智能仪表技术及工业自动化应用发展探讨--控制网



智能仪表技术及工业自动化应用发展探讨
企业：控制网 日期：2009-07-11
领域：仪器仪表 点击数：1670
王永胜 （1972-）

男，山东诸城人，自动化硕士，化学工程博士，现任烟台万华化工设计院有限公司质量技术部经理，曾任烟台万华聚氨酯股份有限公司技术研究部仪表控制经理。曾承担国家CIMS课题的研究工作，在神经网络建模及应用、预测控制理论及应用等前沿性课题方面均做过研究工作。结合烟台万华多期技改工程项目，对于化工自动化仪表、阀门的选型和应用及国内外多种DCS、PLC系统的选型、系统组态、维护及管理工作有较为丰富的工程经验。

     摘要：概述了智能仪表的发展历程及技术特点，在阐述我国智能仪表的应用现状及存在问题的基础上，详细列举了三类问题成因（环境因素、人为因素和自身因素）的应对措施，并针对智能仪表技术及其应用的未来发展方向提供了几点参考建议。

     关键词：智能仪表；应用现状；应对措施；发展方向

1 智能仪表发展历程及其技术优势

1.1 智能仪表及其技术的发展历程

    历经以模拟技术为特征的电动单元组合仪表、以数模混合技术为特征的DDZ-S系列仪表的开发后，1983年，美国霍尼韦尔公司向制造工业率先推出了新一代智能型压力变送器，这标志着模拟仪表向数字化智能仪表的转变。当时的这种智能变送器已具有高精度、远距离校验和灵活组态的特点，并告知用户：尽管初期购置费用较高，但会被较低的运行和维护费用所补偿。紧随其后的十年里，国外其他公司的智能压力变送器也陆续在一些生产线上被采用，它们包括：Rosemount、Foxboro、YOKOGAWA、Siemens、E&H、Bailey、Fuji和ABB等。但由于缺少高速的智能通讯标准、用户对于高精度监控要求并不突出、培训等服务机制相对薄弱，当时的智能应用并不乐观，只占到了约20%的市场。

    随着微电子、计算机、网络和通讯技术的飞速发展以及综合自动化程度的不断提高，目前广泛应用于工业自动化领域的智能仪表，其技术也同样在过去的二十多年里得到了迅猛的发展。目前国外智能仪表占据了国际应用市场的绝大比重，如何结合目前智能仪表的工业应用经验并快速跟踪国际智能前沿技术应用于我国智能仪表的开发研究成为振兴民族智能仪器仪表的一大突出问题。

1.2 智能仪表的优势和特点

    智能仪表在工业自动化领域的广泛应用得益于其突出的技术优势和特点，诸如其高稳定性、高可靠性、高精度、易维护性。以智能变送器为例，智能仪表具备如下优点：

    （1） 精度高 

    智能变送器具有较高的精度。利用内装的微处理器，能够实时测量出静压、温度变化对检测元件的影响，通过数据处理，对非线性进行校正，对滞后及复现性进行补偿，使得输出信号更精确。一般情况，精度为最大量程的±0.1%，数字信号可达±0.075%。

    （2） 功能强

    智能变送器具有多种复杂的运算功能，依赖内部微处理器和存储器，可以执行开方、温度压力补偿及各种复杂的运算。

    （3） 测量范围宽

    普通变送器的量程比最大为10:1，而智能变送器可达40:1或100:1，迁移量可达1900%和-200%，减少变送器的规格，增强通用性和互换性，给用户带来诸多方便。

    （4） 通信功能强

    智能变送器均可实现手操器进行操作，既可在现场将手操器插到变送器的相应插孔，也可以在控制室将手操器连接到变送器的信号线上，进行零点及量程的调校及变更。有的变送器具有模拟量和数字量两种输出方式（如HART协议），为实现现场总线通讯奠定了基础。

