校驗(yàn)被測(cè)儀器所需的時(shí)間成本，并且無紙化、高效率地完成整個(gè)校驗(yàn)過程?，F(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)工作人員也可通過WIFI、USB和以太網(wǎng)的豐富接口控制校驗(yàn)儀的工作并監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)信息，真正意義上達(dá)到人機(jī)交流的體驗(yàn)。

1 智能化過程校驗(yàn)儀整機(jī)工作原理概述

新型智能化過程校驗(yàn)儀在繼承了傳統(tǒng)過程校驗(yàn)儀[4]用于測(cè)量和輸出工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的基礎(chǔ)上，豐富了外設(shè)通信接口的應(yīng)用，使得單一的檢驗(yàn)儀本體功能變得更加強(qiáng)大和多樣化。整機(jī)設(shè)計(jì)的架構(gòu)圖如圖1所示。MCU通過UART與拇指大小的WIFI模塊的連接[5，6]，即可通過手機(jī)APP或遠(yuǎn)程客戶端來控制校驗(yàn)儀的輸入輸出，并自動(dòng)將校驗(yàn)的數(shù)據(jù)結(jié)果實(shí)時(shí)通過互聯(lián)世界到每一個(gè)監(jiān)控的畫面，在提升用戶體驗(yàn)的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了全過程校驗(yàn)的無紙化記錄，提高了工作效率。通過以太網(wǎng)接口電路和Micro USB可以與校驗(yàn)儀中央處理器拓展的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器實(shí)現(xiàn)信息數(shù)據(jù)的交互，達(dá)到更新應(yīng)用程序和讀取過程檢驗(yàn)中存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的功能。此新型化的過程校驗(yàn)儀通過強(qiáng)大的通信外設(shè)與后臺(tái)的校準(zhǔn)管理軟件進(jìn)行交互，從而全面實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、無紙化的校準(zhǔn)和文檔數(shù)據(jù)管理。由鋰電池供電的智能化電源管理電路能夠合理地控制并且平衡校驗(yàn)儀在不同輸入輸出環(huán)境的功率活動(dòng)，保證整機(jī)穩(wěn)定可靠的運(yùn)作。

圖1 整機(jī)設(shè)計(jì)的架構(gòu)圖

2 系統(tǒng)各部分單元

2.1中央處理器

隨著芯片技術(shù)的飛速發(fā)展，新型過程校驗(yàn)儀的中央處理器勢(shì)必?cái)[脫51內(nèi)核配以FPGA擴(kuò)展的傳統(tǒng)1+1方式，目前主流的高性價(jià)比的ARM Cortex-M3/M4是較為理想的選擇，它們除了擁有更快的主頻(100MHz以上)、更為充裕的內(nèi)部存儲(chǔ)空間以外，更重要的是具備相對(duì)豐富的接口資源，如USB、CAN、UART、EMC、ETHERNET、LCD、I2C及SPI等，且可以通過DMA控制器等方式快速訪問，可以說一片MCU相當(dāng)于傳統(tǒng)的一塊主機(jī)板。MCU指令(包括乘法指令)均為單周期，指令總線和數(shù)據(jù)總線分開，取值和訪內(nèi)并行，Thumb-2指令集為編程帶來了更多的靈活性，具備先進(jìn)的中斷處理功能。因此，使用該級(jí)別處理器在實(shí)現(xiàn)了高性能、低功耗的同時(shí)，還帶來了小型化、低成本及易調(diào)試等益處，非常適合過程校驗(yàn)儀這類手持式產(chǎn)品。當(dāng)然，對(duì)于高端的用戶群，為了追求更絢麗的顯示效果和更人性化的GUI，就少不了操作系統(tǒng)(如Linux、Android及Win CE等)的支持，此時(shí)可考慮ARM Cortex-A5/A8(主頻500MHz以上)級(jí)別的處理器，打造更為豐富多彩的人機(jī)界面和人機(jī)體驗(yàn)。

