儀表新技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展

熊國疆

[摘? ? 要]在科學技術(shù)以及現(xiàn)代經(jīng)濟的不斷發(fā)展下，自動化儀表技術(shù)得到了廣泛運用，同時受到了越來越多人的密切關(guān)注。自動化儀表技術(shù)一方面極大地促進了工業(yè)生產(chǎn)的良好發(fā)展，另一方面在工業(yè)化發(fā)展影響之下，自動化儀表技術(shù)的發(fā)展也越來越快。其在工業(yè)生產(chǎn)過程中的應(yīng)用主要在包括在線記錄和監(jiān)測、生產(chǎn)工藝參數(shù)的顯示以及在惡劣生產(chǎn)環(huán)境下進行操作等，可對整個工業(yè)生產(chǎn)的良好發(fā)展起到積極影響。對此，本文主要對自動化儀新技術(shù)的應(yīng)用進行了探討，以供參考。

[關(guān)鍵詞]自動化儀表;新技術(shù);網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

[中圖分類號]TH86 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2020）06–00–03

Application and Development of New Instrument Technology

Xiong Guo-jiang

[Abstract]With the continuous development of science and technology and modern economy， automatic instrument technology has been widely used， and more and more people pay close attention to it. On the one hand， automation instrument technology has greatly promoted the good development of industrial production， on the other hand， under the influence of industrial development， the development of automatic instrument technology is also faster and faster. Its application in the industrial production process is mainly reflected in the following aspects， including on-line recording and monitoring， display of production process parameters and operation in harsh production environment， which can have a positive impact on the good development of the whole industrial production. In this regard， this paper mainly discusses the application of new technology of automatic instrument for reference.

[Keywords]automatic instrument; new technology; network technology

最近幾年，通信技術(shù)、電子技術(shù)和計算機技術(shù)均取得了非常快的發(fā)展，而隨著這些新技術(shù)被不斷應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中，使得自動化儀表也受到了非常大的影響。自動化儀表在工業(yè)生產(chǎn)中是自動化生產(chǎn)不可或缺的組成部分，其作用主要體現(xiàn)在能夠在線完成對生產(chǎn)工藝參數(shù)的監(jiān)測、顯示與記錄。在高溫、深冷、易燃、有毒等惡劣的生產(chǎn)環(huán)境中運用自動化儀表，既可以迅速把精確的數(shù)據(jù)得到，還可以有效確保操作人員的人身安全，使生產(chǎn)成本減少，顯著提升生茶質(zhì)量，從而以堅實的基礎(chǔ)助力生產(chǎn)的持續(xù)、穩(wěn)定進行。

1 自動化儀表的概念

借助儀器儀表這種工具可以更好地認識世界。立足于人類社會發(fā)展的整個歷程來看，生產(chǎn)力的提升發(fā)揮著決定性作用，而生產(chǎn)力的發(fā)展又離不開科學技術(shù)[1]。要想實現(xiàn)生產(chǎn)力，必須借助生產(chǎn)工具和生產(chǎn)資料，確保科學研究順利進行的一項重要工具就是儀器儀表。所以可以說，儀器儀表是這種工具可以更好地認識世界。當前，世界正由機械化、工業(yè)化時代逐漸朝著信息化時代發(fā)展。信息化時代的一大顯著特點便是以計算機為中心延伸人的大腦功能，并將人的腦力勞動進一步擴展，讓人類慢慢從機械化過程順利進入到用物質(zhì)手段對人的腦力智力以及感官神經(jīng)系統(tǒng)進行擴展的時代。這時候，儀器儀表便發(fā)揮著獲取信息、為行動提供依據(jù)的作用。

人們利用計算機相關(guān)優(yōu)勢，又或是把儀器儀表利用起來得到相關(guān)信息，將其轉(zhuǎn)化為量化形式，或者把其充分圖像化、信號化，便于識別表達與閱讀，以顯示系統(tǒng)為媒介，順利進入智能化控制系統(tǒng)，并展開存儲、觀察。

儀器儀表是信息工具的一種，其作為信息源至關(guān)重要。因為信息源必須最大化的減少失誤或準確無誤，所以現(xiàn)代儀器儀表基本上都對材料、電子和機械等多種技術(shù)形式綜合集成予以了有效運用。儀器儀表是國家科技發(fā)展水平的真實體現(xiàn)。特別是在信息化時代，高新技術(shù)發(fā)展迅猛，現(xiàn)代化的一個綜合因素就是儀器儀表。

