淺析儀表智能化的發(fā)展趨勢(shì)

宋真

（中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院第一研究所，四川 成都 610005）

通過(guò)自動(dòng)化技術(shù)的引進(jìn)，提高儀表智能化的水平，帶動(dòng)我國(guó)儀器儀表產(chǎn)業(yè)進(jìn)入高技術(shù)化發(fā)展的軌道，促進(jìn)儀表呈現(xiàn)智能化、數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化的趨勢(shì)。對(duì)此，在推動(dòng)儀表產(chǎn)業(yè)發(fā)展中，要充分利用成熟的先進(jìn)技術(shù)，并加大對(duì)新技術(shù)的研究力度，通過(guò)技術(shù)革新，豐富和強(qiáng)化儀表的功能，拓展應(yīng)用領(lǐng)域，進(jìn)而促進(jìn)儀器儀表產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)健康發(fā)展。在這樣的環(huán)境背景下，探究?jī)x表的智能化發(fā)展趨勢(shì)具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 我國(guó)儀表智能化的含義

儀表智能化是運(yùn)用超大規(guī)模集成電路與微處理器技術(shù)，通過(guò)嵌入式軟件進(jìn)行內(nèi)部協(xié)調(diào)操作，賦予儀表智能化功能，除了實(shí)現(xiàn)輸入信號(hào)的非線性補(bǔ)償、量程刻度標(biāo)尺的自動(dòng)化變換、故障自動(dòng)診斷等功能之外，還會(huì)對(duì)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行有效控制，協(xié)調(diào)系統(tǒng)功能，進(jìn)而完成一系列預(yù)設(shè)的操作任務(wù)。

2 我國(guó)儀表智能化的發(fā)展歷程

縱觀儀表發(fā)展史，我國(guó)儀表智能化大致經(jīng)歷了以下歷程。

2.1 基地儀表階段

基地儀表興起于20世紀(jì)50年代，以簡(jiǎn)單性、實(shí)用性著稱，由于智能化水平較低，只能實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的現(xiàn)場(chǎng)控制，體積過(guò)于龐大，不易于移動(dòng)和維修。我國(guó)自建國(guó)后，蘇聯(lián)支援的產(chǎn)品與技術(shù)均以基地儀表為主。

2.2 單元組合式儀表

單元組合式儀表興起于20世紀(jì)70年代，包括II、III 等型號(hào)的儀表，根據(jù)器件可以劃分為電子管儀表、晶體管儀表、集成電路儀表等部分；根據(jù)信號(hào)可劃分為0～10mA儀表、4～20mA儀表等部分；根據(jù)動(dòng)力可劃分為氣動(dòng)儀表（QDZ）與電動(dòng)儀表（DDZ）。我國(guó)自動(dòng)化儀表的生產(chǎn)體系始于 DDZII、QDZII ，并逐步構(gòu)建相對(duì)完善的集研發(fā)、生產(chǎn)、培訓(xùn)、服務(wù)于一體的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，這一時(shí)期是我國(guó)自動(dòng)化儀表行業(yè)發(fā)展的最高峰，通過(guò)自動(dòng)化儀表，可以生產(chǎn)各類自動(dòng)化產(chǎn)品，并應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)中解決實(shí)際問(wèn)題。

2.3 智能儀表

智能儀表發(fā)展時(shí)間為20世紀(jì)70～90年代，依托于微處理器、集成電路、現(xiàn)場(chǎng)總線進(jìn)行傳感、控制、通信，在1975年美國(guó)儀表控制公司推出綜合分散控制系統(tǒng) TDC—2000，簡(jiǎn)稱DCS，當(dāng)時(shí)智能化與現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)的排他性極強(qiáng)，造成各個(gè)品牌間的不可兼容。而在1985年國(guó)際電工委員會(huì)成立 IEC/TC65/SC65C / WG6工作組，制定現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)，但考慮各自的利益，無(wú)法協(xié)調(diào)商議，現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)的制定十分緩慢，為了擴(kuò)大市場(chǎng)占有率，將自己的標(biāo)準(zhǔn)加在世界標(biāo)準(zhǔn)身上，造成現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)過(guò)多的局面。

