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王永勝 （1972-）

男，山東諸城人，自動化碩士，化學工程博士，現(xiàn)任煙臺萬華化工設(shè)計院有限公司質(zhì)量技術(shù)部經(jīng)理，曾任煙臺萬華聚氨酯股份有限公司技術(shù)研究部儀表控制經(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研究工作。結(jié)合煙臺萬華多期技改工程項目，對于化工自動化儀表、閥門的選型和應用及國內(nèi)外多種DCS、PLC系統(tǒng)的選型、系統(tǒng)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，在闡述我國智能儀表的應用現(xiàn)狀及存在問題的基礎(chǔ)上，詳細列舉了三類問題成因（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)及其應用的未來發(fā)展方向提供了幾點參考建議。

     關(guān)鍵詞：智能儀表；應用現(xiàn)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)為特征的電動單元組合儀表、以數(shù)模混合技術(shù)為特征的DDZ-S系列儀表的開發(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，這標志著模擬儀表向數(shù)字化智能儀表的轉(zhuǎn)變。當時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，并告知用戶：盡管初期購置費用較高，但會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(xù)在一些生產(chǎn)線上被采用，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、用戶對于高精度監(jiān)控要求并不突出、培訓等服務機制相對薄弱，當時的智能應用并不樂觀，只占到了約20%的市場。

    隨著微電子、計算機、網(wǎng)絡和通訊技術(shù)的飛速發(fā)展以及綜合自動化程度的不斷提高，目前廣泛應用于工業(yè)自動化領(lǐng)域的智能儀表，其技術(shù)也同樣在過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(jù)了國際應用市場的絕大比重，如何結(jié)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發(fā)研究成為振興民族智能儀器儀表的一大突出問題。

1.2 智能儀表的優(yōu)勢和特點

    智能儀表在工業(yè)自動化領(lǐng)域的廣泛應用得益于其突出的技術(shù)優(yōu)勢和特點，諸如其高穩(wěn)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：

    （1） 精度高 

    智能變送器具有較高的精度。利用內(nèi)裝的微處理器，能夠?qū)崟r測量出靜壓、溫度變化對檢測元件的影響，通過數(shù)據(jù)處理，對非線性進行校正，對滯后及復現(xiàn)性進行補償，使得輸出信號更精確。一般情況，精度為最大量程的±0.1%，數(shù)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，依賴內(nèi)部微處理器和存儲器，可以執(zhí)行開方、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(guī)格，增強通用性和互換性，給用戶帶來諸多方便。

    （4） 通信功能強

    智能變送器均可實現(xiàn)手操器進行操作，既可在現(xiàn)場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上，進行零點及量程的調(diào)校及變更。有的變送器具有模擬量和數(shù)字量兩種輸出方式（如HART協(xié)議），為實現(xiàn)現(xiàn)場總線通訊奠定了基礎(chǔ)。

    （5） 完善的自診斷功能

    通過通信器可以查出變送器自診斷的故障結(jié)果信息。

    智能儀表建立在微電子技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)上，超大規(guī)模集成電路的嵌入，將CPU、存儲器、A/D轉(zhuǎn)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(xiàn)場總線的應用，智能儀表與控制系統(tǒng)之間的數(shù)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程中的衰減，長期難以解決的干擾問題得到解決。此外，由于數(shù)字通訊，節(jié)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)自動化應用現(xiàn)狀、存在問題及應對措施

2.1 我國智能儀表的工業(yè)自動化應用現(xiàn)狀

    隨著大規(guī)模工業(yè)化裝置對安全運行及自動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(tǒng)的應用普及、現(xiàn)場總線技術(shù)的快速發(fā)展、各種標準通訊協(xié)議的進一步開放和完善，促使智能儀表在工業(yè)自動化領(lǐng)域得到了更為廣泛和大規(guī)模的應用。

    首先，工業(yè)用戶對于能源及物耗成本的計量要求、控制精度的要求、減輕現(xiàn)場作業(yè)量（工藝操作和儀表維護）的要求無一例外的將擴大智能儀表的應用市場。

