工業自動化儀器儀表的數字化系統技術

陳鳳永

[摘 ? ?要]在科學技術高速發展的同時，工業自動化儀器儀表的數字化系統技術也實現了新的發展。對工業自動化儀器儀表的數字化系統技術進行了分析介紹;從工業自動化儀器儀表的數字化要求和特點、自動化儀器儀表工作原理、新一代控制系統對儀器儀表系統的要求等方面進行了分析，同時也對工業自動化儀器儀表的數字化系統技術未來的發展方向進行了探討，以推動工業自動化儀器儀表的數字化系統技術發展。

[關鍵詞]工業自動化;儀器儀表;數字化系統技術

[中圖分類號]TH86 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2022）01–0–03

[Abstract]With the rapid development of science and technology， the digital system technology of industrial automation instrumentation has also achieved new development. This article analyzes and introduces the digital system technology of industrial automation instrumentation; analyzes the digital requirements and characteristics of industrial automation instrumentation， the working principle of automated instrumentation， and the requirements for instrumentation system of a new generation of control systems. The future development prospects of the digital system technology of industrial automation instrumentation are discussed， in order to provide some references for promoting the development of the digital system technology of industrial automation instrumentation.

[Keywords]industrial automation; instrumentation; digital system technology

在儀器儀表中，自動化是最為關鍵的部分，起到了中樞系統的作用，可以對整個系統的運行情況進行實時監測，如果工業設備發生了故障，自動化儀器儀表可以迅速對其進行監測，并發出相關的警報，讓技術人員和維修人員及時進行調整和修理，另外，自動化儀器儀表還可以對相關的工業設備參數的調整和完善提供重要的參考依據。近些年，隨著數字化技術和計算機技術的不斷發展，工業自動化儀器儀表數字化系統技術也得到了快速發展，并且在不同領域中得到了廣泛應用，并取得了很好的效果，為工業自動化發展提供了重要的技術保障。

1 工業自動化儀器儀表工作原理及儀器儀表數字化特點

1.1 自動化儀器儀表工作原理

工業自動化儀器儀表常常應用在工業生產中，與一些生產控制設備進行連接，再借助于計算機的優勢來對各種生產設備進行控制，比如，對設備表面的溫度、所承受的壓力、輸出流量等指標數據進行分析和控制，如果相關的數據指標超出了設置的標準，自動化儀器儀表可以對生產設備進行實時控制。在機械自動化控制中，自動化儀器儀表可以將機械設備運行中的各項指標變化情況自動記錄下來，傳輸到控制系統中，相關管理人員根據這些數據對機械設備的運行情況進行判斷[1]。另外，控制系統還會將收到的這些數據進行統一匯總分析，監測機械設備是否發生運行異常情況，由自動化儀器儀表來快速做出反應，同時計算機對異常數據進行分析來找出問題所在。

1.2 工業自動化儀器儀表數字化系統發展特點

1.2.1 信號的全數字化特點

把工業自動化儀器儀表的通信線和生產設備進行連接可以形成和互聯網通信網絡系統相類似的系統網絡。通過這一網絡可以在信號傳輸的過程中，實現全數字化、高精度、比較強的抗干擾信號傳輸，以此來提高信號轉換的精準度和可靠性，提高信號傳輸的效率和質量。

1.2.2 互聯性和互操性特點

互聯性主要是指借助于微處理器和智能設備來對各種儀器儀表設備進行有效控制。各個儀器儀表的互聯性特點就凸顯出來，降低了成本和對各種設備的維修率，提高了工業自動化儀器儀表設備的工作效率和工作質量。互操性特點，主要是指現場中的總線設備通過對功能模塊和相關的參數標準化進行控制操作，這樣就可以讓各個設備之間的互操性特點更加突出。用戶可以按照不同產品的性能價格來選擇不同的儀器儀表，并實現不同儀器儀表設備的相互連接，這樣如果一臺儀器儀表設備發生了故障，可以單獨更換發生故障的設備，更加方便，快捷，并且還可以降低用戶額外購買集成硬軟件設備的成本。

1.2.3 功能可靠性特點

在對儀器儀表進行生產的過程中，采用了統一的生產標準，這樣儀器儀表的功能可靠性更強，操作人員不用再學習多種不同的操作內容和連接方式，在很大程度上降低了故障發生的概率，同時也提高了儀器儀表使用過程中的可操控性。

1.2.4 開放的技術和標準特點

自動化儀器儀表中的互聯網技術和相關的標準都是公開、統一的，所有制造商采用的都是這一標準和技術，這樣用戶就可以將不同制造商的通信網絡集成在一起進行互連，并且用戶之間也可以共享網絡數據資源。

1.2.5 通信線的供電兼容性特點

在自動化儀器儀表數字化系統中，使用了各種不同的軟件，所以自動化儀器儀表的通信線供電需要具備兼容性特點，比如，FCS全數字化系統的運用可以讓各種信息的作用充分發揮出來，更好地為我國工業自動化發展提供便利。

