智能儀表可靠性優化設計方法分析

杜偉東

摘 要：本研究主要針對智能儀表可靠性問題進行分析，實現可靠性優化方案的構建。闡述儀表優化方法，開發優化設計軟件，融入抗干擾技術。研究所論述的可靠性優化設計適用各類儀表，具備高度可靠性、安全性特點，并且成本較低，在市場競爭中具備較大優勢，社會效益明顯。

關鍵詞：智能儀表；可靠性；優化設計

智能儀表為單片機、嵌入式系統多功能測量設備，該類設備需具有智能量測、數據分析、數據傳遞、功能多樣等優勢。在工業等領域具有不可替代作用，主要作用于檢測、抄表等需求范圍。國際、國內智能儀表應用普及，我國大力推進相關產業發展。但智能儀表與國外對比質量存在明顯不足，主要原因為國內企業產品可靠性設計水平較低，缺乏系統性優化設計方法。該研究針對智能儀表可靠性不足缺點，針對性解決其問題，利用新型優化方案，使相關企業實現成本與可靠性雙贏的目的。

1 智能儀表與普通儀表可靠性分析

將F（x）設定為儀表運行電路，x作為輸入信號，包括電源信號、測量對象信號；y表示輸出信號，普通儀表各部分設定為串聯系統，元器件并無損傷，單元正常，系統可正常運行，F（x）可以正確運算。若產生干擾，x轉換為x，一般繼續進行F（x）運算，輸出產生錯誤，干擾消失后元器件正常，輸出恢復正常。所以儀表可靠性對儀表運行具有重要意義，依靠各個元器件。若為智能儀表，則可將In18031核心智能儀表為案例，對工作過程進行分析。見下圖。

智能儀表流程圖

2 智能儀表可靠性優化方案

在可靠性設計優化過程中，應利用可靠性相關理論，將智能優化方式作為基礎，計算機智能技術為鋪墊，將智能儀表優化所需條件滿足，產品應具有較高性能參數，最終所開發的儀表具備可靠性高、體積小等特點。在設計流程中，首先需要對儀表設計可靠性進行分析，并明確電子元器件的邊界，依據相應條件構建數學模型，其中需涵蓋變量、目標、評價等內容，主要應用算法為蟻群算法，在此算法基礎上對儀表可靠性進行深入開發，并設計出相應的優化軟件，對主要依靠的技術進行分析，具體內容如下：

2.1 可靠性評價方案

智能儀表可靠性評價為判定儀表組件可靠性的方法，也是可靠性評價的主要方式。本次研究采取壽命分析方式，對優化后的儀表可靠性進行評價，其評價內容為產品結構及功能可靠性、數學模型穩定性、科學性。對實驗數據及現場使用數據進行相應處理，使數據處理方法與產品壽命分布契合，進而開展擬合優化檢測。根據數理統計原則，將產品所需參數提取，并根據相關公式進行計算，據壽命分布關系，將所需參數結果計算。

2.2 可靠性優化建模

將優化設計方法作為架構，可靠性設計原則為約束條件構建模型。①據所設定的可靠性優化目標，規劃生產流程所需數學函數。②據行業儀表電子元件相關標準，劃分電子元器件邊界約束條件。③據智能儀表在生產過程中所需可靠性函數，規劃電子元器件對應限制條件。④與其他約束條件結合，將其中所需變量等羅列，據上述條件構建優化數學模型。

2.3 可靠性優化計算方式

數據模型構建后，需選擇適當優化計算方式。智能儀表可靠性優化設計實質內容為：在滿足智能儀表所需優化條件后，設計好組件間的組配方式。針對組配問題需應用蟻群模擬算法開展，將所需結果計算。計算流程為：首先需據算法建立元器件數學模型；其次需根據相關條件及模型優化方式，構建螞蟻路徑矩陣等相關變量。第三，依靠節點活動概率等標準確定元器件選擇方式。第四，依靠智能儀表所需可靠性組件，建設目標函數。第五，根據成本最優組配標準，對螞蟻可能活動范圍進行界定，并構建相應函數。第六，根據元器件組合相關標準，建設啟發式因子信息素優化算法，收尾工作則是建設成功元器件可靠性優化模型。

3 智能儀表可靠性優化設計軟件構建及抗干擾措施

3.1 智能儀表可靠性優化設計軟件

應用上述方案，開發智能儀表可靠性優化軟件，將所述優化方法進行功能性分析。在此優化軟件中，需含有電子電子元件管理模塊、儀表可靠性設計模塊、可靠性分析模塊、可靠性評價模塊、儀表可靠性優化設計模塊、結果仿真模塊等，軟件中所應用的設計腳本為C語言，并在Visual Studio 2012環境中將算法作為優化平臺，下一步設定專項數據處理庫。此優化軟件可實現智能儀表可靠性優化工作，將電子元件表述信息做相應處理，實現全面目標優化。

3.2 抗干擾措施

電源凈化：為防止程序正常運行，需進行抗干擾設計，電源干擾一般可通過其他渠道對單片機造成影響，導致程序失控，所以采取電源凈化方式可使構建的智能儀表系統更具可靠性。完善的電源濾波為較好抗干擾方法，需在變壓器左側裝置電源濾波器，在直流端進行CLCII型波凈化。

光電隔離：智能儀表輸入、輸出與單片機系統采取光電隔離方式十分必要。可利用單片機系統與外界聯系，抗干擾能力強。數字信號隔離屬于簡單光電隔離方式，直接利用光電耦合器實現。這種方式光電隔離方便，價格便宜。

4 結語

智能儀表應用可靠性做為生產企業長期關注的重點問題，所采取多種方式進行可靠性設計，但并未達到理想標準。在此背景下開展本次研究，并取得顯著成果，將成本與可靠性關系有效處理，在實踐中該儀表系統具有強大兼容性，可實現企業生產目標，在市場競爭中居于主動地位。

參考文獻：

[1]王興貴，張明智，杜瑩.Modbus RTU通信協議在智能儀表與工控機通信中的應用[J].低壓電器，2014（02）：811.

[2]楊鳳龍，唐明新，張麗芳，元云飛.基于Modbus協議的智能儀表與Eview觸摸屏通信的研究[J].儀表技術，2016（05）：4547.

[3]袁飛，程恩.基與Modbus規約的智能儀表與PC機通信技術實現[J].微計算機信息，2014（09）：5657+89.

[4]汪美霞，湯曉兵，陳號.Mscomm與C在監控系統和智能儀表的串行通訊中的應用[J].山東建筑工程學院學報，2014（02）：1720.

[5]王永華，鄭安平.基于PLC和智能儀表的下位機群與上位機通訊的實現[J].制造業自動化，2015（09）：910+13.