自動化儀表新技術的研究

林永濤

摘 要：計算機技術與通信技術的迅猛發展大大推動了自動化儀表的進步。智能化、網絡化和數字化是未來自動化儀表的主要發展方向，其中工業以太網的應用、無線網技術的推廣、實時嵌入式操作系統、電源轉換技術和Flash存儲器等自動化儀表新技術的發展應用顯得尤為重要，主要圍繞這幾個方面介紹新技術的研究狀況。

關鍵詞：自動化儀表；新技術；應用

隨著現代科技的進步，自動化儀表的應用范圍越來越廣，自動化儀表也越來越受到人們的重視。在工業生產中，自動化儀表是自動化生產的重要部分，它可以對生產工藝參數進行自動在線監測、記錄、顯示等；對于惡劣的生產環境如高溫、有毒、易燃、深冷等條件，采用自動化儀表，不僅能夠快速準確的得到所需數據，還能夠減少對操作人員的傷害，降低生產消耗，減少成本，提高質量，從而促進生產持續、穩定的進行。

自動化儀表主要由三部分組成：傳感器，用于檢測各種信號；變送器，將傳感器所測的信號由模擬信號轉換為電流信號[1]（一般轉換為4-20mA的電流信號）；顯示器，將測得的電流信號轉譯成圖形顯示出來。他們作為關鍵設備包含在整個控制系統中，缺一不可。

1 自動化儀表行業發展現狀

1.1 國外發展現狀

國外自動化儀表起步早，伴隨著信息技術的發展而迅速發展起來，已經取得較大成果并成熟應用。當前國際上自動化儀表已經朝著智能化和現場總線網絡技術方向發展，能夠迅速對故障進行判斷并維護其正常工作。現場儀表對復雜的工況和惡劣的條件都有很強的適應性，如現在市場上出現的耐高溫高壓、耐強輻射強沖擊的自動化儀表，解決了許多現場檢測難題。國外自動化儀表正逐漸向著無人化方向發展，逐漸減輕操作人員的勞動強度，同時提高設備集成水平，減少配件。例如采用模塊化的結構、自動校正和無線通訊等技術會使自動化儀表的操作更方便。

1.2 國內發展現狀

我國在自動化儀表方面起步于解放后，在改革開放之后才得到較大發展，又受制于信息化水平的發展，因此具體有以下幾點特點：（1）我國該產業的新技術開發能力有限，新產品較少，產品的穩定性、可靠性較低，許多核心技術需要依賴進口。（2）我國自動化儀表行業有一定的基礎，產品門類齊全，雖然與發達國家相比差距較大，但在發展中國家處于領軍水平。（3）自動化儀表行業處于中低端水平，高端產品受制于體制機制、科技綜合水平、人才等因素的影響，開發能力不強，還未能打入高端市場。（4）隨著國內經濟的發展，自動化儀表內需較大，同時出口量也在增加。

2 自動化儀表行業新技術

2.1 工業以太網的應用

過去以太網主要應用于IT行業，由于受到技術的限制，以太網極少應用于工業自動化領域。近年來，以太網技術的飛速發展，為工業的自動化控制做出了巨大貢獻。在工業中引用交換機，并在網絡的各個節點都獨立接入一條線路，防止沖突。為了使響應時間成為確定值，在工業自動化中應用微處理器交換或者背板交換，以此來滿足控制系統的實時要求。采用抗干擾能力很強的非屏蔽內雙絞線。

使用工業以太網有以下幾個優勢：可以統一企業信息網絡與控制網絡，從而滿足各個層次控制系統的要求；以太網網卡的價格低廉，不足傳統總線網卡的十分之一，大大節約了設備成本；降低了維護成本，以太網的維護簡單易學，基本每家企業都能培養維護以太網的人員；以太網向內可組成局域網，向外具有較強的擴展性。