2.2智能化電源管理電路

新型過程校驗(yàn)儀因?yàn)橛蠰CD、外配電及小型化等功能的需求，采用傳統(tǒng)的堿性電池或鎳氫電池已無法滿足其續(xù)航能力和體積要求，而在手機(jī)等手持設(shè)備廣泛應(yīng)用的鋰電池是目前最優(yōu)的選擇，一般可以做到校驗(yàn)儀在滿功率輸出時(shí)，具備不少于八小時(shí)的續(xù)航能力。鋰電池通過電源管理模塊進(jìn)行充放電控制[7]，充電設(shè)備可以是外部適配器或USB供電設(shè)備(如計(jì)算機(jī)、充電寶等)，充電接口采用通用的Micro USB。電源管理模塊設(shè)計(jì)為電池充放電管理、boost升壓電路、開關(guān)機(jī)和LDO電路，可提供整機(jī)的運(yùn)行電壓。電源管理芯片在超低功耗的Cortex-M0內(nèi)核芯片的控制下，可實(shí)時(shí)監(jiān)控保護(hù)電池充放電的過程，當(dāng)異常情況發(fā)生時(shí)(如電池電壓過低、溫度超限及過流過壓等)，即可關(guān)斷充電電路或主電源，以保護(hù)校驗(yàn)儀內(nèi)部電路和鋰電池。

另外，校驗(yàn)儀作為手持式設(shè)備，系統(tǒng)設(shè)計(jì)為電源、輸入、輸出三端隔離，而電源部分亦是如此，通過隔離技術(shù)確保其電氣安全和抗干擾能力。電源管理電路的原理框圖如圖2所示。

圖2 電源管理電路的原理框圖

2.3嵌入式WIFI模塊應(yīng)用

嵌入式WIFI模塊封裝尺寸體積小，采用UART與微控制器通信，支持串口透明傳輸模式，內(nèi)置IEEE802.11協(xié)議棧和TCP/IP協(xié)議棧，能夠?qū)崿F(xiàn)用戶接口到無線網(wǎng)絡(luò)之間的轉(zhuǎn)換。WIFI模塊通過無線AP可以與手機(jī)、PAD和PC間進(jìn)行數(shù)據(jù)的交互[8]。CPU只要通過下發(fā)AT+控制指令集的方式即可控制WIFI模塊與接入WIFI AP的設(shè)備進(jìn)行相互通信。WIFI功能的集成應(yīng)用，為新型校驗(yàn)儀與當(dāng)下流行的物聯(lián)網(wǎng)的連接提供了基本條件，遠(yuǎn)程操作控制和更為便利的數(shù)據(jù)交互成為現(xiàn)實(shí)。而在此基礎(chǔ)上可進(jìn)一步開發(fā)相關(guān)的用戶功能軟件，比如手機(jī)端定制化的鍵盤APP打破傳統(tǒng)手持一體化操作，PAD機(jī)的數(shù)據(jù)管理和分析軟件與校驗(yàn)儀進(jìn)行數(shù)據(jù)互傳存儲(chǔ)等功能軟件的拓展應(yīng)用。PAD機(jī)和校驗(yàn)儀的傳輸途徑示意圖如圖3所示。

圖3 PAD機(jī)和校驗(yàn)儀的傳輸途徑示意圖

2.4顯示和HMI技術(shù)

雖然過程校驗(yàn)儀是傳統(tǒng)的工業(yè)產(chǎn)品，但在顯示和HMI的技術(shù)上不可忽略當(dāng)今的手機(jī)、平板電腦對(duì)用戶體驗(yàn)方面的影響。傳統(tǒng)的產(chǎn)品外觀呆板、按鍵復(fù)雜、顯示屏單調(diào)(如點(diǎn)陣屏、單色屏)已逐漸被淘汰。家族風(fēng)格和簡(jiǎn)約時(shí)尚并重的外觀設(shè)計(jì)被工程師們所重視。隨著觸摸屏、觸碰按鍵等技術(shù)的成熟，在縮小產(chǎn)品體積，改善美觀度的同時(shí)，簡(jiǎn)化了生產(chǎn)工序；高分辨率、輕薄的TFT LCD似乎已成為業(yè)界標(biāo)配，即使尺寸做到8寸、10寸對(duì)于Cortex-M3以上級(jí)別的MCU來說驅(qū)動(dòng)起來也是易如反掌。顯示技術(shù)的不斷更新升級(jí)、更多數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)展示、更絢麗的界面效果、更人性化的GUI都將能獲得不少的體驗(yàn)加分。

