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自动化仪表发展趋势的展望

自动化仪表发展趋势的展望
1 自动化仪器仪表的发展历程
自1971年世界上出现了**种微处理器以来，计算机技术发展迅猛，带来了测量仪器仪表产业的一次技术**，并取得了巨大的进步。仪器仪表在测量过程自动化、测量结果的数据处理及系统控制等多方面取得进展。到90年代，在高准确度、高性能、多功能的测量仪器中基本上都采用了微处理器技术。随着以知识经济为特征的信息时代的到来，人们认识仪器仪表的观念又进一步更新。当前，国际上自动化仪表与系统正进行着一场新的变革，即仪表的智能化，网络化，总线化与开放性。

2 现代自动化仪器仪表的发展方向
传统的测量仪器主要由3个功能块组成:信号的采集与控制单元、信号的分析与处理单元、结果的表达与输出单元。由于这些功能块基本上是以硬件或固化的软件形式存在，因此传统仪器的设计复杂，灵活性差，没有摆脱独立使用，手动操作的模式，整个过程几乎**于模仿人工测试的步骤，给它的发展带来了很大的局限性。工业过程自动化是通过自动化仪表，自动化控制技术与生产工艺设备的有机结合来实现的，因此，工业自动化仪表是仪器仪表工业*主要的一类。近年来，计算机科学和微电子技术的迅速发展和普及，导致了仪表的结构概念和设计观点等都发生了突破性的变化，形成了一��具有普通仪表的基本功能，又有一般仪表所没有的特殊功能的**低价仪表。以下将分别介绍当前仪表的4个发展方向。

(1) 智能化
·工业自动化仪表智能化主要特征
现代自动化仪表的智能化是指采用大规模集成电路技术、微处理器技术、接口通信技术，利用嵌入式软件协调内部操作，使仪表具有智能化处理的功能，在完成输入信号的非线性处理，温度与压力的补偿，量程刻度标尺的变换，零点的漂移与修正，故障诊断等基础上，还可完成对工业过程的控制，使控制系统的危险进一步分散，并使其功能进一步增强。这类产品以数字输出形式出现，不但大大提升了仪表性能，而且便于信息沟通，还可通过网络组成新型的、开放式的过程控制系统;

·工业自动化仪表的智能化要求
自动化仪表的智能化首先从控制器开始。可编程单回路调节器是这类智能仪表的代表，如山武－霍尼威尔公司SSC系列的KMM(也有SDC40B);横河公司YS-80系列(也有YS170)的SLPC等。可编程单回路调节器是以微处理器作为运算控制器的核心，主要接收和输出标准的、连续的电模拟量信号，可由用户编制程序，组成各种数字式过程调节装置。它将回路控制、数字运算、逻辑运算及通信等多种功能集于一体，通过编制组态程序，可以实现不同的功能。90年代初，仪表行业组织了DDZ-S系列仪表的联合开发，同时国内有关仪表厂引进了单回路调节器，电容式和扩散硅式变送器、DCS、执行器等新技术，随着HART协议智能仪表开发成功，FF总线智能仪表关键技术突破，LONWORKS总线智能网络产品的开发与应用发展迅速,现场总线技术方面的应用已取得初步成效。现场总线技术产品正在形成我国自动化仪表结构体系中新的组成部分，部分产品接近或达到国外产品的水平，销售额也占到国产仪表销售额的30％，加快推进了自动化仪表与工业过程控制系统的数字化，智能化，网络化。

(2) 总线化
过程控制系统自动化中的现场设备通常称为现场仪表。现场仪表主要有变送器，执行器，在线分析仪表及其它检测仪表。现场总线技术的广泛应用，使组建集中和分布式测试系统变得更为容易。然而集中测控越来越不能满足复杂、远程及范围较大的测控任务的需求，必须组建一个可供各现场仪表数据共享的网络，现场总线控制系统(FCS)正是在这种情况下出现的。它是一种用于各种现场智能化仪表与中央控制之间的一种开放、全数字化、双向、多站的通信系统。目前现场总线已成为全球自动化技术发展的重要表现形式，它为过程测控仪表的发展提供了千载难逢的发展机遇，并为实现进一步的高精度、高稳定、高可靠、高适应、低消耗等方面提供了巨大动力和发展空间。同时，各现场总线控制系统制造厂家为了使自己的现场总线控制系统(FCS)能得到应用，纷纷推出与其控制系统配套的具有现场总线功能的测量仪表和调节阀，形成了较为完整的现场总线控制系统体系。总而言之，总线化现场仪表功能丰富，在FCS中，几乎不存在单一功能的现场仪表。如横河川仪生产的EJA系列FF现场总线压力变送器，具有2个相互独立的AI(模入)功能模块，分别计算差压和静压。它的自诊断不但可以检测出压力超界，环境温度过高，量程设置错误，而且还能检测出压力传感器、温度传感器以及放大器、模块等硬件故障;再如FiFisher-Rosemount公司的 FIELDVUEDVC5000f系列是一种典型的总线化调节阀门控制器，它采用FF总线通信协议，实现阀门与系统的双向通信及自诊断功能。它内置PID和AO(模出)功能块，实现了通过PID运算并根据运算结果调控阀门工作的功能，除此以外，还能提供如下报警信息:提供阀门的行程，输入电流，行程报警，行程累计和故障报警等;提供自诊断信息:阀门特性测试，阀座关闭压力，执行机构预置工作压力范围，阀门摩擦力和动态误差带测试分析数据。Valve Link软件和设备管理系统AMS的Valve Link Snap On软件通过处理这些宝贵的信息;可对阀门的工作状态做出及时的诊断，从而将定期维修和临时维修改进为预防性维修。对系统中需要被监控的支回路或来自供电，用电的各电气参量进行实时监测，自动跟踪被监控电路的变化，自动优化选定供电，配电方式。提供与计算机通信的接口，由计算机管理有关信息的输入和输出，监督和指导设备的工作状态和工作参数，使设备应用具有较高的技术指标和适应能力。

