自動化儀表中電信號的應(yīng)用研究

楊磊

安徽電信規(guī)劃設(shè)計有限責(zé)任公司 安徽 合肥 230031

引言

在當(dāng)今我國科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展的背景下，很多高新技術(shù)、高新設(shè)備被廣泛應(yīng)用到測量領(lǐng)域，使得檢測設(shè)備的質(zhì)量和性能愈發(fā)先進。自動化儀表的出現(xiàn)，為很多領(lǐng)域的發(fā)展提供了先進的測量設(shè)備和儀器的支持，有效改善了測量的環(huán)境，測量的效率、準(zhǔn)確性和實時性等都得到了大幅度提升。尤其是電信號的是應(yīng)用，可將自動化儀表采集的數(shù)據(jù)，通關(guān)各種類型傳感器和轉(zhuǎn)換開關(guān)，轉(zhuǎn)變成為電信號，快速傳輸?shù)娇刂浦行钠吝M行顯示，且能實時掌握自動化儀表檢測到的各種數(shù)據(jù)，為調(diào)整生產(chǎn)工藝，改進運行方案提供真實有效的數(shù)據(jù)支持?；诖?，開展自動化儀表中電信號的應(yīng)用研究就顯得尤為必要。

1 自動化儀表中電信號的基本原理

自動化儀表已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到了傳統(tǒng)工業(yè)和現(xiàn)代工業(yè)中，信號的遠距離傳輸也已形成基本定式和途徑，如何以及為什么使用電信號進行遠距離傳輸卻是一個非常值得探討的話題，也是自動化儀表應(yīng)用需要解決的問題。使用自動化儀表，就必須要給其供電，4-20mA信號可以在保證準(zhǔn)確遠傳的基礎(chǔ)上，最大限度地節(jié)省資源，這就使得它有了強大優(yōu)勢，也使它得到了廣泛的應(yīng)用。

而儀表是實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)過程自動化的重要工具，應(yīng)用非常廣泛。在自動控制系統(tǒng)中，過程檢測儀表將被控變量轉(zhuǎn)換成電信號或氣信號，去進行顯示，記錄，調(diào)節(jié)等單元，通過數(shù)據(jù)處理單元，分析并發(fā)出指令，從而實現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動化，使之達到我們預(yù)期的要求。

自動化儀表就是由若干自動化元件、電器元件和轉(zhuǎn)換器構(gòu)成的，具有較完善功能的自動化技術(shù)工具。它一般同時具有數(shù)種功能，如測量、顯示、記錄、控制和報警等。自動化儀表本身是一個系統(tǒng)，又是整個自動化系統(tǒng)中的一個子系統(tǒng)。自動化儀表是一種“信息機器”，其主要功能是信息形式的轉(zhuǎn)換，將輸入信號轉(zhuǎn)換成輸出信號。信號可以按時間域或頻率域表達，信號的傳輸則可調(diào)制成連續(xù)的模擬量或斷續(xù)的數(shù)字量形式。

自動化儀表在運行過程中，由于在工作原理和結(jié)構(gòu)系統(tǒng)上存在一定的差異，所以，每個工件的工作參數(shù)也不相同。按照自動化儀表的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成不同，其工作過程可細(xì)分成三個環(huán)節(jié)，包括：檢測環(huán)節(jié)、傳輸放大環(huán)節(jié)、顯示環(huán)節(jié)。

檢測環(huán)節(jié)的主要工作是轉(zhuǎn)換測量參數(shù)，以保證自動化儀表測量的和準(zhǔn)確性。

傳輸放大環(huán)的主要工作是將檢測環(huán)節(jié)得到的數(shù)據(jù)，傳輸?shù)斤@示環(huán)節(jié)進行顯示。

顯示環(huán)節(jié)的主要工作是負(fù)責(zé)顯示自動化儀表測量到的數(shù)據(jù)。

不同自動化儀表的相似之處是測量參數(shù)需要通過一個或者多個信號之間的相互轉(zhuǎn)換，而測量結(jié)果，也都是通過數(shù)字符號或者指針刻度，顯示在自動化儀表中，便于人們進行檢驗。所以，自動化儀表在全過程運行中，都需要自動檢測檢測儀器的參與。電信號自動化檢測時，可將檢測到信號轉(zhuǎn)換為電信號，在線路上進行快速傳輸，傳輸?shù)斤@示器之上后，再從電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，就能實現(xiàn)測量結(jié)果的數(shù)字化顯示和實時傳輸。

2 目前自動化儀表中電信號存在的問題和措施

雖然目前我國自動化儀表的研發(fā)和應(yīng)用取得了良好成績，但和德國、美國等發(fā)達國家相比，依然存在一定的差距，還有很長的路要走。就目前我國自動化儀表發(fā)展現(xiàn)狀而言，存在的問題主要體現(xiàn)在以下兩個方面：