另外，隨著無線技術(shù)的發(fā)展，甚至可以設(shè)計(jì)出顯示與控制分離的新型校驗(yàn)儀，兩部分通過無線(WIFI、藍(lán)牙等)連接，控制部分更類似于一個(gè)輸入、輸出的接線盒；而顯示部分則更為靈活，可以是通用屏或索性就是一個(gè)APP程序，可應(yīng)用于各種手機(jī)或PAD。顯示和HMI技術(shù)的拓?fù)鋱D如圖4所示。

圖4 顯示和HMI技術(shù)的拓?fù)鋱D

2.5軟件功能

在保留基本輸入輸出功能的前提下，新型過程校驗(yàn)儀應(yīng)具備更多為用戶易用性考慮的軟件功能，如：

a. 熱工手冊(cè)，方便用戶調(diào)取熱偶的毫伏值與溫度值，實(shí)現(xiàn)熱電阻的電阻值與溫度值的快捷互查；

b. 自校準(zhǔn)，一鍵或定時(shí)進(jìn)行設(shè)備內(nèi)部回路自校準(zhǔn)，快速消除測(cè)量系統(tǒng)的初始誤差；

c. 熱鍵切換，定義每種信號(hào)類型的快捷方式，一鍵呼出所需信號(hào)類型；

d. 聲光報(bào)警和自診斷，自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備狀態(tài)(如過壓、過流及電量不足等)，能自定義信號(hào)報(bào)警容限，在異常觸發(fā)時(shí)進(jìn)行聲光報(bào)警和信息提示；

e. 屏幕快照，通過熱鍵進(jìn)行屏幕快照，保存在FLASH、SD卡等存儲(chǔ)設(shè)備，或通過USB、無線等接口發(fā)至PC機(jī)；

f. 在線更新，通過USB、無線接口進(jìn)行程序的在線更新；

g. 自定義熱偶、熱阻，對(duì)用戶開放自定義熱偶、熱阻功能，可通過USB、SD卡及無線等接口快速導(dǎo)入自定義信號(hào)的分度表等信息；

h. 自動(dòng)巡檢，通過USB、無線為自動(dòng)巡檢提供相應(yīng)協(xié)議和接口；

i. 低功耗模式，可自定義在一定時(shí)間內(nèi)無操作后，自動(dòng)進(jìn)入低功耗模式。

另外，結(jié)合無線技術(shù)，可進(jìn)一步設(shè)計(jì)一些功能更為強(qiáng)大的上位機(jī)應(yīng)用程序、APP，這些功能具備無限的創(chuàng)新性和適用性，如：

a. 任務(wù)管理功能，支持被校儀表信息管理、校準(zhǔn)過程參數(shù)設(shè)定、校準(zhǔn)過程自動(dòng)執(zhí)行、數(shù)據(jù)自動(dòng)分析、超差點(diǎn)自動(dòng)標(biāo)記和校準(zhǔn)結(jié)果快速存儲(chǔ)，可下載任務(wù)、上傳數(shù)據(jù)；

b. 智能手機(jī)菜單操作模式，圖文快速操作向?qū)?，圖標(biāo)式菜單管理；

c. 報(bào)表管理功能，根據(jù)用戶需求將相關(guān)數(shù)據(jù)快速匯總并形成報(bào)表，且具備打印功能。

2.6輸入輸出

過程校驗(yàn)儀作為高精度測(cè)量設(shè)備，要求其輸入端達(dá)到0.1‰級(jí)別的測(cè)量精度。在設(shè)計(jì)AD采樣保持電路時(shí)，需采用低溫漂的精密電阻，低失調(diào)、低漂移的儀用放大器，低漂移的電壓基準(zhǔn)，配以24bit級(jí)別分辨率的高速AD芯片進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。

