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智能仪表
点击次数:485 发布时间:2018-09-08

1  智能仪表的概念

    微型计算机技术和嵌入式系统的迅速发展,引起了仪器仪表结构的根本性变革,即以微型计算机为主体,代替传统仪表的常规电子线路,成为新一代具有某种智能的灵巧仪表。这类仪表的设计重点,己经从模拟和逻辑电路的设计转向专用的微机模板或微机功能部件、接口电路和输入输出通道的设计,以及应用软件的开发。传统模拟式仪表的各种功能是由单元电路实现的,而在以单片机或嵌入式系统为主体的仪表中,则由编程软件、各种特殊而复杂的功能模块、简化的用户组态编程功能以及各种典型应用的控制策略包等模块组成的软件,来完成众多的数据处理和控制任务。

    智能仪表将计算机技术,自动控制技术和测量技术等综合应用于仪器仪表的设计中,从而使仪器仪表体积更小,功能增强,它所具有的软件功能更意味着可以将人工智能嵌入其中。与一般的仪器仪表相比,智能仪表所具有的功能特点主要体现在:

    (1)在测量过程中可实现软件控制。将计算机技术应用于仪器仪表,一方面可简化硬件的结构,提高仪器仪表的自动化程度;另一方面可以通过软件的编程,来实现仪器仪表的多种不同功能。

    (2)可对测量数据进行相应的处理。智能仪表突出的特点就是能够对测量数据进行存储和运算,主要表现在改进测量结果的度以及对结果的后续加工两个方面。

    (3)能够实现多种功能。单片机的介入使智能仪表一机多用的多功能化得以实现,通过测量过程的的软件控制以及数据处理能力,能够实现诸如故障自动诊断,量程自动切换,图形显示以及输出打印等之前的仪器仪表无法比拟的多种功能,而且各种新的功能还在不断的进行开发。

    (4)通信能力增强。智能仪表根据需求一般都配有通信接口,或者更为先进的无线网络技术,这使智能仪表具有远程操作的能力,能够与计算机或其他相关仪器仪表配合工作,完成更加复杂的任务。

    目前智能仪表的发展现状可以从对传统仪表的改进和新型仪表的出现两方面来归纳。传统的仪表引入MCU及各类半导体新器件后,不但工作速度有了跨越式提高,在测量精度、运行可靠性、稳定性、存储容量等方面也有了质的改变。除此,新的技术还使传统仪表具有了目标准、自适应、自学习等功能,使精度和可靠性进一步得到提高。

    智能仪表除了在传统仪表的改进方面取得了巨大的成就以外,还开辟了许多新的应用领域,出现了许多新型的仪表。20世纪80年代以来,制造业(汽车制造、各种电子设备如电子计算机、电视机的制造等)的高速发展使CAM(Computer Aided Manufacturing计算机辅助制造)达到很高水平,它对人类生产力的提高起着巨大的推动作用。为了对CAM的工作质量进行实时监督,使成品或半成品的质量得到保证,要求实现对整个加工工艺过程中各重要环节或工位的在线检测。因此在生产线上或检验室内大量应用各种CAT(Computer Aided Test计算机辅助测试)技术的仪表。

    2  智能仪表的发展历程

    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几十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。

3  智能仪表的组成

通常,智能仪表由硬件和软件两大部分组成。硬件部分包括MCU、过程输入输出通道(模拟量输入输出通道和开关量输入输出通道)、人机交互部分和接口电路以及USB、Internek、GPRS、短消息数据通信接口等。

主机电路用来存储数据、程序,并进行一系列运算处理,它通常由微处理器、ROM、RAM、Flash、FRAM、I/O接口和定时计数电路等芯片组成,或者它本身就是一个单片机或嵌入式系统。模拟量输入输出通道用来输入输出模拟信号;数字量输入输出通道用于输入输出数字信号。人机交互部分是操作者与仪表之间的桥梁,通信接口则用来实现仪表与外界的数据交换功能,进而实现网络化互联的需求。外部时序逻辑扩展部分常用CPLD/FPGA等器件来扩展CPU的功能。显示打印模块用于外接打印机和LCD/LED。

智能仪表的软件通常包括监控程序、中断处理(或服务)程序以及实现各种算法的功能模块。监控程序是仪表软件的中心环节,它接收和分析各种命令,管理和协调全部程序的执行;中断处理程序是在人机交互部分或其它外围设备提出中断申请并为主机响应后直接转去执行的程序,以便及时完成实时处理任务;功能模块用来实现仪表的数据处理和控制功能,包括各种测量算法(例如数字滤波、标度变换、非线性校正等)和控制算法(P}控制、前馈控制、纯滞后控制、模糊控制等)。

    4  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。一般情况,精度为大量程的±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。

 

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