基于嵌入式的智能化與網(wǎng)絡(luò)化的自動(dòng)化儀表應(yīng)用分析

劉鵬宇

（大慶石油天然氣有限公司天然氣分公司油氣加工四大隊(duì)北II淺冷站，黑龍江 大慶 163000）

基于嵌入式的智能化與網(wǎng)絡(luò)化的自動(dòng)化儀表應(yīng)用分析

劉鵬宇

（大慶石油天然氣有限公司天然氣分公司油氣加工四大隊(duì)北II淺冷站，黑龍江 大慶 163000）

隨著知識(shí)經(jīng)濟(jì)時(shí)代到來，工業(yè)生產(chǎn)對(duì)于數(shù)字化、智能化技術(shù)設(shè)備運(yùn)用能力越來越強(qiáng)。嵌入式自動(dòng)化儀表的使用受周圍環(huán)境影響程度低，即使在一些惡劣生產(chǎn)環(huán)境下仍能正常運(yùn)轉(zhuǎn)；而且自動(dòng)化控制系統(tǒng)對(duì)工藝設(shè)備，也起到了監(jiān)督指導(dǎo)作用，因此被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代化生產(chǎn)中?；诖?，本文將探討嵌入式智能化自動(dòng)儀表設(shè)計(jì)分析與網(wǎng)絡(luò)化實(shí)現(xiàn)。

嵌入式；自動(dòng)化儀表；智能化；網(wǎng)絡(luò)化

傳統(tǒng)儀器儀表抗環(huán)境能力差，易被工業(yè)粉塵進(jìn)入儀器內(nèi)部而產(chǎn)生故障，其自身在集成化處理與儲(chǔ)存容量上，也不能滿足現(xiàn)代生產(chǎn)工藝要求。而嵌入式自動(dòng)化儀表不但具有強(qiáng)大控制處理系統(tǒng)，還有自我學(xué)習(xí)系統(tǒng)與記憶系統(tǒng)，其網(wǎng)絡(luò)化實(shí)現(xiàn)也為現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)帶來更大便利。

1 嵌入式自動(dòng)化儀表介紹

現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備具有很強(qiáng)適用性，依據(jù)生產(chǎn)需要，配備不同功能。嵌入式系統(tǒng)也正是將此優(yōu)勢(shì)最大發(fā)揮，按照系統(tǒng)功能剪裁軟硬件，提高設(shè)備適應(yīng)能力，目前被廣泛應(yīng)用于各類電氣設(shè)備設(shè)計(jì)中。目前共有三類主要嵌入式系統(tǒng)：基于單片機(jī)系統(tǒng)、工業(yè)化單板機(jī)系統(tǒng)、MPU系統(tǒng)。這三類系統(tǒng)，依據(jù)使用要求不同也各具特色，如MPU系統(tǒng)，是32位嵌入式處理器，不但控制性能良好，而且具有強(qiáng)大功能支持各類軟件，系統(tǒng)資源較為豐富。

將嵌入式系統(tǒng)與現(xiàn)代化儀表相融合，對(duì)儀表各部分操作部位都進(jìn)行了升級(jí)，使系統(tǒng)不再只是設(shè)備一部分附屬品，而是具有指導(dǎo)監(jiān)控功能。使儀表可以對(duì)應(yīng)外界環(huán)境變化，調(diào)節(jié)內(nèi)部設(shè)計(jì)安排，精細(xì)化監(jiān)督設(shè)備加工過程，而其網(wǎng)絡(luò)化設(shè)計(jì)還提供了遠(yuǎn)程操作等功能，節(jié)省更多人力，真正實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化無人生產(chǎn)模式。

2 嵌入式自動(dòng)化儀表設(shè)計(jì)分析

嵌入式自動(dòng)化儀表設(shè)計(jì)最大特色在于其新系統(tǒng)設(shè)計(jì)部分，將軟件功能開發(fā)與硬件功能設(shè)計(jì)相結(jié)合，使其內(nèi)部資源得到最優(yōu)化利用，這就是軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)思路，總體分為四部分：系統(tǒng)功能描述劃分，軟硬件功能分解，協(xié)同模擬，軟硬件綜合。這四個(gè)模塊，相互配合，互相制約，如圖1。