(3) 网络化
现场总线技术采用计算机数字化通信技术，使自动控制系统与现场设备加入工厂信息网络，成为企业信息网络底层，可使智能仪表的作用得以充分发挥。随着工业信息网络技术的发展，有可能不久将会出现以网络结构体系为主要特征的新型自动化仪表，即IP智能现场仪表，图1显示了基于嵌入式Internet的控制网络体系结构。其特点是:首先Ethernet贯穿于网络的各个层次，它使网络成为透明的，覆盖整个企业范围的应用实体。它实现了真正意义上的办公自动化与工业自动化的无缝结合，因而我们称它为扁平化的工业控制网络。其良好的互连性和可扩展性使之成为一种真正意义上的全开放的网络体系结构，一种真正意义上的大统一。因此，基于嵌入式Internet的控制网络代表了新一代控制网络发展的必然趋势，新一代智能仪表—IP智能现场仪表的应用将越来越广泛。

图1 新型工业控制网络体系结构

例如，惠普公司生产的嵌入式以太网控制器具有10－BaseT以太网接口，运行FTP/HTTP/TCP/UDP协议，应用于传感器，驱动器等现场设备。国内的东大阿尔派公司为自己的CT产品开发了远程维修诊断系统。美国OPT022公司采用嵌入式Internet技术，研制开发了“以太网I/O系统”—SNAPI/O系统，通过Internet对分布在远程设备现场的I/O口进行访问，从而实现对远程设备的检测和控制。对I/O的读写控制是通过标准Web浏览器实现的，如图2所示，提供对SNMP、RDP、PPP、HTML、XML、WML及HDML等协议的支持。

图2 B/S结构图

(4) 开放性
现在的测控仪器越来越多采用以Windows/CE、Linux、VxWorks等嵌入式操作系统为系统软件核心和高性能微处理器为硬件系统核心的嵌入式系统技术，未来的仪器仪表和计算机的联系也将会日趋紧密，Agilent公司表示仪器仪表设备上应当具备计算机的所有接口，如USB接口、打印机接口、局域网网络接口等，测量的数据也应通过USB接口存储在可移动存储设备中，使用这样的仪器仪表设备和操作一台简易电脑简直是如出一辙。齐备的接口可连接多种现场测控仪表或执行器设备，在过程控制系统主机的支持下，通过网络形成具有特定功能的测控系统，实现了多种智能化现场测控设备的开放式互连系统。

为实现开放系统互联，1980年初，国际标准化组织ISO发展了OSI参考模型。OSI参考模型共有7层:物理层、数据链路层、网络层、传送层、会话层、表示层、应用层。发展至今，已形成开放的、由众多网络互连而成的全球性的计算机互联网Internet.开放的Internet主台软件使INTRANET在世界范围内迅速普及，INTRANET也成为了企业网的优选方式，甚至是标准。现在，基于数据共享的大多数管理系统都是基于INTRANET。在国内自动化仪表系统中，基于INTRANET的管理系统也成为一个发展的方向，在信息收集等方面也有广泛的应用。

但将INTERNET技术应用于现场设备运行管理，尤其是具备遥测、遥调、遥信甚至遥控功能的系统在国内还不常见，未来的自动化仪表系统在这方面应该给业界做出更多的贡献。

作为一个独立的系统，使用WEB方式开发不如传统方式方便。特别是开发工具差距较大。在开发过程中，遇到了与现场设备的通信，报表图形的生成，对系统的整体控制等具体问题，占用了一定的精力。

但是作为一个开放的系统，WEB技术所带来的好处是值得肯定的。主要表现在:
·数据网络共享能力强，对多用户的同时访问处理，数据访问冲突管理等，在INTRANET方式下都不成问题。
·不仅共享数据，而且共享远程信道，即可以在任意客户机实现对测控终端的远程访问。
·与其它系统，特别是同为INTRANET方式的系统互连能力强，这一点在自动化仪表领域特别重要。

3 现代自动化仪器仪表的结构设想
(1) 层次结构的设想 :相对来说层次结构比较固定，比较模式化，如附表所示。

附表层次结构

(2) 具体的纵向结构:用以说明各层次的功能以及与发展方向的密切关系，如图3所示:

图3 具体的纵向结构

(3) 为了更清楚的表达IP智能仪器的网络化和开放性，在这里给出了现代仪器仪表的平面结构，体现了网络化和开放性的实现途径，如图4所示。

图4 网络化和开放性的实现途径

(4) 数据流结构体现智能化、总线化和开放性上，如图5所示。

图5 数据流结构框架

4 结束语
从工业自动化仪表尤其是工业现场仪表的智能化、总线化、网络化的发展进程，不难看出计算机技术对现代自动化仪表技术的发展起到了十分积极的促进作用，计算机网络与工业局域网的融合又大大丰富和发展了现代自动控制技术。因此，现代自动化仪表的智能化技术不但改善了仪表本身的性能，还影响到了控制网络的体系结构，它不再是功能单一的固定结构，其适应性越来越强，功能也越来越丰富。相信新一代的智能化仪器仪表将在计算机网络技术支持下，在各行各业得到越来越广泛的应用。

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