2 自動化儀表新技術(shù)的應(yīng)用

2.1 通訊和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

過去，自動化儀表所運用的通訊標準主要有MODBUS、RS-485、RS-232C等，但隨著多媒體技術(shù)、微電子技術(shù)的快速發(fā)展，加之受到工業(yè)綜合化發(fā)展的影響，使得傳統(tǒng)自動化儀表的通信功能無法適應(yīng)現(xiàn)代社會生產(chǎn)力的發(fā)展。自動化將會朝著可操作性、可控制性、校準和安裝低成本化、信息多樣化、通訊高速化的趨勢發(fā)展[2]。工業(yè)以太網(wǎng)具有諸多優(yōu)勢，如資源共享性、通行效率高、可靠性強、價格低等，在自動化生產(chǎn)中得到了廣泛運用，其具有很強的兼容性，可以使用戶多樣化的需求得到滿足，其可以一直應(yīng)用在工業(yè)自動化領(lǐng)域中，承受非常大的網(wǎng)絡(luò)負荷，即使作業(yè)環(huán)境惡劣，應(yīng)用也不會受到影響，具有很強的抗干擾性和安全性，可以將通電性能提供給現(xiàn)場儀表。現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)特點較多，包括智能化、數(shù)字化等，且任意開放性、互不干擾性、可操作性以及適應(yīng)性均非常強，進而在生產(chǎn)過程中得到了廣泛應(yīng)用，可以做到設(shè)備之間、設(shè)備和控制系統(tǒng)裝置之間多節(jié)點通信，促進自動化儀表高速通訊順利實現(xiàn)。

2.2 電源轉(zhuǎn)換技術(shù)

首先，AC/DC。傳統(tǒng)的自動化儀表通過對模擬電源予以采用來輸入交流電壓，之后再根據(jù)一定的順序展開一系列操作，包括變壓器隔離、整流、濾波、穩(wěn)壓，最終成功輸出之流電壓，這一方式的的AC/DC缺點有輸入電壓未有良好的適應(yīng)性、分量重以及效率較低等。而再改進AC/DC后，其轉(zhuǎn)換原理為：將交流電壓輸入，按先后順序分別從開關(guān)管、高壓隔離變壓器、濾波穩(wěn)壓通過，最后順利輸出直流電壓，而因為受濾波穩(wěn)壓出的波動的影響，便會引發(fā)反饋隔離，進而影響脈寬調(diào)制控制，并向開關(guān)管做負反饋。通過改進，效率可以高達百分之八十分，同時輸入壓力具有很強的適應(yīng)性，且過流和過壓保護能力、抗干擾能力也非常強[3]。其次，DC/DC。DC/DC的主陣地是在變換和隔離電壓中，其具有下述特點：有十分廣泛的工作溫度范圍，可以在零下40℃和80℃中運用;工作發(fā)熱量與效率均偏低，工作效率高達百分之八十五;外形尺寸不大，空間范圍小也能使用;十分可靠，無故障時間在一百萬小時;功率不高，未有較大的能耗。

2.3 新型元器件技術(shù)

現(xiàn)階段，新技術(shù)得到了迅猛發(fā)展，在此形勢下，工程科技人員研發(fā)出了諸多新型元器件，包括微電子技術(shù)、光電技術(shù)、存儲技術(shù)等，同時還對傳統(tǒng)的儀表進行了升級更新，這種使用方便、價格低廉、性能高的元器件在自動化儀表行業(yè)的應(yīng)用率非常高。

TOP管的頻率為100kHz，將其當作高頻開關(guān)管，如此一來，傳統(tǒng)自動化儀表中的模擬電源便被開關(guān)電源取而代之，使輸入電壓效率不高、適應(yīng)性不強等特點順利克服[4]。由此可以看出，在自動化儀表中開關(guān)電源將輸入電壓適應(yīng)范圍廣、頻率高、輸出電壓文波達到高要求以及抗干擾能力和過流、過壓能力強等優(yōu)勢順利實現(xiàn)。在自動化儀表中，還有一種模塊的應(yīng)用也比較多，那就是超小型小功率DC/DC模塊，其是建立在磁性材料和功率開關(guān)管基礎(chǔ)之上的，可以隔離和變化電壓。在工業(yè)自動化儀表生產(chǎn)現(xiàn)場運用此項技術(shù)，具有諸多優(yōu)勢，如元器件發(fā)熱量不大、使用頻率高;因為運用了變壓器進行隔離，隔離電源高，促進了抗干擾能力顯著增強;元器件的平均故障間隔很高，設(shè)備更加可靠;此外，運用DIP封裝，元器件未有較大的體積能夠很好的適應(yīng)自動化儀表空間范圍窄的要求。由此可以看出，在自動化儀表中的應(yīng)用DC/DC模塊，讓設(shè)備更加可靠，也大大提升了其高效性以及性價比。