    （5） 完善的自诊断功能

    通过通信器可以查出变送器自诊断的故障结果信息。

    智能仪表建立在微电子技术发展的基础上，超大规模集成电路的嵌入，将CPU、存储器、A/D转换、输入/输出等功能集成在一块芯片上，甚至将PID控制组件也置入其中。加之现场总线的应用，智能仪表与控制系统之间的数字通讯将替代以往的模拟传递，大大提高了精度和可靠性，避免了模拟信号在传输过程中的衰减，长期难以解决的干扰问题得到解决。此外，由于数字通讯，节省了大量电缆、安装材料和安装费用。

2 我国智能仪表工业自动化应用现状、存在问题及应对措施

2.1 我国智能仪表的工业自动化应用现状

    随着大规模工业化装置对安全运行及自动化控制水平要求的不断提高，尤其是上世纪90年代后期DCS系统的应用普及、现场总线技术的快速发展、各种标准通讯协议的进一步开放和完善，促使智能仪表在工业自动化领域得到了更为广泛和大规模的应用。

    首先，工业用户对于能源及物耗成本的计量要求、控制精度的要求、减轻现场作业量（工艺操作和仪表维护）的要求无一例外的将扩大智能仪表的应用市场。

    此外，仪表行业的自身发展已经趋于智能化。这一点无论是中国还是全球，仪表产品的高科技化、高智能化已经成为必然的发展趋势。

    相比之下，国产智能化仪表无论是设计还是制造都明显弱于国际先进水平，国内工业自动化用户在智能仪表的使用经验方面也相对积累较晚、较少，智能仪表与现场总线的应用组合也还不多，这些现状表明我国智能仪表的应用还只是处于一个初级阶段，而由此也带来了相对较多的应用问题。

2.2 智能仪表应用存在的问题及应对措施

    对智能仪表应用存在的问题进行归纳统计，按其成因大致可分为环境因素、人为因素和自身因素三大类。在工业自动化系统的实际应用中，由于环境及人为因素所造成的问题占应用故障的绝大比重。

2.2.1 环境因素及应对措施

    环境因素主要表现为来自系统内部和外部的各种干扰。具体来说，这些干扰源可划分为：空间的电磁辐射、布线的干扰和控制系统内部的干扰。上述干扰又通过以下途径进入系统：电源、输入端子、输出端子和空间辐射。

    智能仪表工作环境复杂、恶劣，应用空间存在各种干扰，在设计环节应当综合考虑各种可能因素，确定干扰性质，采取相应的抗干扰措施，合理有效地抑制干扰，使其高可靠地稳定运行。具体从智能仪表的硬件和软件设计两大方面进行应对措施的考虑：

2.2.1.1 智能仪表硬件措施

    （1）半导体器件的选择

    根据电器元件参数选择合理器件以满足系统性能要求；减少焊点数量以降低接触不良故障；选用高集成度的电路，少用分立元器件；选择温漂小稳定性好的元器件；选用抗干扰性能好的元器件抑制干扰。

    （2）电源设计

    电源设计考虑交流电源滤波器及稳压器对电源变压器进行屏蔽和隔离，利用压敏电阻吸收浪涌电压。在供电质量要求较高的情况下，可采用瞬变电压抑制器TVS等方法。

    （3）外部噪声源抑制

    对于静电感应噪声，可在信号线或箱体上包附一层金属导体屏蔽层并做好接地；对于电磁感应噪声，配线时应尽量使信号线远离强电线，以减少互感。信号电缆还可用金属导线屏蔽或采用双绞线。

    （4）多路模拟开关的选择

    多个输入信号经多路转换器接至放大器或A/D转换器的方法通常采用抗干扰较强的差动接法，在多路转换器输出端与放大器之间接一个采样保持器电路，或用软件延时的办法进行延时采样。

