淺析儀表智能化的發展趨勢

宋真

（中國核動力研究設計院第一研究所，四川 成都 610005）

通過自動化技術的引進，提高儀表智能化的水平，帶動我國儀器儀表產業進入高技術化發展的軌道，促進儀表呈現智能化、數字化和網絡化的趨勢。對此，在推動儀表產業發展中，要充分利用成熟的先進技術，并加大對新技術的研究力度，通過技術革新，豐富和強化儀表的功能，拓展應用領域，進而促進儀器儀表產業的可持續健康發展。在這樣的環境背景下，探究儀表的智能化發展趨勢具有非常重要的現實意義。

1 我國儀表智能化的含義

儀表智能化是運用超大規模集成電路與微處理器技術，通過嵌入式軟件進行內部協調操作，賦予儀表智能化功能，除了實現輸入信號的非線性補償、量程刻度標尺的自動化變換、故障自動診斷等功能之外，還會對工業生產過程進行有效控制，協調系統功能，進而完成一系列預設的操作任務。

2 我國儀表智能化的發展歷程

縱觀儀表發展史，我國儀表智能化大致經歷了以下歷程。

2.1 基地儀表階段

基地儀表興起于20世紀50年代，以簡單性、實用性著稱，由于智能化水平較低，只能實現簡單的現場控制，體積過于龐大，不易于移動和維修。我國自建國后，蘇聯支援的產品與技術均以基地儀表為主。

2.2 單元組合式儀表

單元組合式儀表興起于20世紀70年代，包括II、III 等型號的儀表，根據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；根據信號可劃分為0～10mA儀表、4～20mA儀表等部分；根據動力可劃分為氣動儀表（QDZ）與電動儀表（DDZ）。我國自動化儀表的生產體系始于 DDZII、QDZII ，并逐步構建相對完善的集研發、生產、培訓、服務于一體的產業結構，這一時期是我國自動化儀表行業發展的最高峰，通過自動化儀表，可以生產各類自動化產品，并應用到工業生產中解決實際問題。

2.3 智能儀表

智能儀表發展時間為20世紀70～90年代，依托于微處理器、集成電路、現場總線進行傳感、控制、通信，在1975年美國儀表控制公司推出綜合分散控制系統 TDC—2000，簡稱DCS，當時智能化與現場總線標準的排他性極強，造成各個品牌間的不可兼容。而在1985年國際電工委員會成立 IEC/TC65/SC65C / WG6工作組，制定現場總線標準，但考慮各自的利益，無法協調商議，現場總線標準的制定十分緩慢，為了擴大市場占有率，將自己的標準加在世界標準身上，造成現場總線標準過多的局面。

3 制約儀表智能化發展的因素

現階段，儀表智能化的發展中，微處理器和集成電路相對較為完善，而現場總線的不足已成為制約儀表智能化發展的主要因素。當前，我國現場總線使用變動器為主，大多數已經向智能化發展，但由于現場總線標準均為歐美日標準，通信模擬量為4～20mA，其中智能變動器還停留在量程操作或是手操器方面，沒有完全發揮出智能化特點，造成現場總線的困境，具體可表現在以下幾方面：第一，各個總線設備間缺少隔離，一旦某個設備發生故障，就會造成整個總線的癱瘓。第二，總線主要以輪詢結構為主，通訊速度過于緩慢。例如，以HART協議為主的現場總線運行中，通信過程中會有間隔1s的等待時間，降低整個網絡系統的通信效率，而通信每一點都需要 1s 的等待，造成整體網絡系統通信效率緩慢，工業上一般不會將 HART 協議作為工業級聯網。第三，國內工業級的通信接口十分匱乏，國外總線企業廠商沒有專門針對性的工業級網絡產品，國內研發大量的網絡轉換產品，但技術還只在小規模應用的層面，無法滿足工業級規模的生產要求。第四，國內通信協議較多，但由于互不兼容，限制了網絡連接。