2 控制系統對儀器儀表系統的要求分析

2.1 嵌入式計算機系統的運用

自動化儀器儀表數字化系統是由多個功能模塊按照一定的方式組合起來，形成一種數字化的電子系統。其中的功能模塊包括了軟硬件兩種，系統中的各個具體模塊在運行的過程中相互配合協調，相互作用形成一個整體系統。嵌入式計算機系統將儀器儀表的故障檢測和診斷、傳感測量、補償計算和工程量處理等功效匯集到系統軟件中。芯片、接口技術和總線是嵌入式計算機系統中的關鍵部位，該系統在自動化儀表儀器數字化系統中的應用使其得到了更高級的發展。

（1）嵌入式計算機系統中的微電子技術對自動化儀器儀表的數字化發展帶來了很大的影響。微電子技術是延續了摩爾定律發展的，集成電路芯片中的系統從原來的PCB設計發展到現在的VLSI芯片設計，改變了傳統多個芯片共同運行的狀態，現在只需要一個芯片就可以實現自動化儀器儀表數字化系統的運行?，F階段，單片機由A/D、D/A數模轉化器、存儲器、看門狗電路等構成，將多種功能通過一片芯片來實現，這樣就不再需要微控制器外圍電路進行更廣泛的拓展，同時也減少了電路分散帶來的外部干擾，提升了自動化儀器儀表數字化系統技術的可靠性和穩定性。

（2）嵌入式技術對自動化儀器儀表數字化系統技術的影響。嵌入式計算機系統的關鍵配件是處理器，一般采用最多的是DSP處理器結合嵌入式片上系統SoC。這種處理器和普通的計算機處理器相比，損耗更小，成本更低，穩定性和可靠性更強，同時嵌入式微處理器的體積也比較小，重量比較輕。此外，其還有著比較高的集成度，可以將CPU擴展后芯片的所有功能全部集中到一個芯片上，移動更加方便，并且網絡連接能力也更強。與此同時，該系統中的半導體和電子技術可以讓其應用在各個不同的領域中，同時具備更長的使用壽命。

2.2 網絡技術在自動化儀器儀表數字化系統技術中的運用

在現階段自動化儀器儀表數字化系統技術發展過程中，網絡技術得到了廣泛應用，數字化通信技術被應用在自動化儀器儀表系統中，發揮出了通信傳輸的重要作用。在網絡技術和智能儀器儀表等相關技術發展的影響下，自動化儀器儀表逐漸按照嵌入式和通信網絡相融合的方式發揮出其作用和功能，讓網絡的透明化程度更高，同時也實現了自動化和辦公自動化的充分結合，為自動化儀器儀表數字化系統技術的發展創造了更多的技術支撐。

2.3 分布式控制系統在自動化儀器儀表數字化系統技術中的運用

現階段，分布式控制系統發展更加成熟完善，成為儀器儀表設備智能化數字化測控系統中的重要組成部分，在集中式控制系統發展的影響下，將現代通信技術、現代控制技術、現代圖形顯示技術和現代化的計算機技術等多種技術進行了全面整合發展，實現了對各種設備參數的分級管理，也實現了更加靈活的配置，讓自動化儀器儀表的數字化系統技術更加完善和穩定。

2.4 網絡控制系統在自動化儀器儀表數字化系統技術中的運用

在自動化儀器儀表數字化系統技術的測控系統中，微處理核心硬件系統和嵌入式操作系統核心軟件的應用非常廣泛，這兩種系統實現了計算機和儀器儀表之間各種數據信息的有效傳輸，同時也讓控制的緊密性和銜接性更加便捷，儀表設備中局域網絡接口和打印機接口、USB接口等使得測控儀器的通用性更強。只需要和計算機進行連接，就可以讓設備在進行操作運轉時更加快捷、方便，操作的流程、方法和計算機并無差別，這樣使得自動化儀器儀表數字化系統技術的應用和操作的開放性和實用性更強。

2.5 自動化控制技術在自動化儀器儀表數字化系統技術中的運用

自動控制技術在工業生產中的應用在很大程度上提高了生產的效率和水平，同時也減少了生產操作過程中失誤的發生概率，提升了工業生產的效率和質量?，F階段，在工業自動化儀器儀表數字化系統技術中，自動化控制技術主要是在過程自動化、管理自動化和機械自動化三個大的方面來進行應用。工業生產通過三方面的自動化應用來讓生產流線中的設備操作更加精準，更好地對生產進行控制，讓生產過程中的各個環節都可以實現更加直觀的管理，從而實現工業生產的批量化管理，提高生產效率和生產質量。

在傳統的工業設計、制造和服務領域，經驗往往是一種模糊而很難把握的形態，很難將其作為精準判決的依據。而通過數字化的手段，將原先無法保存的專家經驗進行數字化，并提供了保存、復制、修改和轉移的能力。例如，針對大型設備運行過程中出現的各種故障特征，可以將傳感器的歷史數據通過機器學習訓練出針對不同故障現象的數字化特征模型，并結合專家處理的記錄，將其形成未來對設備故障狀態進行精準判決的依據，并可針對不同的新形態的故障進行特征庫的豐富和更新，最終形成自治化的智能診斷和判決。