3 制約儀表智能化發(fā)展的因素

現(xiàn)階段，儀表智能化的發(fā)展中，微處理器和集成電路相對(duì)較為完善，而現(xiàn)場(chǎng)總線的不足已成為制約儀表智能化發(fā)展的主要因素。當(dāng)前，我國(guó)現(xiàn)場(chǎng)總線使用變動(dòng)器為主，大多數(shù)已經(jīng)向智能化發(fā)展，但由于現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)均為歐美日標(biāo)準(zhǔn)，通信模擬量為4～20mA，其中智能變動(dòng)器還停留在量程操作或是手操器方面，沒(méi)有完全發(fā)揮出智能化特點(diǎn)，造成現(xiàn)場(chǎng)總線的困境，具體可表現(xiàn)在以下幾方面：第一，各個(gè)總線設(shè)備間缺少隔離，一旦某個(gè)設(shè)備發(fā)生故障，就會(huì)造成整個(gè)總線的癱瘓。第二，總線主要以輪詢結(jié)構(gòu)為主，通訊速度過(guò)于緩慢。例如，以HART協(xié)議為主的現(xiàn)場(chǎng)總線運(yùn)行中，通信過(guò)程中會(huì)有間隔1s的等待時(shí)間，降低整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的通信效率，而通信每一點(diǎn)都需要 1s 的等待，造成整體網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通信效率緩慢，工業(yè)上一般不會(huì)將 HART 協(xié)議作為工業(yè)級(jí)聯(lián)網(wǎng)。第三，國(guó)內(nèi)工業(yè)級(jí)的通信接口十分匱乏，國(guó)外總線企業(yè)廠商沒(méi)有專門針對(duì)性的工業(yè)級(jí)網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品，國(guó)內(nèi)研發(fā)大量的網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換產(chǎn)品，但技術(shù)還只在小規(guī)模應(yīng)用的層面，無(wú)法滿足工業(yè)級(jí)規(guī)模的生產(chǎn)要求。第四，國(guó)內(nèi)通信協(xié)議較多，但由于互不兼容，限制了網(wǎng)絡(luò)連接。

4 促進(jìn)儀表智能化發(fā)展的有效路徑

為了促進(jìn)儀表智能化的發(fā)展，要進(jìn)一步完善現(xiàn)場(chǎng)總線通信技術(shù)，針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線通信技術(shù)存在的問(wèn)題，提出以下解決措施：第一，選擇國(guó)內(nèi)廣泛應(yīng)用的HART、MODBUS、TCP/IP等協(xié)議，將其作為網(wǎng)絡(luò)通信平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)HART、MODBUS、TCP/IP等協(xié)議之間的透明性，達(dá)到最佳的交互效果。第二，在現(xiàn)場(chǎng)總線各個(gè)通信設(shè)備間、網(wǎng)絡(luò)間設(shè)置點(diǎn)點(diǎn)隔離，減少通信的延遲時(shí)間，提高現(xiàn)場(chǎng)總線的通信效率。第三，設(shè)置網(wǎng)絡(luò)輪詢通信控制器，將通信系統(tǒng)置于網(wǎng)絡(luò)輪訓(xùn)通信控制器中，防止網(wǎng)絡(luò)輪詢時(shí)間的出現(xiàn)，如圖1所示，表示著網(wǎng)絡(luò)透?jìng)骺刂破鹘Y(jié)構(gòu)，我們可以看出4～20mA回路、24V電源回路和網(wǎng)絡(luò)回路之間保持著相互隔離的狀態(tài)，提高現(xiàn)場(chǎng)總線通信系統(tǒng)運(yùn)行中的抗干擾能力與安全程度，一旦受到毀滅性破壞后，包括感應(yīng)雷擊、誤接強(qiáng)電等現(xiàn)象，不會(huì)危及到其它回路，降低事故對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的影響。此外，網(wǎng)絡(luò)控制器完全脫離于網(wǎng)絡(luò)指令進(jìn)行獨(dú)立輪詢，相比于傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)總線通信系統(tǒng)而言，通信速度大大加強(qiáng)，DC/DC為各個(gè)回路進(jìn)行隔離供電，這一結(jié)構(gòu)產(chǎn)品榮獲國(guó)家專利，為我國(guó)儀表智能化發(fā)展提供強(qiáng)大的助力。

5 儀表智能化的發(fā)展趨勢(shì)

5.1 發(fā)展路線

現(xiàn)階段，儀表的智能化結(jié)構(gòu)具有自身的獨(dú)特性與局限性，其中儀表中的總線應(yīng)用量加大，各自為戰(zhàn)的局面會(huì)僵持一段時(shí)間，由于缺少市場(chǎng)化的總線標(biāo)準(zhǔn)，使得企業(yè)缺少競(jìng)爭(zhēng)力強(qiáng)的產(chǎn)品，無(wú)法搶占市場(chǎng)話語(yǔ)權(quán)。在工業(yè)領(lǐng)域中，儀表中的變動(dòng)器、控制系統(tǒng)逐漸顯露出智能化的發(fā)展趨勢(shì)，而現(xiàn)場(chǎng)總線方面的缺失制約著儀表智能化的發(fā)展。對(duì)此，為了促進(jìn)儀表智能化的發(fā)展，首先要將市場(chǎng)中的總線融合在一起，達(dá)到相互兼容的效果，立足于現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際問(wèn)題，根據(jù)項(xiàng)目系統(tǒng)的實(shí)際要求，融合2～4個(gè)總線標(biāo)準(zhǔn)，這一綜合即為“透?jìng)鳌?。其次，加大?duì)國(guó)產(chǎn)總線的研究，積極開(kāi)發(fā)國(guó)產(chǎn)總線，除了院校與科研單位參與到國(guó)產(chǎn)總線的研究中，要求相關(guān)總線大企業(yè)要加入到研究項(xiàng)目中，以自身產(chǎn)品為標(biāo)準(zhǔn)來(lái)制定現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)，鼓勵(lì)國(guó)內(nèi)儀表企業(yè)加快完善智能化儀表生產(chǎn)體系，提高產(chǎn)品質(zhì)量，拓展現(xiàn)有的市場(chǎng)占有率，并加大對(duì)國(guó)產(chǎn)支持的宣傳力度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)儀表的智能化發(fā)展。