    此外，儀表行業(yè)的自身發(fā)展已經(jīng)趨于智能化。這一點無論是中國還是全球，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)智能化儀表無論是設(shè)計還是制造都明顯弱于國際先進水平，國內(nèi)工業(yè)自動化用戶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(xiàn)場總線的應用組合也還不多，這些現(xiàn)狀表明我國智能儀表的應用還只是處于一個初級階段，而由此也帶來了相對較多的應用問題。

2.2 智能儀表應用存在的問題及應對措施

    對智能儀表應用存在的問題進行歸納統(tǒng)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。在工業(yè)自動化系統(tǒng)的實際應用中，由于環(huán)境及人為因素所造成的問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(xiàn)為來自系統(tǒng)內(nèi)部和外部的各種干擾。具體來說，這些干擾源可劃分為：空間的電磁輻射、布線的干擾和控制系統(tǒng)內(nèi)部的干擾。上述干擾又通過以下途徑進入系統(tǒng)：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(shè)計環(huán)節(jié)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(wěn)定運行。具體從智能儀表的硬件和軟件設(shè)計兩大方面進行應對措施的考慮：

2.2.1.1 智能儀表硬件措施

    （1）半導體器件的選擇

    根據(jù)電器元件參數(shù)選擇合理器件以滿足系統(tǒng)性能要求；減少焊點數(shù)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(wěn)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(shè)計

    電源設(shè)計考慮交流電源濾波器及穩(wěn)壓器對電源變壓器進行屏蔽和隔離，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，配線時應盡量使信號線遠離強電線，以減少互感。信號電纜還可用金屬導線屏蔽或采用雙絞線。

    （4）多路模擬開關(guān)的選擇

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

    （5）放大器的選擇

    在微弱信號系統(tǒng)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(diào)電壓和高穩(wěn)定增益等特點；為防止共模干擾傳入系統(tǒng)可采用隔離放大器；在使用電阻傳感器時，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(zhuǎn)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(zhuǎn)換器的選擇

    逐次比較式A/D轉(zhuǎn)換器速度較高，但抗干擾能力差；雙積分A/D轉(zhuǎn)換器抗干擾能力強，具有較高的轉(zhuǎn)換精度，但轉(zhuǎn)換速度較低；V/F式A/D轉(zhuǎn)換器也具有較好的抗干擾性能，很好的線性度和高分辨率，但轉(zhuǎn)換速度也較低；余數(shù)反饋比較式A/D轉(zhuǎn)換器具有量化噪聲小、分辨率高的特點；而Σ-△式的A/D轉(zhuǎn)換器由于兼?zhèn)溆鄶?shù)反饋比較式和積分式的特征，具有轉(zhuǎn)換速度高、抗干擾能力強、量化噪聲小、分辨率高和線性度好等優(yōu)點，適于優(yōu)先選作智能儀表系統(tǒng)的A/D轉(zhuǎn)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(shù)字電路受到高速跳變電流作用時，會產(chǎn)生阻抗噪聲，需設(shè)置適宜的去耦電容；在數(shù)字電路的接口部分加入RC濾波環(huán)節(jié)以抑制輸入端的噪聲；存儲器布線考慮抗干擾設(shè)計；在總線上適當安裝上拉電阻以提高總線信號傳輸?shù)目煽啃浴?br />
    （9）鍵盤、顯示器單元的配置

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

2.2.1.2 智能儀表軟件措施

    （1）數(shù)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(shù)據(jù)冗余位

    為增加數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕舍槍χ匾臄?shù)據(jù)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(zhuǎn)向?qū)ｉT對程序出錯進行處理的程序，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(tǒng)工作狀態(tài)起重要作用的指令的后面，可重復寫上這些指令，以確保這些指令的正確執(zhí)行。

