今日頭條
官方微信
官方抖音
資訊頻道 
王永勝 （1972-）
男，山東諸城人，自動化碩士，化學工程博士，現任煙臺萬華化工設計院有限公司質量技術部經理，曾任煙臺萬華聚氨酯股份有限公司技術研究部儀表控制經理。曾承擔國家CIMS課題的研究工作，在神經網絡建模及應用、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外多種DCS、PLC系統的選型、系統組態、維護及管理工作有較為豐富的工程經驗。
摘要：概述了智能儀表的發展歷程及技術特點，在闡述我國智能儀表的應用現狀及存在問題的基礎上，詳細列舉了三類問題成因（環境因素、人為因素和自身因素）的應對措施，并針對智能儀表技術及其應用的未來發展方向提供了幾點參考建議。
關鍵詞：智能儀表；應用現狀；應對措施；發展方向
1 智能儀表發展歷程及其技術優勢
1.1 智能儀表及其技術的發展歷程
歷經以模擬技術為特征的電動單元組合儀表、以數模混合技術為特征的DDZ-S系列儀表的開發后，1983年，美國霍尼韋爾公司向制造工業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字化智能儀表的轉變。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在一些生產線上被采用，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、網絡和通訊技術的飛速發展以及綜合自動化程度的不斷提高，目前廣泛應用于工業自動化領域的智能儀表，其技術也同樣在過去的二十多年里得到了迅猛的發展。目前國外智能儀表占據了國際應用市場的絕大比重，如何結合目前智能儀表的工業應用經驗并快速跟蹤國際智能前沿技術應用于我國智能儀表的開發研究成為振興民族智能儀器儀表的一大突出問題。
1.2 智能儀表的優勢和特點
智能儀表在工業自動化領域的廣泛應用得益于其突出的技術優勢和特點，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點：
（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，能夠實時測量出靜壓、溫度變化對檢測元件的影響，通過數據處理，對非線性進行校正，對滯后及復現性進行補償，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，依賴內部微處理器和存儲器，可以執行開方、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手操器進行操作，既可在現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校及變更。有的變送器具有模擬量和數字量兩種輸出方式（如HART協議），為實現現場總線通訊奠定了基礎。
（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果信息。
智能儀表建立在微電子技術發展的基礎上，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。加之現場總線的應用，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 我國智能儀表工業自動化應用現狀、存在問題及應對措施
2.1 我國智能儀表的工業自動化應用現狀
隨著大規模工業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系統的應用普及、現場總線技術的快速發展、各種標準通訊協議的進一步開放和完善，促使智能儀表在工業自動化領域得到了更為廣泛和大規模的應用。
首先，工業用戶對于能源及物耗成本的計量要求、控制精度的要求、減輕現場作業量（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，儀表行業的自身發展已經趨于智能化。這一點無論是中國還是全球，儀表產品的高科技化、高智能化已經成為必然的發展趨勢。
相比之下，國產智能化儀表無論是設計還是制造都明顯弱于國際先進水平，國內工業自動化用戶在智能儀表的使用經驗方面也相對積累較晚、較少，智能儀表與現場總線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計，按其成因大致可分為環境因素、人為因素和自身因素三大類。在工業自動化系統的實際應用中，由于環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 環境因素及應對措施
環境因素主要表現為來自系統內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內部的干擾。上述干擾又通過以下途徑進入系統：電源、輸入端子、輸出端子和空間輻射。
智能儀表工作環境復雜、惡劣，應用空間存在各種干擾，在設計環節應當綜合考慮各種可能因素，確定干擾性質，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足系統性能要求；減少焊點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行屏蔽和隔離，利用壓敏電阻吸收浪涌電壓。在供電質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）多路模擬開關的選擇
多個輸入信號經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接法，在多路轉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；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，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，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；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、分辨率高和線性度好等優點，適于優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量。當數字電路受到高速跳變電流作用時，會產生阻抗噪聲，需設置適宜的去耦電容；在數字電路的接口部分加入RC濾波環節以抑制輸入端的噪聲；存儲器布線考慮抗干擾設計；在總線上適當安裝上拉電阻以提高總線信號傳輸的可靠性。
（9）鍵盤、顯示器單元的配置
優先選用柔性鍵盤，其最大的特點是防塵、防潮、耐蝕、外在美觀、裝嵌方便；智能儀表優先選用LED顯示器，但由于其動態電流大，在供電設計上應采取足夠的去耦措施，即在LED驅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）數字濾波技術
通常采用的方法有：算術平均法、中值法、抑制脈沖算術平均法、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門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工作狀態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、狀態等采取的永久的或臨時的設置。這樣不僅保證上電或復位后軟件能夠正確地實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作模式，以此來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）“看門狗”技術
采用“看門狗”技術實時監控程序循環運行周期，若發現時間明顯超過預設的循環時間，則可認定系統陷入了“死循環”狀態，此時強制程序返回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
單片機在重新啟動后，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、接液部分材質是否滿足工藝介質的腐蝕性要求、法蘭規格型號是否與工藝連接法蘭一致。
（2）安裝應對措施
舉例來說，實際應用中我們可能會遇到需要伴熱、但裝置現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，從使用經驗來看，建議使用設置時，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 對于智能儀表技術及其應用未來發展方向的建議
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：神經網絡、遺傳算法、小波理論、混沌理論等已經具備潛在的應用基礎，這就意味著我們有必要也有能力結合具體的應用需要下大氣力開發高級智能化的儀表技術。
3.2 智能儀表的穩定性、可靠性有待長期和持續的關注
儀表運行的穩定性、可靠性是用戶首要關心的問題，智能儀表也不例外，隨著智能儀表技術的不斷拓展、新型的智能儀表也將陸續投放市場，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、可靠性技術的并行開發。
3.3 智能儀表的潛在功能應用有待最大化
目前工業自動化領域的實際應用尚未將智能儀表的功能發揮最大化，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總線的技術優勢，這需要儀表廠商與用戶建立良好的合作伙伴關系，加強長期合作，以短期投資促長期效益，通過建立“智能儀表+現場總線”的控制系統架構，確立優化的投資觀念，達成和諧共贏的目標。
3.4 繼續加大國內智能儀表的開發投入
智能儀表技術及應用還需要經歷一個較為漫長的成熟發展期，而對于國內智能儀表技術及產品開發已經面臨著更大的挑戰，這種局面召喚著國內儀表行業共同探討智能儀表的發展問題，應對激烈的國際競爭市場，擔負儀表產業的歷史使命，在日益優厚的國家及政府扶持政策下，堅持產、學、研的密切結合，繼續加大國內智能儀表的開發投入，積聚力量，贏在明天！
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號