儀器儀表中的自動化控制及其應用研究

【關鍵詞】自動化控制；儀器儀表；應用路徑

引言

在科技飛速發展的當下，自控技術在諸多領域得到了廣泛運用，將其與儀器儀表結合，可以在優化儀器儀表精度的前提下，使其應用范圍得到進一步的拓展。對自控系統而言，儀器儀表的加入不僅顯著降低了采集數據、處理信息的難度，同時也為系統穩定、高效運行提供了保障。正因如此，有關人員加大了對儀器儀表自控這一課題的研究力度，期望能夠盡快確定切實可行的應用方案，通過增強系統可靠性、安全性，推動行業的進步。

一、儀器儀表自控技術說明

（一）傳感技術

傳感技術需要儀器儀表準確感知數據和自動采集信息的功能方可充分發揮作用。在處理數據信息的環節，傳感技術主要負責轉換并傳輸數據信息，保證主系統發出指令順利到達操控終端，由此降低外界因素對處理數據、傳輸信息和生成指令等環節的影響，通過實時、準確地調配指令，使既有資源在生產過程中得到充分利用[1]。從本質上說，傳感技術是“物理裝置+信息技術”的產物，該技術既能夠使數據傳輸速度得到大幅提升，又可以使傳輸過程的安全性、穩定性得到保障。對本文討論的自控系統而言，傳感技術往往發揮著與神經末梢相似的作用，即實時捕捉生產過程出現的變化，將表示變化的數據信息轉化成能夠被系統識別的電信號或其他形式，為分析、處理數據信息提供便利。

除此之外，在物聯網技術發展速度不斷提升的背景下，將無線傳輸與傳感技術結合成為大勢，這樣做能夠賦予自控系統包括遠程監控、智能控制在內的多項功能，不僅生產過程更加安全，生產效率也會得到顯著提高。以智能制造為例，將傳感技術用于產線傳感器，可以遠程監測生產過程的溫度、壓力和流量等參數，通過把監測所得到的數據信息同步至中控系統，由系統根據預設指令啟用標準算法，對數據信息展開深入分析，實現精準控制生產過程的目標。

（二）集成技術

自控集成功能主要用于系統處理模式，通過提高既有處理模式的結構化、模塊化程度，使集約控制工業生產所依靠系統各類數據信息的設想成為現實。無論是對工業生產還是對電氣系統來說，變壓器、芯片的加入都能夠顯著降低管理系統操作模式的難度[2]。其中，數據信息需要先按照特定邏輯轉變后再統一傳輸，這樣的設計能夠避免處于正常運行狀態的操控機構互相碰撞，通過科學配置并利用現有資源，為公司帶來更加可觀的收入。

實際工作中，科學應用集成技術還能夠降低系統處理數據信息時出現延遲的可能性，使工作效率得到顯著提高，這是因為集成技術可以強化儀器儀表對生產過程所發生變化的響應能力，使精細控制生產流程的設想成為現實。此外，該技術的加入同樣能夠增強儀器儀表的自適應性及可擴展性，為后續升級現有功能、擴展系統結構提供便利，使工程生產所提出的各項需求得到充分滿足。

總之，集成技術與自控系統相結合的做法可以在優化數據處理流程的前提下，使系統更加穩定且可靠。依靠高度集成化的設計方案，減少系統組件之間所存在接口、連接點的數量，降低故障發生率及維護保養難度，解決公司每年運維成本過高的問題，為公司實現穩健、長效發展的目標奠基。

（三）智控技術

智控技術的作用是協調儀器儀表組件和其所處的環境，在保證設備正常發揮作用的前提下，通過發出協調指令，整合軟件網絡和計算機，由此提高調控過程的智能化程度，盡量避免由于人工參與導致數據信息出現誤差。通過不斷增加工業生產與儀器儀表的融合深度，提前發現系統異常情況并預警，使工業生產的安全系數得到提高[3]。研究發現，智控技術要想充分發揮作用，通常離不開計算能力及算法的支持，換言之，只有不斷升級計算能力并更新算法，才能夠使自控系統真正具有實時收集、處理并分析數據信息的功能，通過精準地控制生產過程，及時發現并處理系統的異常情況，為生產過程的平穩性、可靠性提供保證。