4 促進儀表智能化發展的有效路徑

為了促進儀表智能化的發展，要進一步完善現場總線通信技術，針對現場總線通信技術存在的問題，提出以下解決措施：第一，選擇國內廣泛應用的HART、MODBUS、TCP/IP等協議，將其作為網絡通信平臺，實現HART、MODBUS、TCP/IP等協議之間的透明性，達到最佳的交互效果。第二，在現場總線各個通信設備間、網絡間設置點點隔離，減少通信的延遲時間，提高現場總線的通信效率。第三，設置網絡輪詢通信控制器，將通信系統置于網絡輪訓通信控制器中，防止網絡輪詢時間的出現，如圖1所示，表示著網絡透傳控制器結構，我們可以看出4～20mA回路、24V電源回路和網絡回路之間保持著相互隔離的狀態，提高現場總線通信系統運行中的抗干擾能力與安全程度，一旦受到毀滅性破壞后，包括感應雷擊、誤接強電等現象，不會危及到其它回路，降低事故對整個系統的影響。此外，網絡控制器完全脫離于網絡指令進行獨立輪詢，相比于傳統的現場總線通信系統而言，通信速度大大加強，DC/DC為各個回路進行隔離供電，這一結構產品榮獲國家專利，為我國儀表智能化發展提供強大的助力。

5 儀表智能化的發展趨勢

5.1 發展路線

現階段，儀表的智能化結構具有自身的獨特性與局限性，其中儀表中的總線應用量加大，各自為戰的局面會僵持一段時間，由于缺少市場化的總線標準，使得企業缺少競爭力強的產品，無法搶占市場話語權。在工業領域中，儀表中的變動器、控制系統逐漸顯露出智能化的發展趨勢，而現場總線方面的缺失制約著儀表智能化的發展。對此，為了促進儀表智能化的發展，首先要將市場中的總線融合在一起，達到相互兼容的效果，立足于現場的實際問題，根據項目系統的實際要求，融合2～4個總線標準，這一綜合即為“透傳”。其次，加大對國產總線的研究，積極開發國產總線，除了院校與科研單位參與到國產總線的研究中，要求相關總線大企業要加入到研究項目中，以自身產品為標準來制定現場總線標準，鼓勵國內儀表企業加快完善智能化儀表生產體系，提高產品質量，拓展現有的市場占有率，并加大對國產支持的宣傳力度，進而實現儀表的智能化發展。

5.2 發展目標

圖1

（1）智能化。儀表智能化的標志是控制器，以可編程單回路調節器作為現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。在實際應用中，主要將微處理器視為運算控制器的主干，接受與輸出連續性電模擬量信號，用戶可以根據需求進行編制程序，形成數字式過程調節裝置，并把回路控制、邏輯運算、通信和數字運算等功能融合在一起，借助編程程序，進而達到儀表的智能化和功能化。

（2）總線化。智能變送器是現場儀表智能化發展的標志，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，簡化系統結構，進而降低整個系統的復雜性。智能變送器的人工智能性較強，實現多種物理量或是化學量的測量，反映出被測的綜合信息，測量精度較高、范圍較寬，量程比可達到400:1，可以適應寬度大的測量范圍。與此同時，應用標準化通信接口，實現智能變送，促進智能變送器從原有的單一功能逐漸轉化為多功能、多變量的檢測模式發展，以主動控制技術達到高速信息處理，原有的孤立元件被逐漸系統化和網絡化。

5.3 總線技術要求

（1）冗余。應儀表智能化的要求，總線要具備熱冗余功能，可以設計成獨立的應用總線，一旦工作總線發生故障，備用總線會自動代替故障總線進行工作，進而保證系統的正常運行，提高系統的可靠性與安全性。

（2）危險分散。危險分散是總線結構設計的難題，一旦危險爆發在某點，很容易造成系統癱瘓。而在工業控制領域中，絕不能出現這一問題，要求總線結構要具備分散危險的功能，采用底層星型結構，設計電源系統和信號系統，二者獨立而相互協調，一旦出現某點故障，要降低對其它儀表或整個總線結構的負面影響。

（3）抗干擾。工業現場的干擾源較多，增加工程的技術難度，現有模擬量傳輸以單回路為主，干擾造成的是局部影響，若現場總線的抗干擾能力不足，很容易造成系統癱瘓，要求現場總線抗電磁干擾要超過1kV脈沖群，進而保證現場總線系統的正常運行。

6 結語

本文通過對儀表的智能化發展趨勢的研究得出：

（1）我國儀表在智能化發展歷程中，經過了基地儀表階段、單元組合式儀表、智能儀表等階段，每階段的技術和應用都為儀表的智能化奠定了基礎。

（2）在儀表智能化發展中，現場總線通信的技術問題一直是制約儀表智能化發展的要素，需要加以重視，更換通信協議，設置網絡輪詢通信控制器，進而提高總線系統的智能化水平。