智能儀表的抗干擾和故障診斷研究

李奎榮

（四川水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 成都 610091）

智能儀表的通信功能可以實現(xiàn)自動計表和數(shù)據(jù)傳輸，不需要人工抄表，不僅提高了工作效率，而且降低了工作強度和成本。隨著微型計算機和集成電路的發(fā)展，在傳統(tǒng)儀表的基礎(chǔ)上進行結(jié)構(gòu)改變，發(fā)展出了智能儀表，并廣泛應(yīng)用于企業(yè)生產(chǎn)之中。智能儀表可以降低人工工作強度，提高精度和數(shù)據(jù)傳輸效率，其抗干擾和故障診斷功能可以幫助工作人員迅速排除故障，恢復(fù)儀表的正常運行。

1 智能儀表的定義、特征和功能

（1）定義：智能儀表并沒有準(zhǔn)確的定義，主要是基于傳統(tǒng)儀表，通過集成電路技術(shù)和計算機處理器技術(shù)，尤其是單片機技術(shù)對傳統(tǒng)儀表加以改進而成的?？梢詫崿F(xiàn)數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)打印以及數(shù)據(jù)記憶的自動智能化，習(xí)慣上稱基于單片機技術(shù)的新型儀表為智能儀表。

（2）特征：隨著科技和信息化技術(shù)的發(fā)展，越來越多的新技術(shù)被應(yīng)用在工業(yè)之中，智能儀表是新技術(shù)應(yīng)用比較多的一種。但并不是所有高精尖的新技術(shù)都適合應(yīng)用在智能儀表中，因為越高精尖的技術(shù)代表著價格越貴，因此智能儀表的選擇需要綜合考慮經(jīng)濟性和適用性?，F(xiàn)階段，智能儀表主要依據(jù)市場的需求進行制造生產(chǎn)，以保證滿足市場需求的性能和功能。目前，大規(guī)模應(yīng)用的智能儀表為了實現(xiàn)在惡劣環(huán)境中的應(yīng)用，在設(shè)計中主要采取軟硬件的抗干擾措施和故障自動檢測功能相互配合的思路，以保證智能儀表的長時間穩(wěn)定運行。

（3）智能儀表的功能：主要有數(shù)據(jù)處理、可編程、記憶以及計算4種功能。數(shù)據(jù)處理指的是在儀表測量裝置下實現(xiàn)自動處理問題以及自檢自校的功能；可編程指的是通過控制技術(shù)在計算機系統(tǒng)中控制軟件編程取代智能儀表的硬件邏輯功能；記憶指的是通過芯片實現(xiàn)存儲信息以及處理信息的功能；計算指的是利用智能儀表中融入的微型計算機提高計算精度和計算效率的功能。

2 智能儀表的抗干擾技術(shù)類型

智能儀表的抗干擾技術(shù)類型主要分為硬件抗干擾技術(shù)和軟件抗干擾技術(shù)兩大類。

2.1 智能儀表的硬件抗干擾相關(guān)措施

智能儀表的硬件抗干擾措施主要有以下幾個方面的內(nèi)容：（1）由于工作環(huán)境復(fù)雜，智能儀表的外殼要設(shè)計有效的屏蔽機制，避免環(huán)境中電氣因素的干擾，主要包括強電壓、高電流以及大電磁輻射等。（2）智能儀表的電源要有可靠的接地系統(tǒng)，電源要實施穩(wěn)壓、屏蔽、隔離等措施，采取內(nèi)外部分別供電隔離輸入和輸出電路以及采用閃存等高級存儲元件隔離系統(tǒng)關(guān)聯(lián)接口，保證數(shù)據(jù)存儲，隔離區(qū)域保持相對獨立，避免造成干擾。（3）智能儀表處理的大多數(shù)是低壓信號，通常是通過長電纜連接信號源和測量系統(tǒng)，在過程通道的實時控制和數(shù)據(jù)收集中易受到附近強電設(shè)備的干擾，所以，需要清除過程通道中的干擾源。（4）選擇性能好、抗干擾功能更強的單片機，避免智能儀表配置不足帶來的干擾，智能儀表的穩(wěn)定性與配件單元的性能息息相關(guān)，而單片機是配件單元的核心元件，并用光電隔離器隔離單片機與外圍電路。（5）特別惡劣的環(huán)境測量可以使用光纖傳感器進行非接觸測量。（6）應(yīng)用看門狗（WatchDog Timer，WDT）電路式抗干擾法將遠(yuǎn)程控制（Remote Control，RC）濾波環(huán)節(jié)加入數(shù)字電路中，利用其延時作用實現(xiàn)對噪聲影響的控制，通過提高輸入端的噪聲限制抑制輸入噪音，提高智能儀表的抗噪音干擾功能。（7）如果總線負(fù)載接近最大負(fù)荷，可影響智能儀表的總線信號，可以通過I/O線連接數(shù)據(jù)線，改良總線的不平衡狀態(tài)，提高智能儀表的穩(wěn)定性。