同時(shí)過程校驗(yàn)儀作為其他儀表的信號(hào)源，需使用低溫漂的精密電阻，低漂移的電壓基準(zhǔn)，配以16bit級(jí)別的DA轉(zhuǎn)換芯片，以滿足0.1‰級(jí)別的輸出精度。為確保信號(hào)的帶載能力，在輸出端需要設(shè)計(jì)相關(guān)的恒壓、恒流電路。另外，為了降低功耗，可設(shè)計(jì)根據(jù)負(fù)載實(shí)施調(diào)整的自適應(yīng)輸出電路。

但無論是輸入還是輸出，過程校驗(yàn)儀幾乎涵蓋了所有工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，而接線端口數(shù)量和體積是有限的，目前最有效的方法就是通過內(nèi)部開關(guān)切換實(shí)現(xiàn)萬能輸入輸出。其關(guān)鍵就在于選用毫歐姆級(jí)別的低導(dǎo)通電阻開關(guān)，以減少導(dǎo)通電阻對(duì)信號(hào)(特別是電阻信號(hào))準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性所產(chǎn)生的影響。

2.7總線協(xié)議和波形發(fā)生器

新型校驗(yàn)儀支持現(xiàn)場(chǎng)典型應(yīng)用的現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議，如HART、FOUNDATION FIELDBUS及PROFIBUS PA等，能夠快速實(shí)現(xiàn)連接智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和過程校驗(yàn)儀的全數(shù)字、雙向、多站的通信系統(tǒng)。主要解決工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的智能化儀器儀表、控制器及執(zhí)行機(jī)構(gòu)等現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備間的數(shù)字通信和這些現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備與高級(jí)控制系統(tǒng)之間的信息傳遞問題。

作為信號(hào)源，新型校驗(yàn)儀還具備常用波形發(fā)生器功能，如方波、正弦波、三角波及鋸齒波等，且能調(diào)節(jié)幅度和頻率，用以仿真典型測(cè)試信號(hào)，提供給被測(cè)電路，滿足測(cè)試的需要，給現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試、校驗(yàn)工作帶來了不少便利。

3 結(jié)束語

本次新型智能化校驗(yàn)儀的設(shè)計(jì)與應(yīng)用結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)的思想，把傳統(tǒng)的單一化校驗(yàn)儀操作通過WIFI技術(shù)與身邊常用的通信設(shè)備互相連接，輔之以后臺(tái)校驗(yàn)管理軟件的數(shù)據(jù)處理和用戶端定制的APP應(yīng)用程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的標(biāo)定、測(cè)量和監(jiān)控。不僅提升校驗(yàn)儀的外觀和人機(jī)界面體驗(yàn)，還豐富增強(qiáng)了一些實(shí)用的軟件功能。在保證校驗(yàn)儀安全穩(wěn)定、可靠正常工作的前提下，智能化的校驗(yàn)方式勢(shì)必能夠在增強(qiáng)使用者工作效率的同時(shí)又帶來過程校驗(yàn)中的使用樂趣。

[1] 李云鵬.一種高精度過程校準(zhǔn)儀的設(shè)計(jì)[C].中國(guó)儀器儀表與測(cè)控技術(shù)交流大會(huì)論文集(二).成都：《儀器儀表學(xué)報(bào)》雜志社，2007：327～329.

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DesignandApplicationofNewIntelligentProcessCalibrator

TONG Ling, XIA Peng, ZHANG Xue-yong

(ZhejiangSUPCONAuto-InstrumentCo.,Ltd.,Hangzhou310052,China)

Basing on reserving basic functions of the traditional process calibrator and combining with the Internet of Things, a new intelligent multi-functional process calibrator which boasting of internet+process verification mode was designed.

process calibrator,Internet of things, intelligent, process verification mode

TH89

B

1000-3932(2016)09-0913-04

2016-02-20(修改稿)