儀表與儀表智能化
日期: 2019-01-03
儀器儀表是人類認(rèn)識(shí)世界的工具,人們借助于各種儀器儀表對(duì)各種物理量進(jìn)行度量,反映其大小與變化規(guī)律. 隨著人類認(rèn)識(shí)能力的提高與科學(xué)技術(shù)不斷進(jìn)步,儀器儀表技術(shù)得到了飛速發(fā)展.50 年代以前,儀器儀表多為指針式,其理論基礎(chǔ)是機(jī)電學(xué). 從50 年代起,電子技術(shù)特別是數(shù)字技術(shù)的發(fā)展,給儀表行業(yè)帶來了生機(jī),各種數(shù)字式儀表相繼問世,許多傳統(tǒng)的指針式儀表相繼被淘汰,數(shù)字儀表使儀表外觀耳目一新,數(shù)據(jù)表達(dá)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(xiàn)以及單片機(jī)的興起與應(yīng)用,設(shè)計(jì)者將計(jì)算機(jī)特有的許多優(yōu)點(diǎn)引入儀表設(shè)計(jì),隨之產(chǎn)生了一代嶄新的智能儀表,使儀表逐漸由數(shù)字型向智能化發(fā)展,其功能也由單一顯示功能轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂行畔⑻幚?、傳輸、存貯、顯示、控制等功能,使儀表性能產(chǎn)生了質(zhì)的飛躍.儀器儀表產(chǎn)品技術(shù)密集,品種繁多. 目前,我國(guó)儀器儀表有13 大類,1 300 多個(gè)產(chǎn)品. 其中自動(dòng)化儀表及控制系統(tǒng)是和國(guó)民經(jīng)濟(jì)各產(chǎn)業(yè)部門關(guān)系最為密切的一類產(chǎn)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(fā)展.
1. 儀表智能化的技術(shù)基礎(chǔ)
1. 1 智能儀表的實(shí)質(zhì)
智能儀表將計(jì)算機(jī)科學(xué)中有關(guān)信息存貯、數(shù)字計(jì)算、非數(shù)值處理、數(shù)據(jù)通信引入到儀表設(shè)計(jì)中來,使儀表具有“記憶”人的思維活動(dòng)的功能. 智能儀表與常規(guī)儀表相比具備如下特點(diǎn):
1) 可用數(shù)字或圖形直觀表示測(cè)量結(jié)果;
2) 可用鍵盤或撥碼開關(guān)設(shè)置儀表的狀態(tài)參數(shù)與工作參數(shù);
3) 具有數(shù)據(jù)存貯與數(shù)據(jù)處理能力;
4) 能與多種外部設(shè)備配接,組成智能化的測(cè)控系統(tǒng);
5) 具有較高的測(cè)量精度;
6) 能以編程方式確定儀表工作過程.
1) 可用數(shù)字或圖形直觀表示測(cè)量結(jié)果;
2) 可用鍵盤或撥碼開關(guān)設(shè)置儀表的狀態(tài)參數(shù)與工作參數(shù);
3) 具有數(shù)據(jù)存貯與數(shù)據(jù)處理能力;
4) 能與多種外部設(shè)備配接,組成智能化的測(cè)控系統(tǒng);
5) 具有較高的測(cè)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(jī)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(fēng)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(jī). 智能儀表內(nèi)部為數(shù)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(cè)量經(jīng)過傳感變送單元,經(jīng)智能儀表進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與處理后輸出,經(jīng)D/A 器件轉(zhuǎn)換成模擬量進(jìn)行記錄,或輸出控制模擬機(jī)構(gòu);或在CRT 上顯示,實(shí)現(xiàn)智能儀表的基本功能.計(jì)算機(jī)接口技術(shù)的不斷發(fā)展以及接口標(biāo)準(zhǔn)的不斷完善,為智能儀表的功能擴(kuò)展提供了廣闊的舞臺(tái).
GPIB( IEEE - 486) 標(biāo)準(zhǔn)總線接口具有一口多接、高 級(jí)性、價(jià)格便宜等特點(diǎn),在智能儀表開發(fā)應(yīng)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(shè)備(如打印機(jī)、繪圖儀、磁盤驅(qū)動(dòng)器等) 、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)經(jīng)簡(jiǎn)單連接,很快組成自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng),RS - 232 -C 串行接口的應(yīng)用,使智能儀表采集或處理后的數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳成為可能.
