王永勝 （1972-）

男，山東諸城人，自動(dòng)化碩士，化學(xué)工程博士，現任煙臺萬(wàn)華化工設計院有限公司質(zhì)量技術(shù)部經(jīng)理，曾任煙臺萬(wàn)華聚氨酯股份有限公司技術(shù)研究部?jì)x表控制經(jīng)理。曾承擔國家CIMS課題的研究工作，在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )建模及應用、預測控制理論及應用等前沿性課題方面均做過(guò)研究工作。結合煙臺萬(wàn)華多期技改工程項目，對于化工自動(dòng)化儀表、閥門(mén)的選型和應用及國內外多種DCS、PLC系統的選型、系統組態(tài)、維護及管理工作有較為豐富的工程經(jīng)驗。





摘要：概述了智能儀表的發(fā)展歷程及技術(shù)特點(diǎn)，在闡述我國智能儀表的應用現狀及存在問(wèn)題的基礎上，詳細列舉了三類(lèi)問(wèn)題成因（環(huán)境因素、人為因素和自身因素）的應對措施，并針對智能儀表技術(shù)及其應用的未來(lái)發(fā)展方向提供了幾點(diǎn)參考建議。

關(guān)鍵詞：智能儀表；應用現狀；應對措施；發(fā)展方向

1 智能儀表發(fā)展歷程及其技術(shù)優(yōu)勢

1.1 智能儀表及其技術(shù)的發(fā)展歷程

    歷經(jīng)以模擬技術(shù)為特征的電動(dòng)單元組合儀表、以數?；旌霞夹g(shù)為特征的DDZ-S系列儀表的開(kāi)發(fā)后，1983年，美國霍尼韋爾公司向制造工業(yè)率先推出了新一代智能型壓力變送器，這標志著(zhù)模擬儀表向數字化智能儀表的轉變。當時(shí)的這種智能變送器已具有高精度、遠距離校驗和靈活組態(tài)的特點(diǎn)，并告知用戶(hù)：盡管初期購置費用較高，但會(huì )被較低的運行和維護費用所補償。緊隨其后的十年里，國外其他公司的智能壓力變送器也陸續在一些生產(chǎn)線(xiàn)上被采用，它們包括：Rosemount、Foxboro、YOKOGAWA、Siemens、E&H、Bailey、Fuji和ABB等。但由于缺少高速的智能通訊標準、用戶(hù)對于高精度監控要求并不突出、培訓等服務(wù)機制相對薄弱，當時(shí)的智能應用并不樂(lè )觀(guān)，只占到了約20%的市場(chǎng)。

    隨著(zhù)微電子、計算機、網(wǎng)絡(luò )和通訊技術(shù)的飛速發(fā)展以及綜合自動(dòng)化程度的不斷提高，目前廣泛應用于工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的智能儀表，其技術(shù)也同樣在過(guò)去的二十多年里得到了迅猛的發(fā)展。目前國外智能儀表占據了國際應用市場(chǎng)的絕大比重，如何結合目前智能儀表的工業(yè)應用經(jīng)驗并快速跟蹤國際智能前沿技術(shù)應用于我國智能儀表的開(kāi)發(fā)研究成為振興民族智能儀器儀表的一大突出問(wèn)題。

1.2 智能儀表的優(yōu)勢和特點(diǎn)

    智能儀表在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的廣泛應用得益于其突出的技術(shù)優(yōu)勢和特點(diǎn)，諸如其高穩定性、高可靠性、高精度、易維護性。以智能變送器為例，智能儀表具備如下優(yōu)點(diǎn)：

    （1） 精度高 

    智能變送器具有較高的精度。利用內裝的微處理器，能夠實(shí)時(shí)測量出靜壓、溫度變化對檢測元件的影響，通過(guò)數據處理，對非線(xiàn)性進(jìn)行校正，對滯后及復現性進(jìn)行補償，使得輸出信號更精確。一般情況，精度為最大量程的±0.1%，數字信號可達±0.075%。