2.1 電信號傳輸中的干擾問題和措施

首先如何解決自動化儀表電信號的傳輸遇到的問題，

在傳統(tǒng)工業(yè)以及現(xiàn)代工業(yè)中，自動化儀表的應(yīng)用，不僅提升了生產(chǎn)效率和自控能力，加之自動化控制儀表具有自動編程的能力，簡化了儀表控制電路，減少一些不必要的回路，從而提高了自控效果，同時在使用中具有數(shù)據(jù)記憶功能，進行算數(shù)和邏輯運算，滿足數(shù)據(jù)處理效果，從而更好地解決生產(chǎn)中的問題，為生產(chǎn)提供有力的技術(shù)保障。但是，在生產(chǎn)過程中，自動化儀表電信號難免會受到外部信號的干擾，導(dǎo)致自動化儀表信號傳輸質(zhì)量不好，引起誤差，導(dǎo)致自動控制程序失控。外部干擾導(dǎo)致出現(xiàn)測量誤差，損壞儀表內(nèi)部結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)失真，促使生產(chǎn)過程中斷，所以，及時處理分析冶金自動化儀表干擾情況顯得尤為必要，采取有效的措施，保障智能化儀表的使用，提高生產(chǎn)安全性。影響自動化儀表信號干擾的因素主要有以下兩點。

2.1.1 自動化儀表在使用過程中，容易受到漏電電阻引發(fā)的干擾，供電線路引起干擾，影響了儀表測量的精準(zhǔn)度，另外，受到電磁感應(yīng)影響，極易引發(fā)自動化儀表出現(xiàn)故障，干擾信號和測試信號疊加，影響了測量精度，如果此種情況得不到及時的解決，必然會影響生產(chǎn)工序的安全問題，引發(fā)產(chǎn)品質(zhì)量問題，所以解決干擾問題，才能提升工業(yè)化生產(chǎn)效率。

2.1.2 各類干擾源的干擾機制。自動化儀表測控信號一般要傳輸弱點信號，所以，在傳輸過程中會受到磁場、電場干擾，干擾源主要包含裝置設(shè)備內(nèi)的電器設(shè)備和動力電纜產(chǎn)生的輻射干擾以及儀表系統(tǒng)電源線、信號引線、接地等系統(tǒng)外引線的干擾。

自動化儀表因為受到電磁干擾影響，引起測量結(jié)果誤差過大，影響自控能力，嚴(yán)重出現(xiàn)儀器失靈情況，造成安全事故，一般可以采用屏蔽管對自動化儀表進行隔離，減輕電磁干擾影響，可以將金屬導(dǎo)線和電纜穿接在同一個屏蔽管中，減少干擾出現(xiàn)的情況，采用較好的屏蔽技術(shù)措施，能夠解決電磁干擾情況，提升自動化儀表的性能，實現(xiàn)自動控制和管理，達到較好的效果。受到電磁干擾影響，一定距離范圍內(nèi)，自動化儀表干擾情況強烈，保持在一定安全距離，要降低電磁輻射頻率，合理規(guī)避電磁干擾情況，針對此種情況，要將化工儀表設(shè)置在比較遠的位置，這樣可以免受電磁干擾影響，再加上屏蔽技術(shù)，能夠最大限度減少干擾。

另外將自動化儀表進行接地設(shè)置，也是一種解決干擾的有效措施，保證儀表系統(tǒng)安全運行，電流無法接入儀表，從而保證了儀表的安全性，在安裝和設(shè)計過程中，要嚴(yán)格按照國家儀表安裝標(biāo)準(zhǔn)，進行接地和接零設(shè)計。將儀表地線接入地下，對電源和電路合理設(shè)計，防止出現(xiàn)過多感應(yīng)電路進入儀表中，減少輻射，提高精準(zhǔn)度。

電信號是自動化儀表得以安全、穩(wěn)定、持續(xù)運行的關(guān)鍵，就目前發(fā)展現(xiàn)狀而言，基于電信號的自動化儀表正向著智能化、智慧化、精密化、集約化的方向發(fā)展。但在具體測量運行中，依然存在很多問題亟待解決，除了常規(guī)的影響因素，致使電信號測量的準(zhǔn)確性，傳輸?shù)募皶r性受到較大影響外。特別是在高電磁干擾下，會導(dǎo)致自動化儀表失靈，無法正常工作。

還有，為有效解決干擾問題對電信號造成的不良影響，在自動化儀表設(shè)計和生產(chǎn)制造，或者是在安裝施工中，要采取抗電磁干擾元件，避免使用傳統(tǒng)電氣原件，以提升自動化儀表運行的抗干擾能力。此外，自動化儀表系統(tǒng)中的電子板電路，也要盡量選擇現(xiàn)代化集成電路，以體提升整個自動化儀表系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性[1]。

2.2 電路控制問題和措施

高壓電池是電信號在自動化儀表中應(yīng)用時的主要電力來源，但高壓電池的特點，決定了在運行中電壓及電能會隨著運行時間的增加而減少，從而影響電信號在自動化儀表中運行的效率。此外，一些自動化儀表在初期設(shè)計和安裝中沒有后期的規(guī)劃和發(fā)展，很多電氣元件的排列比較擁擠，隨著使用時間的增加，會增加發(fā)生短路故障的概率，影響自動化儀表運行質(zhì)量。