2.2 無線網技術

應用于工業領域的無線網技術[2]有三種：3G無線網、無線局域網、藍牙技術。3G無線網采用CDMA技術，允許所有使用者同時使用全部頻帶，具有抗干擾能力強、信號隱蔽、多個用戶同時接收同時發送的能力。在工業上用于數據采集的無線局域網技術已經相當成熟，可自己編寫網絡上端協議軟件，以提高實時性。由于帶寬較高，無線局域網也可用于視頻監控和監視，尤其適用于不方便重新布線施工的場所。藍牙技術的發射接收距離可達10米，具有低功耗的特點，其在自動化儀表方面的應用主要體現在從運動機械裝置中獲取數據。以上無線網技術已在工業上大力推廣使用，并向著高可靠、高安全、實時性和節能的方向發展。

2.3 實時嵌入式操作系統（RTOS）

實時嵌入式操作系統是指當外界數據發生波動時，系統能夠接受波動并以最快的速度處理波動，處理后的結果又能在極短的時間內控制生產過程，與生產任務協調運行。在自動化儀表中，當儀表的功能越來越強大時，系統的程序也就越來越繁雜，此時采用RTOS就能降低程序的開發難度，縮短開發周期。RTOS是用于控制、監視或者輔助操作機器和設備的裝置，能夠支持多任務、圖形擴展、網絡協議等功能，具有程序開發容易，易于維護，高穩定性，高可靠性等優點。

2.4 電源轉換技術

2.4.1 AC/DC

傳統的自動化儀表采用模擬電源，輸入交流電壓，依次進行變壓器隔離、整流、濾波、穩壓，最終輸出直流電壓，這種方式的AC/DC具有分量重、效率低、輸入電壓適應性不強等缺點。改進后的AC/DC轉換的原理是：輸入交流電壓，依次通過開關管、高壓隔離變壓器、濾波穩壓，最終輸出直流電壓，而濾波穩壓處的波動將導致反饋隔離，從而影響脈寬調制控制，并負反饋于開關管。改進后效率可達85%，且輸入壓力適應性強，抗干擾能力和過壓、過流保護能力強。

2.4.2 DC/DC

DC/DC主要用于實現電壓的變換和隔離，有以下特點：工作溫度范圍廣，可在-40℃至+80℃之間使用；工作發熱量小，效率高，工作效率可達85%；外型尺寸較小，可在小空間范圍內操作；可靠性強，平均無故障時間可達100萬小時；功率低，能耗小。

2.5 Flash存儲器

傳統的自動化儀表的存儲器有RAM和ROM兩種，RAM包括DRAM和SRAM，ROM包括PROM，EPROM和E2PROM。FLASH具有：讀寫速度快；可擦除重復寫，斷電保存長達10年；價格低，容量大。由于這些優點，FLASH在自動化儀表中得到了大范圍的應用，成為電子數據的臨時存儲器。

2.6 數字電位器

數字電位器是數控電位器的一種，其最大特點是在掉電后不會丟失電阻值[3]，相對于傳統儀表，解決了掉電后必須重新調整對比度，儀表中必須要有旋轉部件的缺點，因此具有可靠性高、可在惡劣條件下使用的優點。主要應用于零點遷移、調節對比度和量程調整等方面。

3 自動化儀表行業發展趨勢

自動化儀表正在朝著網絡化、智能化和數字化方向發展。隨著新技術的使用，自動化伴隨著信息化將成為帶動工業化的最重要的手段[4]。新器件、新技術的開發使用對自動化儀表的發展具有重要意義。同時也要看到我國自動化水平與國外的差距和面臨的嚴峻挑戰，要改革創新、迎接挑戰，努力使自動化技術達到國際一流水平。

參考文獻

[1]陽憲惠.現場總線技術及其應用[M].北京：清華大學出版，1999.

[2]理查得H卡羅.無線技術：自動化的下一個前沿[J].工業控制計算機，2000，13（6）：61-63.

[3]王永勝.智能儀表技術及工業自動化應用發展探討[J].自動化博覽，2009，12（6）：21-22.

[4]吳朋.我國自動化儀表行業現狀與發展研究[J].中國化工裝備，2004（1）：1～4.