    （2） 功能強

    智能變送器具有多種復雜的運算功能，依賴(lài)內部微處理器和存儲器，可以執行開(kāi)方、溫度壓力補償及各種復雜的運算。

    （3） 測量范圍寬

    普通變送器的量程比最大為10:1，而智能變送器可達40:1或100:1，遷移量可達1900%和-200%，減少變送器的規格，增強通用性和互換性，給用戶(hù)帶來(lái)諸多方便。

    （4） 通信功能強

    智能變送器均可實(shí)現手操器進(jìn)行操作，既可在現場(chǎng)將手操器插到變送器的相應插孔，也可以在控制室將手操器連接到變送器的信號線(xiàn)上，進(jìn)行零點(diǎn)及量程的調校及變更。有的變送器具有模擬量和數字量?jì)煞N輸出方式（如HART協(xié)議），為實(shí)現現場(chǎng)總線(xiàn)通訊奠定了基礎。

    （5） 完善的自診斷功能

    通過(guò)通信器可以查出變送器自診斷的故障結果信息。

    智能儀表建立在微電子技術(shù)發(fā)展的基礎上，超大規模集成電路的嵌入，將CPU、存儲器、A/D轉換、輸入/輸出等功能集成在一塊芯片上，甚至將PID控制組件也置入其中。加之現場(chǎng)總線(xiàn)的應用，智能儀表與控制系統之間的數字通訊將替代以往的模擬傳遞，大大提高了精度和可靠性，避免了模擬信號在傳輸過(guò)程中的衰減，長(cháng)期難以解決的干擾問(wèn)題得到解決。此外，由于數字通訊，節省了大量電纜、安裝材料和安裝費用。

2 我國智能儀表工業(yè)自動(dòng)化應用現狀、存在問(wèn)題及應對措施

2.1 我國智能儀表的工業(yè)自動(dòng)化應用現狀

    隨著(zhù)大規模工業(yè)化裝置對安全運行及自動(dòng)化控制水平要求的不斷提高，尤其是上世紀90年代后期DCS系統的應用普及、現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的快速發(fā)展、各種標準通訊協(xié)議的進(jìn)一步開(kāi)放和完善，促使智能儀表在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域得到了更為廣泛和大規模的應用。

    首先，工業(yè)用戶(hù)對于能源及物耗成本的計量要求、控制精度的要求、減輕現場(chǎng)作業(yè)量（工藝操作和儀表維護）的要求無(wú)一例外的將擴大智能儀表的應用市場(chǎng)。

    此外，儀表行業(yè)的自身發(fā)展已經(jīng)趨于智能化。這一點(diǎn)無(wú)論是中國還是全球，儀表產(chǎn)品的高科技化、高智能化已經(jīng)成為必然的發(fā)展趨勢。

    相比之下，國產(chǎn)智能化儀表無(wú)論是設計還是制造都明顯弱于國際先進(jìn)水平，國內工業(yè)自動(dòng)化用戶(hù)在智能儀表的使用經(jīng)驗方面也相對積累較晚、較少，智能儀表與現場(chǎng)總線(xiàn)的應用組合也還不多，這些現狀表明我國智能儀表的應用還只是處于一個(gè)初級階段，而由此也帶來(lái)了相對較多的應用問(wèn)題。

2.2 智能儀表應用存在的問(wèn)題及應對措施

    對智能儀表應用存在的問(wèn)題進(jìn)行歸納統計，按其成因大致可分為環(huán)境因素、人為因素和自身因素三大類(lèi)。在工業(yè)自動(dòng)化系統的實(shí)際應用中，由于環(huán)境及人為因素所造成的問(wèn)題占應用故障的絕大比重。

2.2.1 環(huán)境因素及應對措施

    環(huán)境因素主要表現為來(lái)自系統內部和外部的各種干擾。具體來(lái)說(shuō)，這些干擾源可劃分為：空間的電磁輻射、布線(xiàn)的干擾和控制系統內部的干擾。上述干擾又通過(guò)以下途徑進(jìn)入系統：電源、輸入端子、輸出端子和空間輻射。