    （5）初始化

    泛指在各段程序中，對單片機片內(nèi)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的設(shè)置。這樣不僅保證上電或復位后軟件能夠正確地實現(xiàn)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(shè)定動作模式，以此來提高系統(tǒng)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(zhí)行。

    （7）“看門狗”技術(shù)

    采用“看門狗”技術(shù)實時監(jiān)控程序循環(huán)運行周期，若發(fā)現(xiàn)時間明顯超過預設(shè)的循環(huán)時間，則可認定系統(tǒng)陷入了“死循環(huán)”狀態(tài)，此時強制程序返回0000H入口，在該處設(shè)置一段異常錯誤處理程序，最終使系統(tǒng)重新納入正軌。

    （8）數(shù)據(jù)保護與恢復技術(shù)

    單片機在重新啟動后，應當首先執(zhí)行數(shù)據(jù)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(xiàn)為選型、安裝及使用維護不當所帶來的問題。所以，只要對癥下藥，做好選型、安裝及使用維護三個方面的工作，就可以從人為角度保障智能儀表的長周期可靠運行。

    （1）選型應對措施

    工業(yè)自動化應用實踐表明，智能儀表的故障率極低，較多故障來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，選型時的考慮重點是測量范圍是否合理、接液部分材質(zhì)是否滿足工藝介質(zhì)的腐蝕性要求、法蘭規(guī)格型號是否與工藝連接法蘭一致。

    （2）安裝應對措施

    舉例來說，實際應用中我們可能會遇到需要伴熱、但裝置現(xiàn)場附近又不具備保溫蒸汽氣源的取壓點，若采用電伴熱，運行成本又過高也不利安全。此時可以考慮就地安裝變送器，然后再結(jié)合簡單的保溫處理。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，但是變送器實際量程比過小，比如小于測量范圍的1/10，則實際測量精度將會大打折扣，從使用經(jīng)驗來看，建議使用設(shè)置時，儀表實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(xiàn)諸多問題，如安全柵壓降過大，整個回路電壓可能不足以支撐變送器正常工作；安全柵沒有本安接地，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)量問題。這種問題極其少見，只要選型得當，正確審查、評定與優(yōu)選供應商，這類問題基本上是容易避免的。

3 對于智能儀表技術(shù)及其應用未來發(fā)展方向的建議

3.1 智能儀表的智能化程度有待進一步提高

    智能儀表的智能化程度表征著其應用的廣度和深度，目前的智能儀表還只是處于一個較低水平的初級智能化階段，但某些特殊工藝及應用場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、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(chǔ)，這就意味著我們有必要也有能力結(jié)合具體的應用需要下大氣力開發(fā)高級智能化的儀表技術(shù)。

3.2 智能儀表的穩(wěn)定性、可靠性有待長期和持續(xù)的關(guān)注

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

3.3 智能儀表的潛在功能應用有待最大化

    目前工業(yè)自動化領(lǐng)域的實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(shù)左右，而這一應用現(xiàn)狀的主要原因是，控制系統(tǒng)的總體架構(gòu)忽略了諸如現(xiàn)場總線的技術(shù)優(yōu)勢，這需要儀表廠商與用戶建立良好的合作伙伴關(guān)系，加強長期合作，以短期投資促長期效益，通過建立“智能儀表+現(xiàn)場總線”的控制系統(tǒng)架構(gòu)，確立優(yōu)化的投資觀念，達成和諧共贏的目標。

3.4 繼續(xù)加大國內(nèi)智能儀表的開發(fā)投入

    智能儀表技術(shù)及應用還需要經(jīng)歷一個較為漫長的成熟發(fā)展期，而對于國內(nèi)智能儀表技術(shù)及產(chǎn)品開發(fā)已經(jīng)面臨著更大的挑戰(zhàn)，這種局面召喚著國內(nèi)儀表行業(yè)共同探討智能儀表的發(fā)展問題，應對激烈的國際競爭市場，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、研的密切結(jié)合，繼續(xù)加大國內(nèi)智能儀表的開發(fā)投入，積聚力量，贏在明天！