2.2 智能儀表的軟件抗干擾相關(guān)措施

硬件抗干擾措施主要是在智能儀表外部增加接口電路、配件或者設(shè)備，再有就是應(yīng)用新技術(shù)和新材料，但無疑增加了智能儀表的成本。智能儀表的軟件抗干擾措施主要是根據(jù)智能儀表內(nèi)配備不同的微處理器，設(shè)計相應(yīng)的應(yīng)用軟件，實現(xiàn)抗干擾功能，類似WDT電路抗干擾方法，不額外增加成本。當(dāng)智能儀表的PC指針因干擾失控時，可采用軟件方法將其引導(dǎo)回正常的運行程序中，具體操作因微處理的不同而不同，像Z-80微處理器系統(tǒng)有專門的一字指令，出現(xiàn)問題只需要在空白區(qū)域?qū)懭胫噶罴纯山鉀QPC指針失控的問題；而MCS-96系列單片機內(nèi)部均擁有WDT抗電路干擾，只須按周期復(fù)位啟動WDT抗電路干擾即可。干擾信號最明顯的特征是信號圖呈毛刺狀，且作用時間短，因此為保證信號收集結(jié)果有效，應(yīng)重復(fù)采集同一信號，若重復(fù)采集信號不夠統(tǒng)一，則不應(yīng)繼續(xù)采集信號，且發(fā)出警報聲。

無論是智能儀表的硬件抗干擾措施，還是軟件抗干擾措施，都不能完全杜絕智能儀表的故障，只能降低故障的頻率，因此，還需要進行故障的診斷。

3 智能儀表的故障診斷機制類型

智能儀表的故障診斷分為硬件故障診斷機制和軟件故障診斷機制，硬件故障診斷機制主要是增加額外的部件和設(shè)備，軟件故障診斷機制主要是寫入新的軟件。

3.1 智能儀表的硬件故障診斷機制

智能儀表的硬件故障診斷機制按照故障結(jié)構(gòu)的不同主要分為3種，即元部件級別、功能模塊級別以及設(shè)備級別，又叫作硬件容錯或冗余技術(shù)。（1）設(shè)備級別的故障診斷機制，主要應(yīng)用于要求智能儀表作用絕對可靠的場合，兩臺智能儀表同時接入系統(tǒng)中，一臺正常工作，一臺處于隨時備用狀態(tài)，當(dāng)出現(xiàn)工作儀表故障時，備用儀表馬上啟用并進入工作狀態(tài)。（2）模塊級別的故障診斷機制，主要是將智能儀表進行模塊化設(shè)計，將其分為不同的功能區(qū)模塊，對易出問題的功能模塊加入備用模塊，當(dāng)智能儀表的某一功能模塊出現(xiàn)故障時，隨機啟用備用模塊保持正常工作。（3）元部件級別的故障診斷機制，是將易出故障的關(guān)鍵元部件進行冗余設(shè)計，當(dāng)元部件出現(xiàn)故障時，備用元部件隨即投入工作。

硬件接入有并聯(lián)接入和備用接入。并聯(lián)接入使增加的元部件、功能模塊和設(shè)備一起進行工作；備用接入是在故障時進行替代工作。

智能儀表的硬件故障診斷內(nèi)容：（1）智能儀表本身自帶診斷功能，每次開機或復(fù)位會進行一次自檢。（2）智能儀表進行周期性自診斷，因工作需要，一些智能儀表的工作時間長，一次開機自檢無法保證工作，因此，應(yīng)該周期性地在儀表工作間隙進行自檢。（3）通過設(shè)置診斷功能鍵，利用智能儀表的自診斷功能設(shè)置提示標(biāo)識代表故障部位，為檢修人員提供明確方向，判斷故障類型和部件，提高診斷效率。（4）通過外部診斷專業(yè)儀器，對智能儀表的故障部件進行故障診斷。

3.2 智能儀表的軟件故障診斷機制

智能儀表的軟件故障診斷主要是配合硬件診斷的方法進行故障的判斷。

（1）隨機存儲器（Random Access Memory，RAM）診斷與保護機制，隨機存儲器是智能儀表的數(shù)據(jù)儲存元件，里面有大量的數(shù)據(jù)信息，十分重要。在發(fā)生故障時，RAM可以實現(xiàn)自動斷電，以保護智能儀表的數(shù)據(jù)安全。RAM中的數(shù)據(jù)分為重要數(shù)據(jù)與一般數(shù)據(jù)，因此可將單獨接入一個存儲重要數(shù)據(jù)的存儲器，保障數(shù)據(jù)安全。盡管如此，在惡劣的工作環(huán)境中也不可避免地出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失的情況，在設(shè)計時應(yīng)該考慮數(shù)據(jù)恢復(fù)功能。

（2）模數(shù)（Analog/Digital，A/D）轉(zhuǎn)換器，是數(shù)據(jù)存儲的關(guān)鍵元部件，十分關(guān)鍵，A/D轉(zhuǎn)換器的自診斷功能也是智能儀表自診斷功能的重要部分。

（3）中央處理器（Central Processing Unit，CPU）診斷功能和WDT自診斷，都是智能儀表的軟件故障診斷功能。智能儀表的軟硬件診斷通常聯(lián)合使用，而硬件診斷方法也往往基于軟件程序。

4 結(jié)語

智能儀表對企業(yè)的穩(wěn)定運行和安全生產(chǎn)十分重要，如果受到干擾出現(xiàn)故障，會影響企業(yè)的生產(chǎn)效率。文章介紹了智能儀表硬件和軟件的抗干擾機制、智能儀表的硬件和軟件故障診斷的方法與措施，為智能儀表的設(shè)計人員提供了參考。