為解決此問題，可采用新能源來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的高壓電池進行供電，如：風(fēng)能、太陽能等，都能滿足自動化儀表持續(xù)穩(wěn)定運行的需求。此外，電信號在運行中，額定電壓比較高，可通過加大電壓量的方法，來促使整個自動化儀表系統(tǒng)持續(xù)運行，從而提高采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，提升系統(tǒng)控制的靈敏度[2]。

3 電信號在自動化儀表中的應(yīng)用要點

3.1 電信號在變送器的應(yīng)用

變送器是組成自動化儀表的主要內(nèi)容，其核心作用是將自動化儀表采集到的壓力信號、溫度信號、流量信號、液位信號等，轉(zhuǎn)換為電信號，再傳輸?shù)奖O(jiān)控室進行顯示、記錄、報警等。在變送器中，電信號有非常廣泛的應(yīng)用，其中電壓信號、電流信號是應(yīng)用最多的電信號。每種電信號，又同時包含多種標(biāo)準(zhǔn)信號，從而促使各種自動化儀表被最大限度上的選用，促使自動化儀表的控制和管理更加簡單，更好地控制成本，實現(xiàn)大范圍推廣應(yīng)用[3]。

電壓信號和電流信號相比，電壓信號具更強的抗干擾能力，而且在實際運行中，幾乎不存在衰減問題。而電流信號的抗干擾能力比較差，存在一定的衰減問題，但可以有效控制在精度之內(nèi)，而且成本比較低，操作起來也比較簡單，可對各種檢測信號進行全面采集和統(tǒng)一處理，因此，電流信號的應(yīng)用更為廣泛。

目前在自動化儀表中，常用變送器有兩種，一種是DDZ-Ⅱ型變送器，另一種是DDZ-Ⅲ型變送器，二者相比Ⅲ型變送器的優(yōu)勢更大，采用的標(biāo)準(zhǔn)信號為4~20mA，而Ⅱ型變送器的標(biāo)準(zhǔn)信號為0~10mAs，雖然二者相比只有數(shù)字的變化，但在自動化儀表中應(yīng)用時卻存在較大的差異，Ⅱ型變送器需要使用四線制才能滿足運行需求，同時為控制電信號之間的相關(guān)干擾，電源線需要和信號線分開敷設(shè)[4]。而Ⅲ型變送器使用雙線制就能滿足要求，僅僅需要一根管道穿線，就能滿足自動化儀表持續(xù)運行的需求。

3.2 微機控制技術(shù)的應(yīng)用

微機控制技術(shù)是自動化儀表中應(yīng)用電信號的關(guān)鍵技術(shù)，目前常用的微機控制技術(shù)有兩種，一種是基于VC語言操作平臺和數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的計算機控制系統(tǒng)軟件，可實現(xiàn)對不同位置參數(shù)信號的測量和記錄。另一種是基于計算機數(shù)字圖像的處理技術(shù)，具體的應(yīng)用過程中， 先利用計算機技術(shù)，通過中值波和高斯波對自動化儀表中的指針信號、儀表刻盤刻度信號等進行有效的處理；再利用計算機系統(tǒng)中自帶的算法對噪聲進行降噪處理，以提升數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性；最后計算機在圖像擬合中采用最小二乘法對相關(guān)數(shù)據(jù)進行處理，在儀器終端之上就能顯示出很高的數(shù)據(jù)精度。

3.3 高分辨率CCD和光電技術(shù)成像系統(tǒng)的應(yīng)用

高分辨率CCD和光電技術(shù)成像系統(tǒng)也是自動化儀表中應(yīng)用電信號的關(guān)鍵技術(shù)，主要機理是立足光學(xué)成像技術(shù)，采用物理遠心光學(xué)技術(shù)技術(shù)將測量指標(biāo)和指針刻度真實地反映在CCD設(shè)備之上[5]。然后再通過CDD設(shè)備，就采集得到的信息通過驅(qū)動器進行轉(zhuǎn)換。最后再利用矩陣形式存儲傳輸數(shù)據(jù)，就能得到準(zhǔn)確的儀表顯示數(shù)據(jù)，從而全面掌控生產(chǎn)過程和生產(chǎn)設(shè)備運行的安全性。

4 結(jié)束語

綜上所述，本文采用理論結(jié)合實踐的方法，研究了自動化儀表中電信號的應(yīng)用，研究結(jié)果表明，在自動化儀表中應(yīng)用的電信號都是弱電信號，具有安全系數(shù)更高、更加節(jié)約能源等優(yōu)勢。即便是使用了強電信號，也是通過弱電信號實現(xiàn)控制。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電信號將會更加先進，在自動化儀表中具有非常重要的作用，值得大范圍推廣應(yīng)用。