圖1 嵌入式儀表設(shè)計(jì)布局

2.1 系統(tǒng)功能描述及劃分

傳統(tǒng)儀表設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員注重硬件功能設(shè)計(jì)，一般先進(jìn)行硬件功能采集設(shè)計(jì)，其后才是軟件系統(tǒng)配對(duì)，再進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試，這種設(shè)計(jì)思路很容易導(dǎo)致重復(fù)設(shè)計(jì)，一旦設(shè)計(jì)不合理無法通過測(cè)試階段就要重頭設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)成本過高，不能及時(shí)滿足市場(chǎng)需要。而功能描述、劃分階段，則是在設(shè)計(jì)初期先利用修改性能好或是不具備實(shí)現(xiàn)性能語言編寫程序，進(jìn)行系統(tǒng)功能測(cè)試，如果通過測(cè)試并且符合使用要求，則進(jìn)行后續(xù)步驟；如果出現(xiàn)錯(cuò)誤中斷測(cè)試，可以及時(shí)找出錯(cuò)誤重新編寫，以此來保障程序運(yùn)行穩(wěn)定性，避免后期設(shè)計(jì)返工，節(jié)約設(shè)計(jì)成本。

2.2 軟硬件功能分解

這是資源配置階段，在系統(tǒng)功能總體確定后，進(jìn)行功能任務(wù)細(xì)分，依照設(shè)計(jì)目標(biāo)以及軟硬件驅(qū)動(dòng)性能，使每個(gè)功能運(yùn)行達(dá)到最優(yōu)化目標(biāo)。與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)模式相比，提高了軟硬件配合能力，將軟件系統(tǒng)由附屬地位提升到操作地位，使系統(tǒng)設(shè)計(jì)更加合理。

2.3 系統(tǒng)協(xié)同模擬

將軟件設(shè)計(jì)周期與整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)周期相結(jié)合，在進(jìn)行軟硬件分布設(shè)計(jì)之后，提供模擬環(huán)境，進(jìn)行進(jìn)一步調(diào)試，提高系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行能力，并且找出系統(tǒng)與軟硬件不匹配部分進(jìn)行重新分配設(shè)計(jì)。

2.4 軟硬件綜合

在模擬運(yùn)行之后，進(jìn)行軟硬件綜合設(shè)計(jì)步驟，使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加完善。硬件構(gòu)件與軟件構(gòu)件都要進(jìn)行綜合處理，使系統(tǒng)邏輯更加嚴(yán)密，擁有最低冗余度與最高專用性。另外自動(dòng)化儀表設(shè)計(jì)，還包括核心內(nèi)容設(shè)計(jì)，將上述幾種嵌入式系統(tǒng)分別運(yùn)用于核心設(shè)計(jì)中，提高設(shè)備性能。自動(dòng)化管理要求儀表所具有功能要更加全面，因此8-16位嵌入式系統(tǒng)在功能提供上，已不能滿足實(shí)際應(yīng)用需要。而一些新型嵌入式處理器不論是在成本上還是抗損耗能力上，也都有一定程度下降，提升了儀表高新系統(tǒng)嵌入可能性。如上所提到MPU系統(tǒng)，內(nèi)核為32位，其最大特點(diǎn)為集成通信，包含了4種不同通信處理通道，支持多項(xiàng)通信軟件，而且這些通道具有同步協(xié)議功能，提高了系統(tǒng)環(huán)境適應(yīng)能力，加強(qiáng)了自動(dòng)化儀表網(wǎng)絡(luò)化實(shí)現(xiàn)可能(圖2)。

圖2 智能前入式自動(dòng)儀表的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3 嵌入式自動(dòng)化儀表網(wǎng)絡(luò)化實(shí)現(xiàn)

自動(dòng)化儀表網(wǎng)絡(luò)化實(shí)現(xiàn)想法，其實(shí)在自動(dòng)化儀表應(yīng)用之初就已經(jīng)被提出了，但其技術(shù)難關(guān)主要出現(xiàn)在，網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議、運(yùn)行速度要求與儀表內(nèi)部設(shè)置不能相互統(tǒng)一。儀表內(nèi)部中等運(yùn)行速度處理器，如果在接受多種網(wǎng)絡(luò)通信信號(hào)時(shí)，就會(huì)發(fā)生信息滯留，同時(shí)協(xié)調(diào)處理容易造成系統(tǒng)內(nèi)部癱瘓，破壞系統(tǒng)邏輯處理能力，同時(shí)可能會(huì)激發(fā)隱含程序錯(cuò)誤，降低儀表使用功效。而隨著對(duì)于儀表網(wǎng)絡(luò)化實(shí)現(xiàn)研究加深，也提出了新網(wǎng)絡(luò)化難題解決方案，主要介紹以下兩種。