5.2 發(fā)展目標(biāo)

圖1

（1）智能化。儀表智能化的標(biāo)志是控制器，以可編程單回路調(diào)節(jié)器作為現(xiàn)階段儀表智能化的代表，包括橫河公司YS-80 系列和山武-霍尼威爾公司 SSC 系列等。在實(shí)際應(yīng)用中，主要將微處理器視為運(yùn)算控制器的主干，接受與輸出連續(xù)性電模擬量信號(hào)，用戶可以根據(jù)需求進(jìn)行編制程序，形成數(shù)字式過(guò)程調(diào)節(jié)裝置，并把回路控制、邏輯運(yùn)算、通信和數(shù)字運(yùn)算等功能融合在一起，借助編程程序，進(jìn)而達(dá)到儀表的智能化和功能化。

（2）總線化。智能變送器是現(xiàn)場(chǎng)儀表智能化發(fā)展的標(biāo)志，智能變送器融合儀表全部或是部分的功能控制，線性度極高，并具備較低的溫度漂移，簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，進(jìn)而降低整個(gè)系統(tǒng)的復(fù)雜性。智能變送器的人工智能性較強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)多種物理量或是化學(xué)量的測(cè)量，反映出被測(cè)的綜合信息，測(cè)量精度較高、范圍較寬，量程比可達(dá)到400:1，可以適應(yīng)寬度大的測(cè)量范圍。與此同時(shí)，應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)化通信接口，實(shí)現(xiàn)智能變送，促進(jìn)智能變送器從原有的單一功能逐漸轉(zhuǎn)化為多功能、多變量的檢測(cè)模式發(fā)展，以主動(dòng)控制技術(shù)達(dá)到高速信息處理，原有的孤立元件被逐漸系統(tǒng)化和網(wǎng)絡(luò)化。

5.3 總線技術(shù)要求

（1）冗余。應(yīng)儀表智能化的要求，總線要具備熱冗余功能，可以設(shè)計(jì)成獨(dú)立的應(yīng)用總線，一旦工作總線發(fā)生故障，備用總線會(huì)自動(dòng)代替故障總線進(jìn)行工作，進(jìn)而保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行，提高系統(tǒng)的可靠性與安全性。

（2）危險(xiǎn)分散。危險(xiǎn)分散是總線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的難題，一旦危險(xiǎn)爆發(fā)在某點(diǎn)，很容易造成系統(tǒng)癱瘓。而在工業(yè)控制領(lǐng)域中，絕不能出現(xiàn)這一問(wèn)題，要求總線結(jié)構(gòu)要具備分散危險(xiǎn)的功能，采用底層星型結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)電源系統(tǒng)和信號(hào)系統(tǒng)，二者獨(dú)立而相互協(xié)調(diào)，一旦出現(xiàn)某點(diǎn)故障，要降低對(duì)其它儀表或整個(gè)總線結(jié)構(gòu)的負(fù)面影響。

（3）抗干擾。工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的干擾源較多，增加工程的技術(shù)難度，現(xiàn)有模擬量傳輸以單回路為主，干擾造成的是局部影響，若現(xiàn)場(chǎng)總線的抗干擾能力不足，很容易造成系統(tǒng)癱瘓，要求現(xiàn)場(chǎng)總線抗電磁干擾要超過(guò)1kV脈沖群，進(jìn)而保證現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

6 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)儀表的智能化發(fā)展趨勢(shì)的研究得出：

（1）我國(guó)儀表在智能化發(fā)展歷程中，經(jīng)過(guò)了基地儀表階段、單元組合式儀表、智能儀表等階段，每階段的技術(shù)和應(yīng)用都為儀表的智能化奠定了基礎(chǔ)。

（2）在儀表智能化發(fā)展中，現(xiàn)場(chǎng)總線通信的技術(shù)問(wèn)題一直是制約儀表智能化發(fā)展的要素，需要加以重視，更換通信協(xié)議，設(shè)置網(wǎng)絡(luò)輪詢通信控制器，進(jìn)而提高總線系統(tǒng)的智能化水平。