    智能儀表工作環(huán)境復雜、惡劣，應用空間存在各種干擾，在設計環(huán)節應當綜合考慮各種可能因素，確定干擾性質(zhì)，采取相應的抗干擾措施，合理有效地抑制干擾，使其高可靠地穩定運行。具體從智能儀表的硬件和軟件設計兩大方面進(jìn)行應對措施的考慮：

2.2.1.1 智能儀表硬件措施

    （1）半導體器件的選擇

    根據電器元件參數選擇合理器件以滿(mǎn)足系統性能要求；減少焊點(diǎn)數量以降低接觸不良故障；選用高集成度的電路，少用分立元器件；選擇溫漂小穩定性好的元器件；選用抗干擾性能好的元器件抑制干擾。

    （2）電源設計

    電源設計考慮交流電源濾波器及穩壓器對電源變壓器進(jìn)行屏蔽和隔離，利用壓敏電阻吸收浪涌電壓。在供電質(zhì)量要求較高的情況下，可采用瞬變電壓抑制器TVS等方法。

    （3）外部噪聲源抑制

    對于靜電感應噪聲，可在信號線(xiàn)或箱體上包附一層金屬導體屏蔽層并做好接地；對于電磁感應噪聲，配線(xiàn)時(shí)應盡量使信號線(xiàn)遠離強電線(xiàn)，以減少互感。信號電纜還可用金屬導線(xiàn)屏蔽或采用雙絞線(xiàn)。

    （4）多路模擬開(kāi)關(guān)的選擇

    多個(gè)輸入信號經(jīng)多路轉換器接至放大器或A/D轉換器的方法通常采用抗干擾較強的差動(dòng)接法，在多路轉換器輸出端與放大器之間接一個(gè)采樣保持器電路，或用軟件延時(shí)的辦法進(jìn)行延時(shí)采樣。

    （5）放大器的選擇

    在微弱信號系統中選擇測量放大器用作前置放大器，它具有高輸入阻抗、低輸出阻抗、抗共模干擾能力強、低溫漂、低失調電壓和高穩定增益等特點(diǎn)；為防止共模干擾傳入系統可采用隔離放大器；在使用電阻傳感器時(shí)，可選用具有放大、濾波、激勵功能的2B30/2B31模塊；為提高測量范圍和測量精度，可選擇程控放大器。

    （6）采樣保持器的選擇

    采樣保持器電路具有采樣和保持兩種狀態(tài)，其作用是保持A/D轉換期間輸入信號不變。采樣保持器中的采樣電容對電路精度有著(zhù)直接影響，最好采用感應吸收小、漏電小的聚苯乙烯電容或聚四氟乙烯電容。

    （7）A/D轉換器的選擇

    逐次比較式A/D轉換器速度較高，但抗干擾能力差；雙積分A/D轉換器抗干擾能力強，具有較高的轉換精度，但轉換速度較低；V/F式A/D轉換器也具有較好的抗干擾性能，很好的線(xiàn)性度和高分辨率，但轉換速度也較低；余數反饋比較式A/D轉換器具有量化噪聲小、分辨率高的特點(diǎn)；而Σ-△式的A/D轉換器由于兼備余數反饋比較式和積分式的特征，具有轉換速度高、抗干擾能力強、量化噪聲小、分辨率高和線(xiàn)性度好等優(yōu)點(diǎn)，適于優(yōu)先選作智能儀表系統的A/D轉換器。

    （8）主機單元的配置

    主機單元/微處理器是智能儀表的核心，其性能的好壞直接影響到智能儀表的工作質(zhì)量。當數字電路受到高速跳變電流作用時(shí)，會(huì )產(chǎn)生阻抗噪聲，需設置適宜的去耦電容；在數字電路的接口部分加入RC濾波環(huán)節以抑制輸入端的噪聲；存儲器布線(xiàn)考慮抗干擾設計；在總線(xiàn)上適當安裝上拉電阻以提高總線(xiàn)信號傳輸的可靠性。