3.1 通過EMIT技術(shù)接入網(wǎng)絡(luò)

EMIT技術(shù)又稱為微型嵌入技術(shù)，這種技術(shù)引入了網(wǎng)關(guān)附加系統(tǒng)，等同于添加了一項(xiàng)通信數(shù)據(jù)綜合處理器。網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)通過紅外線、CAN、射頻等輕量級(jí)總線與多種嵌入式設(shè)備連接起來，每個(gè)設(shè)備將傳遞信息發(fā)入到網(wǎng)關(guān)之中，由網(wǎng)關(guān)程序進(jìn)行處理和協(xié)調(diào)，具有修改設(shè)備變量功能。網(wǎng)關(guān)可以同時(shí)管理多個(gè)嵌入式設(shè)備，提高儀表適用性。自動(dòng)化儀表通過實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化以后，與計(jì)算機(jī)具有相同功能，成為網(wǎng)絡(luò)控制中一環(huán)，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，數(shù)據(jù)采集。

3.2 實(shí)時(shí)操作RTOS系統(tǒng)

傳統(tǒng)儀表控制系統(tǒng)，由于自身控制系統(tǒng)與儲(chǔ)存容量限制，很難實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)操作控制，但新型儀表設(shè)計(jì)模式，提升了儀表軟、硬件構(gòu)建適用度，并提高了工作效率，這些都促成了實(shí)時(shí)操作實(shí)現(xiàn)。

RTOS系統(tǒng)主要有以下幾項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)：第一，主程序被分為多個(gè)控制任務(wù)，使任務(wù)安排更加細(xì)化，也方便系統(tǒng)識(shí)別操作，降低了分操作難度，提高了操作速度。第二，為保證重要信息處理時(shí)間，該系統(tǒng)會(huì)依照初始設(shè)置，進(jìn)行任務(wù)信息分類，如報(bào)警信息在處理優(yōu)先順序上高于普通監(jiān)控返回信號(hào)判斷，因此提高了儀表自動(dòng)化監(jiān)控功能性。而且優(yōu)先處理系統(tǒng)會(huì)有時(shí)間保障，在時(shí)間范圍內(nèi)不斷發(fā)出警告提示，降低大型錯(cuò)誤觸發(fā)幾率，提高整個(gè)生產(chǎn)過程安全性。第三，穩(wěn)定性。由于系統(tǒng)本身使用最新處理技術(shù)，故對(duì)于穩(wěn)定性有先天保障，而且其細(xì)化任務(wù)處理與信號(hào)順序安排，都提高了運(yùn)行速度，從而減輕了系統(tǒng)運(yùn)行壓力，提高了穩(wěn)定性。

4 結(jié)語

現(xiàn)代化生產(chǎn)越來越趨于自動(dòng)化無人管理模式，因此對(duì)于設(shè)備要求也逐步提高。嵌入式自動(dòng)化儀表，也在這種背景要求下，逐步改進(jìn)設(shè)計(jì)理念，升級(jí)軟硬件配置，從而提高設(shè)備適應(yīng)性能。而且其網(wǎng)絡(luò)化實(shí)現(xiàn)，不但節(jié)省了大量人力使用，同時(shí)還提高了設(shè)備監(jiān)控能力。

[1]王世好，嚴(yán)迎建，吳清平.嵌入式系統(tǒng)軟硬件協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)環(huán)境構(gòu)造與實(shí)現(xiàn)方法[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2014,(16):123～124.

[2]王太勇，王濤，楊潔，許愛芬，趙麗，李波，胡世廣.基于嵌入式技術(shù)的數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計(jì)[J].天津大學(xué)學(xué)報(bào)，2015,(12)111～113.

[3]毛勇，金傳正.基于嵌入式Web服務(wù)器的遠(yuǎn)程故障診斷系統(tǒng)[J].中國電子網(wǎng).

[4]李嘉，楊佃福.嵌入式遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)[J].自動(dòng)化儀表，2012.4:5.

[5]馮建新，王光興.基于網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].東北大學(xué)學(xué)報(bào)，2014.7:617.

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