    （5）放大器的选择

    在微弱信号系统中选择测量放大器用作前置放大器，它具有高输入阻抗、低输出阻抗、抗共模干扰能力强、低温漂、低失调电压和高稳定增益等特点；为防止共模干扰传入系统可采用隔离放大器；在使用电阻传感器时，可选用具有放大、滤波、激励功能的2B30/2B31模块；为提高测量范围和测量精度，可选择程控放大器。

    （6）采样保持器的选择

    采样保持器电路具有采样和保持两种状态，其作用是保持A/D转换期间输入信号不变。采样保持器中的采样电容对电路精度有着直接影响，最好采用感应吸收小、漏电小的聚苯乙烯电容或聚四氟乙烯电容。

    （7）A/D转换器的选择

    逐次比较式A/D转换器速度较高，但抗干扰能力差；双积分A/D转换器抗干扰能力强，具有较高的转换精度，但转换速度较低；V/F式A/D转换器也具有较好的抗干扰性能，很好的线性度和高分辨率，但转换速度也较低；余数反馈比较式A/D转换器具有量化噪声小、分辨率高的特点；而Σ-△式的A/D转换器由于兼备余数反馈比较式和积分式的特征，具有转换速度高、抗干扰能力强、量化噪声小、分辨率高和线性度好等优点，适于优先选作智能仪表系统的A/D转换器。

    （8）主机单元的配置

    主机单元/微处理器是智能仪表的核心，其性能的好坏直接影响到智能仪表的工作质量。当数字电路受到高速跳变电流作用时，会产生阻抗噪声，需设置适宜的去耦电容；在数字电路的接口部分加入RC滤波环节以抑制输入端的噪声；存储器布线考虑抗干扰设计；在总线上适当安装上拉电阻以提高总线信号传输的可靠性。

    （9）键盘、显示器单元的配置

    优先选用柔性键盘，其最大的特点是防尘、防潮、耐蚀、外在美观、装嵌方便；智能仪表优先选用LED显示器，但由于其动态电流大，在供电设计上应采取足够的去耦措施，即在LED驱动器电源输入端并接大电容滤波器以防误动作。

2.2.1.2 智能仪表软件措施

    （1）数字滤波技术

    通常采用的方法有：算术平均法、中值法、抑制脉冲算术平均法、一阶惯性滤波法、程序判断滤波法和递推平均滤波法等。

    （2）添加数据冗余位

    为增加数据传输的可靠性，可针对重要的数据添加冗余位，增强检测和纠错能力。

    （3）软件陷阱

    即是采用引导指令强行将捕获到的乱飞程序引向复位入口地址，在此处将程序转向专门对程序出错进行处理的程序，使程序纳入正轨。

    （4）重要指令冗余
 
    对程序流向起决定作用的指令和某些对系统工作状态起重要作用的指令的后面，可重复写上这些指令，以确保这些指令的正确执行。

    （5）初始化

    泛指在各段程序中，对单片机片内外扩展器件的各种功能、端口或者方式、状态等采取的永久的或临时的设置。这样不仅保证上电或复位后软件能够正确地实现各种级别的初始化，而在程序中每次使用某种功能前，都要再一次对响应的控制寄存器设定动作模式，以此来提高系统对入侵干扰的自恢复性能。

    （6）NOP的使用

    在担负重要作用的指令前插入两条NOP指令，可保证乱飞程序迅速纳入轨道，确保这些指令的正确执行。

    （7）“看门狗”技术

    采用“看门狗”技术实时监控程序循环运行周期，若发现时间明显超过预设的循环时间，则可认定系统陷入了“死循环”状态，此时强制程序返回0000H入口，在该处设置一段异常错误处理程序，最终使系统重新纳入正轨。

    （8）数据保护与恢复技术

    单片机在重新启动后，应当首先执行数据恢复程序，将控制端口等重要寄存器受保护的信息恢复还原。

2.2.2 人为因素及应对措施

    人为因素主要表现为选型、安装及使用维护不当所带来的问题。所以，只要对症下药，做好选型、安装及使用维护三个方面的工作，就可以从人为角度保障智能仪表的长周期可靠运行。