GPIB( IEEE - 486) 標(biāo)準(zhǔn)總線接口具有一口多接、高 級(jí)性、價(jià)格便宜等特點(diǎn),在智能儀表開發(fā)應(yīng)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(shè)備(如打印機(jī)、繪圖儀、磁盤驅(qū)動(dòng)器等) 、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)經(jīng)簡(jiǎn)單連接,很快組成自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng),RS - 232 -C 串行接口的應(yīng)用,使智能儀表采集或處理后的數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳成為可能.
2) 軟件. 智能儀表的軟件包括主機(jī)系統(tǒng)監(jiān)控
程序(系統(tǒng)軟件) 與應(yīng)用程序. 系統(tǒng)軟件負(fù)責(zé)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)運(yùn)行、儀表的故障診斷,設(shè)計(jì)人員根據(jù)儀表的功能要求編制相應(yīng)的應(yīng)用程序,由主機(jī)系統(tǒng)完成運(yùn)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(xiàn)如下.
2. 1 信號(hào)預(yù)處理
被測(cè)物理量由模擬量輸入通道經(jīng)A/ D 轉(zhuǎn)換器送入計(jì)算機(jī)的信息為代表被測(cè)參數(shù)的二進(jìn)制數(shù)字量,對(duì)這些數(shù)字量必須經(jīng)過相應(yīng)的預(yù)處理方能進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算處理,這些預(yù)處理包括標(biāo)度變換、零點(diǎn)和增益自動(dòng)校準(zhǔn).
1) 標(biāo)度變換.
A/ D 轉(zhuǎn)換器輸出的二進(jìn)制代碼,不能直接輸出顯示打印,把A/ D 轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為具有一定工程單位的數(shù)字量的過程稱為標(biāo)度變換. 其形式取決于被測(cè)量所用傳感器或變送器的類型.
①線性變換法. 當(dāng)被測(cè)量與A/ D 輸出值之間呈線性關(guān)系時(shí),變換公式為
Y =
Ymax - Ymin
Nmax - Nmin
( X - Nmin) + Ymin
式中 Y :標(biāo)度變換后被測(cè)量實(shí)測(cè)值;
Ymax 、Ymin :表示量程上、下限;
Nmax 、Nmin :表示對(duì)應(yīng)Ymax 、Ymin的A/ D 輸出值;
X :對(duì)應(yīng)Y 的A/ D 輸出值.
②非線性修正法. 當(dāng)被測(cè)量與A/ D 輸出值之間存在明顯的非線性特性時(shí),需要對(duì)A/ D 輸出值進(jìn)行線性修正.如圖2 (a) 所示, y = f ( x ) 為一非線性函數(shù), 則令z = g ( y) = g[ f ( x ) ]為其修正函數(shù),經(jīng)過計(jì)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(jīng)過運(yùn)算均能在一定的精度范圍內(nèi),完成線性校正,如圖2 (b) 、圖2 (c) 所示.
①線性變換法. 當(dāng)被測(cè)量與A/ D 輸出值之間呈線性關(guān)系時(shí),變換公式為
Y =
Ymax - Ymin
Nmax - Nmin
( X - Nmin) + Ymin
式中 Y :標(biāo)度變換后被測(cè)量實(shí)測(cè)值;
Ymax 、Ymin :表示量程上、下限;
Nmax 、Nmin :表示對(duì)應(yīng)Ymax 、Ymin的A/ D 輸出值;
X :對(duì)應(yīng)Y 的A/ D 輸出值.
②非線性修正法. 當(dāng)被測(cè)量與A/ D 輸出值之間存在明顯的非線性特性時(shí),需要對(duì)A/ D 輸出值進(jìn)行線性修正.如圖2 (a) 所示, y = f ( x ) 為一非線性函數(shù), 則令z = g ( y) = g[ f ( x ) ]為其修正函數(shù),經(jīng)過計(jì)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(jīng)過運(yùn)算均能在一定的精度范圍內(nèi),完成線性校正,如圖2 (b) 、圖2 (c) 所示.