    （9）鍵盤(pán)、顯示器單元的配置

    優(yōu)先選用柔性鍵盤(pán)，其最大的特點(diǎn)是防塵、防潮、耐蝕、外在美觀(guān)、裝嵌方便；智能儀表優(yōu)先選用LED顯示器，但由于其動(dòng)態(tài)電流大，在供電設計上應采取足夠的去耦措施，即在LED驅動(dòng)器電源輸入端并接大電容濾波器以防誤動(dòng)作。

2.2.1.2 智能儀表軟件措施

    （1）數字濾波技術(shù)

    通常采用的方法有：算術(shù)平均法、中值法、抑制脈沖算術(shù)平均法、一階慣性濾波法、程序判斷濾波法和遞推平均濾波法等。

    （2）添加數據冗余位

    為增加數據傳輸的可靠性，可針對重要的數據添加冗余位，增強檢測和糾錯能力。

    （3）軟件陷阱

    即是采用引導指令強行將捕獲到的亂飛程序引向復位入口地址，在此處將程序轉向專(zhuān)門(mén)對程序出錯進(jìn)行處理的程序，使程序納入正軌。

    （4）重要指令冗余
 
    對程序流向起決定作用的指令和某些對系統工作狀態(tài)起重要作用的指令的后面，可重復寫(xiě)上這些指令，以確保這些指令的正確執行。

    （5）初始化

    泛指在各段程序中，對單片機片內外擴展器件的各種功能、端口或者方式、狀態(tài)等采取的永久的或臨時(shí)的設置。這樣不僅保證上電或復位后軟件能夠正確地實(shí)現各種級別的初始化，而在程序中每次使用某種功能前，都要再一次對響應的控制寄存器設定動(dòng)作模式，以此來(lái)提高系統對入侵干擾的自恢復性能。

    （6）NOP的使用

    在擔負重要作用的指令前插入兩條NOP指令，可保證亂飛程序迅速納入軌道，確保這些指令的正確執行。

    （7）“看門(mén)狗”技術(shù)

    采用“看門(mén)狗”技術(shù)實(shí)時(shí)監控程序循環(huán)運行周期，若發(fā)現時(shí)間明顯超過(guò)預設的循環(huán)時(shí)間，則可認定系統陷入了“死循環(huán)”狀態(tài)，此時(shí)強制程序返回0000H入口，在該處設置一段異常錯誤處理程序，最終使系統重新納入正軌。

    （8）數據保護與恢復技術(shù)

    單片機在重新啟動(dòng)后，應當首先執行數據恢復程序，將控制端口等重要寄存器受保護的信息恢復還原。

2.2.2 人為因素及應對措施

    人為因素主要表現為選型、安裝及使用維護不當所帶來(lái)的問(wèn)題。所以，只要對癥下藥，做好選型、安裝及使用維護三個(gè)方面的工作，就可以從人為角度保障智能儀表的長(cháng)周期可靠運行。

    （1）選型應對措施

    工業(yè)自動(dòng)化應用實(shí)踐表明，智能儀表的故障率極低，較多故障來(lái)源于儀表的選型偏差，這就需要慎重考慮測量介質(zhì)的具體情況。以智能變送器為例，選型時(shí)的考慮重點(diǎn)是測量范圍是否合理、接液部分材質(zhì)是否滿(mǎn)足工藝介質(zhì)的腐蝕性要求、法蘭規格型號是否與工藝連接法蘭一致。

    （2）安裝應對措施

    舉例來(lái)說(shuō)，實(shí)際應用中我們可能會(huì )遇到需要伴熱、但裝置現場(chǎng)附近又不具備保溫蒸汽氣源的取壓點(diǎn)，若采用電伴熱，運行成本又過(guò)高也不利安全。此時(shí)可以考慮就地安裝變送器，然后再結合簡(jiǎn)單的保溫處理。能夠采取這種方案的理由如下：一是智能變送器防護等級已達到IP67允許露天安裝，二是變送器型號齊全，可以選擇體積小、重量輕的外螺紋接口的智能壓力變送器。

