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儀表與儀表智能化

日期: 2019-01-03

儀器儀表是人類認識世界的工具,人們借助于各種儀器儀表對各種物理量進行度量,反映其大小與變化規律. 隨著人類認識能力的提高與科學技術不斷進步,儀器儀表技術得到了飛速發展.50 年代以前,儀器儀表多為指針式,其理論基礎是機電學. 從50 年代起,電子技術特別是數字技術的發展,給儀表行業帶來了生機,各種數字式儀表相繼問世,許多傳統的指針式儀表相繼被淘汰,數字儀表使儀表外觀耳目一新,數據表達能力與總體性能都大幅提高. 70 年代中期,隨著微處理器的出現以及單片機的興起與應用,設計者將計算機特有的許多優點引入儀表設計,隨之產生了一代嶄新的智能儀表,使儀表逐漸由數字型向智能化發展,其功能也由單一顯示功能轉變為具有信息處理、傳輸、存貯、顯示、控制等功能,使儀表性能產生了質的飛躍.儀器儀表產品技術密集,品種繁多. 目前,我國儀器儀表有13 大類,1 300 多個產品. 其中自動化儀表及控制系統是和國民經濟各產業部門關系最為密切的一類產品,其傳感變送單元與主控裝置及I/ O接口均正朝智能化方向發展.

1.　儀表智能化的技術基礎

1. 1 　智能儀表的實質

智能儀表將計算機科學中有關信息存貯、數字計算、非數值處理、數據通信引入到儀表設計中來,使儀表具有“記憶”人的思維活動的功能. 智能儀表與常規儀表相比具備如下特點:
1) 　可用數字或圖形直觀表示測量結果;
2) 　可用鍵盤或撥碼開關設置儀表的狀態參數與工作參數;
3) 　具有數據存貯與數據處理能力;
4) 　能與多種外部設備配接,組成智能化的測控系統;
5) 　具有較高的測量精度;
6) 　能以編程方式確定儀表工作過程.

1. 2 　智能儀表的組成

以單片機為核心的智能儀表的組成包括硬件與軟件兩部分.

2. 1. 1 　離子風靜電消除器

1) 　硬件組成. 智能儀表的硬件方框圖如圖1所示.

其核心是單片機. 智能儀表內部為數字,而與其交往的外部為模擬,兩者之間通過A/ D、D/ A 器件作為交換界面. 被測量經過傳感變送單元,經智能儀表進行數據采集與處理后輸出,經D/A 器件轉換成模擬量進行記錄,或輸出控制模擬機構;或在CRT 上顯示,實現智能儀表的基本功能.計算機接口技術的不斷發展以及接口標準的不斷完善,為智能儀表的功能擴展提供了廣闊的舞臺.
GPIB( IEEE - 486) 標準總線接口具有一口多接、高級性、價格便宜等特點,在智能儀表開發應用方面已十分廣泛. 通過它能將智能儀表與具有相同接口的設備(如打印機、繪圖儀、磁盤驅動器等) 、計算機系統經簡單連接,很快組成自動測控系統,RS - 232 -C 串行接口的應用,使智能儀表采集或處理后的數據遠傳成為可能.

2) 　軟件. 智能儀表的軟件包括主機系統監控

程序(系統軟件) 與應用程序. 系統軟件負責系統的協調運行、儀表的故障診斷,設計人員根據儀表的功能要求編制相應的應用程序,由主機系統完成運行,從而賦予儀表各種智能.

2.　智能化儀表的功能

智能儀表的智能由儀表的各種功能反映出來,具體表現如下.

2. 1 　信號預處理

被測物理量由模擬量輸入通道經A/ D 轉換器送入計算機的信息為代表被測參數的二進制數字量,對這些數字量必須經過相應的預處理方能進行相關運算處理,這些預處理包括標度變換、零點和增益自動校準.

1) 　標度變換.

A/ D 轉換器輸出的二進制代碼,不能直接輸出顯示打印,把A/ D 轉換器輸出的數字量轉換為具有一定工程單位的數字量的過程稱為標度變換. 其形式取決于被測量所用傳感器或變送器的類型.
①線性變換法. 當被測量與A/ D 輸出值之間呈線性關系時,變換公式為
Y =
Ymax - Ymin
Nmax - Nmin
( X - Nmin) + Ymin
式中　Y :標度變換后被測量實測值;
Ymax 、Ymin :表示量程上、下限;
Nmax 、Nmin :表示對應Ymax 、Ymin的A/ D 輸出值;
X :對應Y 的A/ D 輸出值.
②非線性修正法. 當被測量與A/ D 輸出值之間存在明顯的非線性特性時,需要對A/ D 輸出值進行線性修正.如圖2 (a) 所示, y = f ( x ) 為一非線性函數, 則令z = g ( y) = g[ f ( x ) ]為其修正函數,經過計算完成線性修正. 此外, 利用折線代替曲線, 或使用最小二乘法求出曲線的擬合方程, 經過運算均能在一定的精度范圍內,完成線性校正,如圖2 (b) 、圖2 (c) 所示.