除此之外，智控技術的價值還體現在以下幾方面：一是最大限度消除人工操作帶來的誤差，規避風險，在保證數據信息精準的前提下，為優化生產流程、改善產品質量助力；二是在人工智能等先進技術的協助下，不斷學習并優化既有算法，快速適應生產環境的變化，使自控水平得到進一步提升；三是結合生產需求，對儀器儀表當前工作狀態加以調整，科學配置既有資源，使資源得到最大化利用。現階段，該技術已在包括石油化工在內的諸多領域得到廣泛運用，通過將儀器儀表改造成智能化節點并將其與其他智能設備聯通的方式，建立具有實際意義的生產網絡，在優化生產流程、改善生產效率的前提下，及時發現潛在異常情況并預警，將發生事故的概率降至最低，由此加快工業生產向智能化轉型的速度，為公司帶來更加符合預期的經濟與社會效益。

（四）界面控制技術

對人機界面進行控制，可以通過全方位展示儀器儀表功能，拉近用戶和設備的距離，加深用戶對工業生產、儀器儀表的了解，真正做到依靠儀器設備遠程監控生產現狀，通過計算機發出指令，合理調整生產體系[4]。該技術強調通過優化用戶和儀器儀表之間的交互體驗，確保用戶能夠簡單且高效地操控設備，其價值主要可以歸納為以下幾點：其一，該技術的加入使得操作儀器儀表的界面更加人性化，顯著降低了用戶理解、掌握操作方法的難度，為用戶隨時查看儀器儀表狀態和參數信息提供便利，使用戶能夠快速制定科學決策，避免生產過程被設備狀態所干擾；其二，該技術支持自定義，用戶可以結合實際需要，對界面布局進行調整或新增快捷鍵，由此進一步提高操作效率；其三，該技術具有極為突出的兼容性，可以無縫對接多種不同類型的儀器儀表，為生產系統穩定且高效的運行提供支持。實踐經驗表明，該技術的加入不僅使工作效率得到了提高，同時也降低了識別指令的難度和誤操作的風險，在提高工業生產質效方面發揮著重大作用，應該引起重視。

二、儀器儀表自控應用要點討論

（一）PLC控制

該模塊在自控系統中主要發揮下位機的作用，可以通過模塊化管理自控系統、協同管理多種傳感器，在保證數據得到及時、準確傳輸的前提下，將操控終端互相碰撞的可能性降至最低[5]。考慮到儀器儀表所處環境可能存在電磁干擾源，導致信號失真或出現其他異常情況，進而影響機構獲取并執行指令的能力，造成程序錯位，增加生產事故發生的可能性。因此，在設定模塊時，需要仔細檢查執行構件和傳感器的狀態，保證其均處于正常狀態，將出現故障的概率降至最低。除此之外，該模塊還具備快速處理海量數據的功能，可以在短時間內分析并判斷傳感器所提供的數據信息，結合預設的邏輯關系、已確定的控制策略，輸出相應的控制信號，使精確控制生產過程的設想成為現實。同時，該模塊還能夠滿足用戶在遠程監控、故障診斷等方面的需求。日常工作中，依靠網絡遠程訪問系統、監測設備狀態，及時處理發現的問題，使生產過程更加連續且穩定。除此之外，由于電子系統通常需要長時間處于高負荷工作狀態，其內部構件的性能和老化程度都會隨著時間的推移而出現改變。因此，需要在系統處于正常運行狀態時，維護其內部構件，通過優化構件性能、延長有效使用壽命，將出現生產問題的可能性降至最低。一言蔽之，將PLC控制模塊與自控系統結合的做法，既能夠使系統性能更加可靠且穩定，又可以使運維成本得到控制，對公司實現智能化轉型目標有極為重要的意義[6]。

（二）通信模塊

儀器儀表自控強調通過實時采集、分析、保存并傳輸各類數據信息，使不同功能模塊的價值得到最大化實現。通信模塊的作用主要是快速傳輸、接收數據信息，將其作為同步處理多項任務的平臺接入自控系統，可以保證生產通信過程高度一致。一般來說，工業控制對自控系統提出的要求較其他行業更為嚴格，需要將自控體系接入以太網，依靠標準的通信協議、端口，有針對性地調整或新增功能模塊，使公司需求得到最大限度滿足。