    （3）使用維護應對措施

    目前智能變送器的精度大多都可達到±0.075%甚至±0.05%，量程比可達到40:1或100:1，但是變送器實(shí)際量程比過(guò)小，比如小于測量范圍的1/10，則實(shí)際測量精度將會(huì )大打折扣，從使用經(jīng)驗來(lái)看，建議使用設置時(shí)，儀表實(shí)際量程應大于測量范圍的1/5。

    智能變送器要求使用與之配套的安全柵，當使用未取得與其配套許可的安全善后，就可能出現諸多問(wèn)題，如安全柵壓降過(guò)大，整個(gè)回路電壓可能不足以支撐變送器正常工作；安全柵沒(méi)有本安接地，造成大的共模干擾信號，導致智能變送器工作異常等。

2.2.3 自身因素及應對措施

    自身因素即是指智能儀表本身的質(zhì)量問(wèn)題。這種問(wèn)題極其少見(jiàn)，只要選型得當，正確審查、評定與優(yōu)選供應商，這類(lèi)問(wèn)題基本上是容易避免的。

3 對于智能儀表技術(shù)及其應用未來(lái)發(fā)展方向的建議

3.1 智能儀表的智能化程度有待進(jìn)一步提高

    智能儀表的智能化程度表征著(zhù)其應用的廣度和深度，目前的智能儀表還只是處于一個(gè)較低水平的初級智能化階段，但某些特殊工藝及應用場(chǎng)合則對儀表的智能化提出了較高的要求，而當前的智能化理論，如：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )、遺傳算法、小波理論、混沌理論等已經(jīng)具備潛在的應用基礎，這就意味著(zhù)我們有必要也有能力結合具體的應用需要下大氣力開(kāi)發(fā)高級智能化的儀表技術(shù)。

3.2 智能儀表的穩定性、可靠性有待長(cháng)期和持續的關(guān)注

    儀表運行的穩定性、可靠性是用戶(hù)首要關(guān)心的問(wèn)題，智能儀表也不例外，隨著(zhù)智能儀表技術(shù)的不斷拓展、新型的智能儀表也將陸續投放市場(chǎng)，這需要我們始終把握一個(gè)原則：每一項智能新技術(shù)的應用有待實(shí)踐的檢驗，是否用戶(hù)有信心和勇氣敢于做“第一個(gè)吃螃蟹的人”。這就需要安全性、可靠性技術(shù)的并行開(kāi)發(fā)。

3.3 智能儀表的潛在功能應用有待最大化

    目前工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的實(shí)際應用尚未將智能儀表的功能發(fā)揮最大化，而更多的只是應用了其總體功能的半數左右，而這一應用現狀的主要原因是，控制系統的總體架構忽略了諸如現場(chǎng)總線(xiàn)的技術(shù)優(yōu)勢，這需要儀表廠(chǎng)商與用戶(hù)建立良好的合作伙伴關(guān)系，加強長(cháng)期合作，以短期投資促長(cháng)期效益，通過(guò)建立“智能儀表+現場(chǎng)總線(xiàn)”的控制系統架構，確立優(yōu)化的投資觀(guān)念，達成和諧共贏(yíng)的目標。

3.4 繼續加大國內智能儀表的開(kāi)發(fā)投入

    智能儀表技術(shù)及應用還需要經(jīng)歷一個(gè)較為漫長(cháng)的成熟發(fā)展期，而對于國內智能儀表技術(shù)及產(chǎn)品開(kāi)發(fā)已經(jīng)面臨著(zhù)更大的挑戰，這種局面召喚著(zhù)國內儀表行業(yè)共同探討智能儀表的發(fā)展問(wèn)題，應對激烈的國際競爭市場(chǎng)，擔負儀表產(chǎn)業(yè)的歷史使命，在日益優(yōu)厚的國家及政府扶持政策下，堅持產(chǎn)、學(xué)、研的密切結合，繼續加大國內智能儀表的開(kāi)發(fā)投入，積聚力量，贏(yíng)在明天！