最近幾年，F(xiàn)lash存儲器取得了非常快的發(fā)展，傳統(tǒng)自動化儀表行業(yè)所使用的ROM、RAM存儲器已逐漸被其所取代。同傳統(tǒng)的兩種存儲器相比，其優(yōu)勢較為明顯，不僅能夠在非常短的時間內(nèi)擦除，同時存儲器可以重復使用十萬次以上，且存儲器的斷電保存時間也在10年以上;另外，其不僅可讀，同時可以對寫進行保護等。由此可以看出，F(xiàn)lash存儲器的優(yōu)點較多，進而開始廣泛應(yīng)用于自動化儀表行業(yè)中，由此便大大提升了工業(yè)生產(chǎn)自動化過程。

2.4 智能化實現(xiàn)技術(shù)

自動化儀表的智能化所包含的層次主要有兩方面：第一，也就是現(xiàn)場儀表具有數(shù)字通信接口，其主要是為提升控制質(zhì)量，增強安全性、可靠性而將執(zhí)行器和傳感器的增加;第二，微處理芯片處理能力不斷增強，儀表中慢慢放入實時嵌入式操作系統(tǒng)的功能，顯著提高其處理能力，由此便進入智能儀表層次。

2.4.1 32位RISC處理器

在傳統(tǒng)自動化儀表中，發(fā)揮主要作用的就是CISC結(jié)構(gòu)，其是主處理器，主要以Intel的80X86系列、8051內(nèi)核系列以及Motorola的68000系列為代表。在自動化儀表的不斷發(fā)展下，要求主處理器具備低功耗和高性能，由此就改變了儀表主處理器的發(fā)展方向，使之轉(zhuǎn)變?yōu)?2位RISC處理器。現(xiàn)階段，MIPS系列、STRONGARM系列、ARM7/9內(nèi)核系列等等32位RISC處理器正慢慢得到了廣泛運用。

32位RISC處理器具有32位的強大尋址空間以及運算處理能力，但傳統(tǒng)32位處理器的開銷在其中又不可見，在高性能自動化儀表中成為第一選擇對象[5]。例如，ARM7Thumb系列，其主要的性能參數(shù)數(shù)：時鐘速度、性能、平均功耗分別為66MH、40MIPS（66MHz）、0.6 MW/MHz，32位尋址空間——4GB線性地址空間，32—bit桶狀移位器，三級流水指令結(jié)構(gòu)，32位寄存器區(qū)和ALU，32x8DSP乘法器。

2.4.2 實時嵌入式操作系統(tǒng)（RTOS）

隨著自動化儀表功能的不斷加強，相應(yīng)的也加劇了程序的復雜程度，合理調(diào)控任務(wù)和安排資源是一大艱巨的任務(wù)[6]。運用實時嵌入式操作系統(tǒng)（RTOS）可以將這些問題有效解決，同時更容易開發(fā)，把開發(fā)周期縮短。RTOS的基本功能較多，包括網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、能擴展圖形、代碼少、硬實時、搶先多任務(wù)等。現(xiàn)階段，ThreadX、PSOS、Nucleus、Vxworks是當前廣泛運用的RTOS。例如，基金會現(xiàn)場總線（FF）圓卡的開發(fā)，RTOS運用Nucleus，處理器運用ARM7，仿真器和C語言編譯工具則屬于開發(fā)工具。開發(fā)示意圖如圖1所示。

3 結(jié)語

總之，快速發(fā)展的通信技術(shù)與計算機技術(shù)，促進了自動儀表顯著進步。今后，自動化儀表的發(fā)展方向必然是數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化以及智能化。其中最為重要的就是一些自動化儀表新技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用，包括實時嵌入式操作系統(tǒng)、電源轉(zhuǎn)換技術(shù)、工業(yè)以太網(wǎng)的應(yīng)用以及Flash存儲器等。不斷革新的現(xiàn)代自動化儀表，在科學技術(shù)的不斷發(fā)展下越來越定化，自動化儀表在存儲器、電源變換技術(shù)、新型元器件、通訊及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的日趨成熟應(yīng)用下得到了良好發(fā)展。在儀表自動化的發(fā)展中，應(yīng)配合使用軟硬件，不斷集成化，借助DCS系統(tǒng)和PLC系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進行采集，利用程序編寫將命令發(fā)出，邏輯電路被軟件替代，提前開展模擬執(zhí)行，確保數(shù)據(jù)更分更加精確，最大化控制事故發(fā)生率;運用先進的傳感器，使數(shù)據(jù)采集更加可靠，為儀表自動化發(fā)展奠定堅實的基礎(chǔ)。

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