2.6 網絡互聯互操作性儀器儀表設備的運用

網絡技術很早以前就應用到了工業自動化儀器儀表系統中，發揮出了控制網絡的作用，形成了分布式的網絡控制系統，讓自動化儀器儀表系統的靈活性、效能性更高，更加便于維護和拓展。發展到現階段，網絡技術的互操作性和互聯性更加突出，比如，LonWorks控制網絡掛接儀器儀表設備的互連和互操作性優勢更加突出，現場信息的模擬量實現了全數字雙向多站數字通訊的發展，和以往的儀器儀表有了很大的區別和不同。該控制網絡掛接儀器儀表設備是在神經元芯片的基礎上開發的，這種神經元芯片有3120系列和3150系列兩種。3120系列的芯片接口有ROM、RAM、E2PROM;3150系列芯片中并沒有內部ROM，但是卻有了訪問外部存儲器的信號傳輸功能。神經元芯片內部的通信協議實現了完整的固化，這樣可以讓節點間的可靠通信和互操作性更強。

神經元芯片在很多的網絡節點中形成了一個獨立的處理器，如果想要讓節點信號處理能力和I/O通道更加強大，只需要利用其他的處理器來進行處理，用神經元芯片來進行數據的交換傳輸，這樣神經元芯片就可以實現通信功能。神經元芯片中有3個8位微處理器、只讀存儲ROM、隨機存儲RAM和通信、I/O接口。ROM中的貯存操作系統、I/O函數庫和通信協議、RAM等常常用于從網絡中下載相關數據信息和應用程序的存儲。

神經元芯片的性能指標包括了3個8位的CPU和輸入時鐘，輸入時鐘可以選擇11條可編程I/O引腳、625 kHz～10 MHz，2個16位的硬件定時器/計數器，15個軟定時器;休眠的工作方式是在維持操作基本穩定的情況下盡可能降低電能的損耗。網絡通信端口方式有差分方式、單端方式和專用方式，固件包括了I/O啟動器程序、通信協議、事件驅動多任務調度程序等。服務引腳主要是用于遠程識別和診斷，48位的內部神經元芯片ID來作為神經元芯片的唯一識別系統。在功能比較強大的神經元芯片下，為網絡互連互操作性的自動化儀器儀表設備提供了更多有效的功能。

神經元芯片還可以支持多種不同的通信介質，比如，光纖、紅外、雙絞線、無線和同軸電纜等，同時還可以支持不同種類的網絡拓撲結構。雙絞線因其比較高的性價比成為通信介質中最常用的一種。比如，FTT-10A雙絞線變壓器耦合收發器支持總線型和自由拓撲型拓撲，并且這種收發器還有著很強的抗干擾能力，可以承受1 000 Vrms電壓長達1 min時間。LonWorks總線和神經元芯片共同構成的網絡靈活性更強，在結合總線拓撲網絡可以讓網絡系統的長度達到2 000 m，采用自由拓撲的網絡最長也可以達到500 m。

3 工業自動化儀器儀表數字化系統技術發展展望

在各種先進技術不斷發展的影響下，我國的自動化儀器儀表技術有了新的發展方向，數字化智能化發展水平更高，將引領自動化儀器儀表技術產業的未來發展。

近些年，我國的精密機械技術、微電子技術、計算機技術、高密封技術和特種加工技術、集成技術、薄膜技術、網絡技術、激光技術、納米技術和超導技術等多種高新技術的飛速發展，對于工業自動化儀器儀表的發展提出了更高更新的要求，需要儀器儀表的數字化、智能化水平更高，同時還要具備更加敏捷、靈活、穩定的性能特點，要求可以采用比較少的樣本量，實現監測微損或者是無損的目標，可以對更多的距離進行遙感遙測等。

在高科技發展以及現場總線的應用影響下，為自動化儀器儀表數字化系統技術的發展起到了新的導航作用。現場總線的應用可以讓儀器儀表的數字化系統和控制室之間形成一種開放式、雙向性、全數字化和多站的通信系統，不僅可以滿足不同用戶的不同需求，同時還可以提升通信技術和控制技術在工業控制領域中的發展水平，提升了其性能、精度、穩定、適應性水平，同時也形成了更加科學、可靠、低消耗的優勢特點，為自動化儀器儀表數字化系統技術發展帶來了新的發展動力和發展空間。

4 結束語

科學技術和信息技術等多種技術的發展融合應用，為工業制造的數字化發展帶來了新的發展機遇和便捷，所以，在工業發展過程中要重視工業自動化儀器儀表數字化技術的發展，這樣才可以實現我國工業領域的健康可持續發展。

參考文獻

[1] 段紅松.探析數字化儀表與控制系統技術應用與發展[J].中國機械，2021（7）：119，123.