在校正函數(shù)與擬合方程不易獲得的情況下,應(yīng)用查表法對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行修正,也是智能儀表里常用的一種簡(jiǎn)便實(shí)用的方法. 測(cè)量過程中把修正值存入EPROM ,把A/ D 轉(zhuǎn)換的輸出值不作為測(cè)量的直接結(jié)果,而作為EPROM 的地址,A/ D 轉(zhuǎn)換的結(jié)束標(biāo)志作為讀取EPROM 的讀取信號(hào),讀取對(duì)應(yīng)地址單元所保存的修正值,測(cè)量值是A/ D 輸出值與修正值之和.
2) 零點(diǎn)和增益自動(dòng)校準(zhǔn).
零點(diǎn)和增益穩(wěn)定是影響儀表精度的重要因素. 為了提高測(cè)量的精度,除了在通道本身采取一定措施外,常常在計(jì)算機(jī)內(nèi)部對(duì)這些誤差進(jìn)行進(jìn)一步校準(zhǔn). 圖5 是校準(zhǔn)方框圖.
進(jìn)入測(cè)量周期前,計(jì)算機(jī)發(fā)出零點(diǎn)校準(zhǔn)指令使多路開關(guān)輸出端V i = 0. 這時(shí)A/ D 輸出值為X0 ,再發(fā)增益校準(zhǔn)指令使多路開發(fā)輸出端V i = VR ,A/ D輸出值為XR ,設(shè)放大器增益準(zhǔn)確時(shí)A/ D 輸出值為XR′. 引入增益修正系數(shù)K = ( XR′- X0 ) / ( XR -X0) 后對(duì)通道零點(diǎn)和增益進(jìn)行了校準(zhǔn).校準(zhǔn)可在測(cè)量周期前進(jìn)行,也可在計(jì)算機(jī)控制下定期進(jìn)行.
2. 2 數(shù)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(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)量和可靠控制,必須設(shè)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(duì)采樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波是行之有效的方法,它具有以下的優(yōu)點(diǎn):
1) 數(shù)字濾波用程序?qū)崿F(xiàn),不需增加硬件設(shè)備,不存在阻抗匹配的問題,提高了穩(wěn)定性與可靠性;
2) 可以對(duì)抵頻信號(hào)濾波, 避免了模擬濾波器受電容容量的影響;
3) 濾波方法或?yàn)V波參數(shù)設(shè)置靈活. 根據(jù)信號(hào)的特點(diǎn)及測(cè)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(dòng)平均值濾波、防脈沖干擾平均值濾波、一階滯后濾波等方法.
1) 數(shù)字濾波用程序?qū)崿F(xiàn),不需增加硬件設(shè)備,不存在阻抗匹配的問題,提高了穩(wěn)定性與可靠性;
2) 可以對(duì)抵頻信號(hào)濾波, 避免了模擬濾波器受電容容量的影響;
3) 濾波方法或?yàn)V波參數(shù)設(shè)置靈活. 根據(jù)信號(hào)的特點(diǎn)及測(cè)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(dòng)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(dòng)量程切換
在智能儀表中,通過硬件和軟件的密切配合來實(shí)現(xiàn)這種功能. 硬件由衰減器、輸入放大器、倍乘器構(gòu)成,控制軟件判斷輸入信號(hào)的大小,決定對(duì)其衰減或倍乘關(guān)系,自動(dòng)實(shí)現(xiàn)量程切換.
2. 4 自動(dòng)功能選擇
智能儀表面板上的各個(gè)按鍵可以靈活的定義各種功能操作和參數(shù)設(shè)定, 或者通過允許用編程方式選擇功能鍵,自動(dòng)完成一系列的測(cè)量、運(yùn)算處理、控制等操作.
2. 5 自動(dòng)數(shù)據(jù)處理
能自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理是智能儀表的一大特點(diǎn),除前面所述對(duì)測(cè)量值的各種預(yù)處理、濾波及修正外,常用的各種數(shù)據(jù)處理方法包括:
1) 按線性關(guān)系、對(duì)數(shù)關(guān)系或乘方關(guān)系求測(cè)量值相對(duì)于基準(zhǔn)值的比值, 求測(cè)量值相對(duì)于基準(zhǔn)值的百分比偏差, 求測(cè)量值的最 大值、最 小值和峰一峰值;
2) 根據(jù)制品的公差帶,判斷其合格性;
3) 各種分析計(jì)算、統(tǒng)計(jì)分析;
4) 完成各種單位制的換算.