在校正函數與擬合方程不易獲得的情況下,應用查表法對測量結果進行修正,也是智能儀表里常用的一種簡便實用的方法. 測量過程中把修正值存入EPROM ,把A/ D 轉換的輸出值不作為測量的直接結果,而作為EPROM 的地址,A/ D 轉換的結束標志作為讀取EPROM 的讀取信號,讀取對應地址單元所保存的修正值,測量值是A/ D 輸出值與修正值之和.

2) 　零點和增益自動校準.

零點和增益穩定是影響儀表精度的重要因素. 為了提高測量的精度,除了在通道本身采取一定措施外,常常在計算機內部對這些誤差進行進一步校準. 圖5 是校準方框圖.

進入測量周期前,計算機發出零點校準指令使多路開關輸出端V i = 0. 這時A/ D 輸出值為X0 ,再發增益校準指令使多路開發輸出端V i = VR ,A/ D輸出值為XR ,設放大器增益準確時A/ D 輸出值為XR′. 引入增益修正系數K = ( XR′- X0 ) / ( XR -X0) 后對通道零點和增益進行了校準.校準可在測量周期前進行,也可在計算機控制下定期進行.

2. 2 　數字濾波

儀表輸入通道受到外界的干擾,使采樣的信息含有虛假信息,為了進行準確的測量和可靠控制,必須設法抑制或消除干擾的影響. 智能儀表中除了硬件采取抗干擾措施外, 對采樣的數據進行數字濾波是行之有效的方法,它具有以下的優點:
1) 　數字濾波用程序實現,不需增加硬件設備,不存在阻抗匹配的問題,提高了穩定性與可靠性;
2) 　可以對抵頻信號濾波, 避免了模擬濾波器受電容容量的影響;
3) 　濾波方法或濾波參數設置靈活. 根據信號的特點及測量精度的要求,可選擇不同的方法,常用的有程序判斷濾波、中值濾波、滑動平均值濾波、防脈沖干擾平均值濾波、一階滯后濾波等方法.

2. 3 　自動量程切換

在智能儀表中,通過硬件和軟件的密切配合來實現這種功能. 硬件由衰減器、輸入放大器、倍乘器構成,控制軟件判斷輸入信號的大小,決定對其衰減或倍乘關系,自動實現量程切換.

2. 4 　自動功能選擇

智能儀表面板上的各個按鍵可以靈活的定義各種功能操作和參數設定, 或者通過允許用編程方式選擇功能鍵,自動完成一系列的測量、運算處理、控制等操作.

2. 5 　自動數據處理

能自動進行數據處理是智能儀表的一大特點,除前面所述對測量值的各種預處理、濾波及修正外,常用的各種數據處理方法包括:
1) 　按線性關系、對數關系或乘方關系求測量值相對于基準值的比值, 求測量值相對于基準值的百分比偏差, 求測量值的最大值、最小值和峰一峰值;
2) 　根據制品的公差帶,判斷其合格性;
3) 　各種分析計算、統計分析;
4) 　完成各種單位制的換算.

2. 6 控制功能

生產過程控制系統中,現場被控對象的動態特性及影響因素各不相同, 要設計出品質與穩定性符合控制要求的控制系統,必須采用合適的系統結構、合理的控制規律和正確的控制參數. 計算機的應用,使控制儀表控制策略的實施成為可能.現代控制技術提供了多種控制手段,微處理器的應用,各種控制算法的程序算法應運而生. 優質控制理論可以證明, PID 的位置、增量、速度控制算法能滿足相當多的工業對象的控制要求,對PID 算法積分飽和問題可以通過不完全微分、微分先行、積分限幅、帶死區、限制給定值上升速度等方法來克服.當被控對象有大純滯后時,回路中采用帶Smith 預估的PID 算法或采用Dahlin 控制器來解決.

2. 7 　自動故障診斷

智能儀表及由相關智能儀表所構成的測控系統常備有自檢程序,采用查詢、對比、模擬、注人信號、斷點設置、邏輯分析等方法可以對儀表內的插件板或功能板進行檢查,它不僅能指示儀器的工作是否正常,而且能指示發生故障的部位并提供維護措施及解決方法,使儀表工作的可靠性和用戶對儀表的信賴程度大為增強.

2. 8 　應用開放性

大型測控系統中,各種測控功能的實現,要求對生產過程的實時信息存取. 現場智能儀表在內部處理功能和性能上均有了很大提高,而且采用了雙向數字通訊技術,使其與控制系統能相互通信,這種信息傳輸技術的應用,使智能儀表的應用具有對外開放性,現場總線(Field Bos) 技術的應用,各種智能變送器已經開始廣泛使用. 符合通信協議的智能儀表聯結在通信網絡上,實現智能儀表與測控系統雙向數據通信,現場智能儀表向測控系統傳送過程信息,測控系統向現場智能儀表遠程傳送組態、標定和診斷信息,為運行管理提供了極大的方便.

3. 　結論

智能儀表的功能遠不止這些,儀表智能化是儀表的發展方向,隨著技術的進步與儀表開發的深入,各種功能的測控智能儀表將應用到生產工程實踐中來,各行各業對工業自動化儀表及智能測控儀表在質量上與數量上表現出很大的需求,如何提高我國現場儀表智能化水平是擺在廣大儀表開發人員面前的重大課題.