    （1）选型应对措施

    工业自动化应用实践表明，智能仪表的故障率极低，较多故障来源于仪表的选型偏差，这就需要慎重考虑测量介质的具体情况。以智能变送器为例，选型时的考虑重点是测量范围是否合理、接液部分材质是否满足工艺介质的腐蚀性要求、法兰规格型号是否与工艺连接法兰一致。

    （2）安装应对措施

    举例来说，实际应用中我们可能会遇到需要伴热、但装置现场附近又不具备保温蒸汽气源的取压点，若采用电伴热，运行成本又过高也不利安全。此时可以考虑就地安装变送器，然后再结合简单的保温处理。能够采取这种方案的理由如下：一是智能变送器防护等级已达到IP67允许露天安装，二是变送器型号齐全，可以选择体积小、重量轻的外螺纹接口的智能压力变送器。

    （3）使用维护应对措施

    目前智能变送器的精度大多都可达到±0.075%甚至±0.05%，量程比可达到40:1或100:1，但是变送器实际量程比过小，比如小于测量范围的1/10，则实际测量精度将会大打折扣，从使用经验来看，建议使用设置时，仪表实际量程应大于测量范围的1/5。

    智能变送器要求使用与之配套的安全栅，当使用未取得与其配套许可的安全善后，就可能出现诸多问题，如安全栅压降过大，整个回路电压可能不足以支撑变送器正常工作；安全栅没有本安接地，造成大的共模干扰信号，导致智能变送器工作异常等。

2.2.3 自身因素及应对措施

    自身因素即是指智能仪表本身的质量问题。这种问题极其少见，只要选型得当，正确审查、评定与优选供应商，这类问题基本上是容易避免的。

3 对于智能仪表技术及其应用未来发展方向的建议

3.1 智能仪表的智能化程度有待进一步提高

    智能仪表的智能化程度表征着其应用的广度和深度，目前的智能仪表还只是处于一个较低水平的初级智能化阶段，但某些特殊工艺及应用场合则对仪表的智能化提出了较高的要求，而当前的智能化理论，如：神经网络、遗传算法、小波理论、混沌理论等已经具备潜在的应用基础，这就意味着我们有必要也有能力结合具体的应用需要下大气力开发高级智能化的仪表技术。

3.2 智能仪表的稳定性、可靠性有待长期和持续的关注

    仪表运行的稳定性、可靠性是用户首要关心的问题，智能仪表也不例外，随着智能仪表技术的不断拓展、新型的智能仪表也将陆续投放市场，这需要我们始终把握一个原则：每一项智能新技术的应用有待实践的检验，是否用户有信心和勇气敢于做“第一个吃螃蟹的人”。这就需要安全性、可靠性技术的并行开发。

3.3 智能仪表的潜在功能应用有待最大化

    目前工业自动化领域的实际应用尚未将智能仪表的功能发挥最大化，而更多的只是应用了其总体功能的半数左右，而这一应用现状的主要原因是，控制系统的总体架构忽略了诸如现场总线的技术优势，这需要仪表厂商与用户建立良好的合作伙伴关系，加强长期合作，以短期投资促长期效益，通过建立“智能仪表+现场总线”的控制系统架构，确立优化的投资观念，达成和谐共赢的目标。

3.4 继续加大国内智能仪表的开发投入

    智能仪表技术及应用还需要经历一个较为漫长的成熟发展期，而对于国内智能仪表技术及产品开发已经面临着更大的挑战，这种局面召唤着国内仪表行业共同探讨智能仪表的发展问题，应对激烈的国际竞争市场，担负仪表产业的历史使命，在日益优厚的国家及政府扶持政策下，坚持产、学、研的密切结合，继续加大国内智能仪表的开发投入，积聚力量，赢在明天！
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