1) 按線性關(guān)系、對(duì)數(shù)關(guān)系或乘方關(guān)系求測(cè)量值相對(duì)于基準(zhǔn)值的比值, 求測(cè)量值相對(duì)于基準(zhǔn)值的百分比偏差, 求測(cè)量值的最 大值、最 小值和峰一峰值;
2) 根據(jù)制品的公差帶,判斷其合格性;
3) 各種分析計(jì)算、統(tǒng)計(jì)分析;
4) 完成各種單位制的換算.
2. 6 控制功能
生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)中,現(xiàn)場(chǎng)被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性及影響因素各不相同, 要設(shè)計(jì)出品質(zhì)與穩(wěn)定性符合控制要求的控制系統(tǒng),必須采用合適的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、合理的控制規(guī)律和正確的控制參數(shù). 計(jì)算機(jī)的應(yīng)用,使控制儀表控制策略的實(shí)施成為可能.現(xiàn)代控制技術(shù)提供了多種控制手段,微處理器的應(yīng)用,各種控制算法的程序算法應(yīng)運(yùn)而生. 優(yōu)質(zhì)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(dāng)多的工業(yè)對(duì)象的控制要求,對(duì)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(qū)、限制給定值上升速度等方法來克服.當(dāng)被控對(duì)象有大純滯后時(shí),回路中采用帶Smith 預(yù)估的PID 算法或采用Dahlin 控制器來解決.
2. 7 自動(dòng)故障診斷
智能儀表及由相關(guān)智能儀表所構(gòu)成的測(cè)控系統(tǒng)常備有自檢程序,采用查詢、對(duì)比、模擬、注人信號(hào)、斷點(diǎn)設(shè)置、邏輯分析等方法可以對(duì)儀表內(nèi)的插件板或功能板進(jìn)行檢查,它不僅能指示儀器的工作是否正常,而且能指示發(fā)生故障的部位并提供維護(hù)措施及解決方法,使儀表工作的可靠性和用戶對(duì)儀表的信賴程度大為增強(qiáng).
2. 8 應(yīng)用開放性
大型測(cè)控系統(tǒng)中,各種測(cè)控功能的實(shí)現(xiàn),要求對(duì)生產(chǎn)過程的實(shí)時(shí)信息存取. 現(xiàn)場(chǎng)智能儀表在內(nèi)部處理功能和性能上均有了很大提高,而且采用了雙向數(shù)字通訊技術(shù),使其與控制系統(tǒng)能相互通信,這種信息傳輸技術(shù)的應(yīng)用,使智能儀表的應(yīng)用具有對(duì)外開放性,現(xiàn)場(chǎng)總線(Field Bos) 技術(shù)的應(yīng)用,各種智能變送器已經(jīng)開始廣泛使用. 符合通信協(xié)議的智能儀表聯(lián)結(jié)在通信網(wǎng)絡(luò)上,實(shí)現(xiàn)智能儀表與測(cè)控系統(tǒng)雙向數(shù)據(jù)通信,現(xiàn)場(chǎng)智能儀表向測(cè)控系統(tǒng)傳送過程信息,測(cè)控系統(tǒng)向現(xiàn)場(chǎng)智能儀表遠(yuǎn)程傳送組態(tài)、標(biāo)定和診斷信息,為運(yùn)行管理提供了極大的方便.
3. 結(jié)論
智能儀表的功能遠(yuǎn)不止這些,儀表智能化是儀表的發(fā)展方向,隨著技術(shù)的進(jìn)步與儀表開發(fā)的深入,各種功能的測(cè)控智能儀表將應(yīng)用到生產(chǎn)工程實(shí)踐中來,各行各業(yè)對(duì)工業(yè)自動(dòng)化儀表及智能測(cè)控儀表在質(zhì)量上與數(shù)量上表現(xiàn)出很大的需求,如何提高我國(guó)現(xiàn)場(chǎng)儀表智能化水平是擺在廣大儀表開發(fā)人員面前的重大課題.
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