實際應用中，通信模塊通常采用冗余設計，這樣設計的初衷是確保即使單一路徑失效，系統也可以第一時間切換到備用路徑，使數據信息得到連續且穩定的傳輸，由此賦予系統更加理想的容錯能力，在增強穩定性的前提下，規避由于通信故障導致的生產意外中斷等風險[7]。同時，該模塊支持的通信協議數量較多，包括但不限于Modbus、Profinet，用戶可以根據實際需求、設備兼容性靈活選擇通信方案，使自控系統的價值得到最大化實現。出于進一步增強數據傳輸時效性的考慮，還可以嘗試引入先進的編碼技術和壓縮算法，同時新增數據加密等功能，在控制數據冗余量、提高傳輸效率的前提下，為處于傳輸狀態的敏感信息的安全提供保護，將信息泄露、被篡改的概率降至最低。

此外，若無特殊要求，可以視情況對調控數據的方式做出選擇。常用的方式包括有線調控、無線調控：前者強調通過物理線路傳輸信號，具有性能穩定和傳輸速度快的特點，適用于對數據傳輸時效性有嚴格要求的場景，但其局限性則體現在布線復雜方面——將其用于物理環境復雜、需要頻繁調整設備布局的場景中，不僅會提高布線難度，還會使布線成本大幅增加；后者則憑借著靈活性和敏捷性吸引了越來越多人的目光，該方式能夠消除物理線路的束縛，通過靈活部署及自由移動儀器儀表，解決布線需要消耗大量時間、投入較多成本的問題。實際應用中，可以根據現場情況科學選用調控方式，將外界因素對信號的影響降至最低，為信號傳輸的時效性提供保障。

（三）中控模塊

中控模塊主要負責集成控制計算機系統和對應系統端口，根據系統功能定位、控制量，綜合調控并下達任務，通過高效處理數據信息，確保生產任務在規定時間內完成。該模塊作為自控中心的核心，通常發揮著與大腦類似的作用，可以實時接收不同傳感器及執行器傳輸的數據信息，結合預設控制邏輯與算法，快速分析數據信息并制定決策，確保各系統都能夠及時獲得與實際情況相符的指令，通過協同運行，助力生產目標的實現。從某種程度上說，中控模塊憑借其在集成化和智能化方面的優點，有效解決了自控系統無法高效運行的問題，真正做到以生產需求為依據，靈活配置并充分利用系統資源。以石油化工為例，在該行業日常生產過程中，中控模塊可以實時監測現場溫度、壓力、流量等參數，根據參數變化對生產設備的運行狀態進行調整，使生產過程更加平穩且高效。此外，該模塊還具備故障診斷、預警功能，可以通過實時監測不同系統所處的運行狀態，及時發現異常情況并發出預警，如實告知用戶現場情況，由用戶采取恰當的措施加以處理。在降低事故發生概率的前提下，消除或減小設備故障給日常生產帶來的負面影響，使公司生產效率、經濟效益得到不同程度的提高。需要特別提出的是，近幾年，受技術發展影響，中控模塊的功能較之前變得更加完善：將云計算、大數據技術與該模塊結合，能夠賦予模塊遠程監控、智能分析等功能，為生產管理水平的提高助力；將該模塊接入既有的智能化設備，則可以通過提高管理工作的精準程度，使生產控制的價值得到最大化實現[8]。總之，中控模塊在自控系統中發揮著其他模塊無法替代的作用，可以憑借高度集成化、智能化等特點，顯著提高自控系統的運行效率。可以預見的是，在技術不斷進步的當下，中控模塊必將得到更加廣泛的運用，因此，對該模塊進行深入研究很有必要，這對模塊作用的發揮及價值的實現具有重大意義。

結語

自控作為現代工業極為重要的技術之一，強調通過預設程序及算法，精確調控生產過程，將其與儀器儀表相結合，既能夠提高測量結果的精準度、壓縮處理數據需要花費的時間，又可以使設備性能變得更加穩定。日常工作中，可嘗試引入通信技術，由此賦予儀器儀表遠程監控、診斷故障的功能，使其應用價值得到進一步提升。考慮到儀器儀表自控正朝著智能化、網絡化的方向發展，有關人員應該把目光聚焦于人工智能、物聯網等先進技術，增強設備在自主學習等方面的功能，在提高其響應速度的前提下，通過聯通其他設備，為打造智能工廠、智慧城市助力。

參考文獻：

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