工业自动化仪器仪表的数字化系统技术

陈凤永

[摘    要]在科学技术高速发展的同时，工业自动化仪器仪表的数字化系统技术也实现了新的发展。对工业自动化仪器仪表的数字化系统技术进行了分析介绍;从工业自动化仪器仪表的数字化要求和特点、自动化仪器仪表工作原理、新一代控制系统对仪器仪表系统的要求等方面进行了分析，同时也对工业自动化仪器仪表的数字化系统技术未来的发展方向进行了探讨，以推动工业自动化仪器仪表的数字化系统技术发展。

[关键词]工业自动化;仪器仪表;数字化系统技术

[中图分类号]TH86 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2022）01–0–03

[Abstract]With the rapid development of science and technology， the digital system technology of industrial automation instrumentation has also achieved new development. This article analyzes and introduces the digital system technology of industrial automation instrumentation; analyzes the digital requirements and characteristics of industrial automation instrumentation， the working principle of automated instrumentation， and the requirements for instrumentation system of a new generation of control systems. The future development prospects of the digital system technology of industrial automation instrumentation are discussed， in order to provide some references for promoting the development of the digital system technology of industrial automation instrumentation.

[Keywords]industrial automation; instrumentation; digital system technology

在儀器仪表中，自动化是最为关键的部分，起到了中枢系统的作用，可以对整个系统的运行情况进行实时监测，如果工业设备发生了故障，自动化仪器仪表可以迅速对其进行监测，并发出相关的警报，让技术人员和维修人员及时进行调整和修理，另外，自动化仪器仪表还可以对相关的工业设备参数的调整和完善提供重要的参考依据。近些年，随着数字化技术和计算机技术的不断发展，工业自动化仪器仪表数字化系统技术也得到了快速发展，并且在不同领域中得到了广泛应用，并取得了很好的效果，为工业自动化发展提供了重要的技术保障。

1 工业自动化仪器仪表工作原理及仪器仪表数字化特点

1.1 自动化仪器仪表工作原理

工业自动化仪器仪表常常应用在工业生产中，与一些生产控制设备进行连接，再借助于计算机的优势来对各种生产设备进行控制，比如，对设备表面的温度、所承受的压力、输出流量等指标数据进行分析和控制，如果相关的数据指标超出了设置的标准，自动化仪器仪表可以对生产设备进行实时控制。在机械自动化控制中，自动化仪器仪表可以将机械设备运行中的各项指标变化情况自动记录下来，传输到控制系统中，相关管理人员根据这些数据对机械设备的运行情况进行判断[1]。另外，控制系统还会将收到的这些数据进行统一汇总分析，监测机械设备是否发生运行异常情况，由自动化仪器仪表来快速做出反应，同时计算机对异常数据进行分析来找出问题所在。

1.2 工业自动化仪器仪表数字化系统发展特点

1.2.1 信号的全数字化特点

把工业自动化仪器仪表的通信线和生产设备进行连接可以形成和互联网通信网络系统相类似的系统网络。通过这一网络可以在信号传输的过程中，实现全数字化、高精度、比较强的抗干扰信号传输，以此来提高信号转换的精准度和可靠性，提高信号传输的效率和质量。

1.2.2 互联性和互操性特点

互联性主要是指借助于微处理器和智能设备来对各种仪器仪表设备进行有效控制。各个仪器仪表的互联性特点就凸显出来，降低了成本和对各种设备的维修率，提高了工业自动化仪器仪表设备的工作效率和工作质量。互操性特点，主要是指现场中的总线设备通过对功能模块和相关的参数标准化进行控制操作，这样就可以让各个设备之间的互操性特点更加突出。用户可以按照不同产品的性能价格来选择不同的仪器仪表，并实现不同仪器仪表设备的相互连接，这样如果一台仪器仪表设备发生了故障，可以单独更换发生故障的设备，更加方便，快捷，并且还可以降低用户额外购买集成硬软件设备的成本。

1.2.3 功能可靠性特点

在对仪器仪表进行生产的过程中，采用了统一的生产标准，这样仪器仪表的功能可靠性更强，操作人员不用再学习多种不同的操作内容和连接方式，在很大程度上降低了故障发生的概率，同时也提高了仪器仪表使用过程中的可操控性。

1.2.4 开放的技术和标准特点

自动化仪器仪表中的互联网技术和相关的标准都是公开、统一的，所有制造商采用的都是这一标准和技术，这样用户就可以将不同制造商的通信网络集成在一起进行互连，并且用户之间也可以共享网络数据资源。

1.2.5 通信線的供电兼容性特点

在自动化仪器仪表数字化系统中，使用了各种不同的软件，所以自动化仪器仪表的通信线供电需要具备兼容性特点，比如，FCS全数字化系统的运用可以让各种信息的作用充分发挥出来，更好地为我国工业自动化发展提供便利。

2 控制系统对仪器仪表系统的要求分析

2.1 嵌入式计算机系统的运用

自动化仪器仪表数字化系统是由多个功能模块按照一定的方式组合起来，形成一种数字化的电子系统。其中的功能模块包括了软硬件两种，系统中的各个具体模块在运行的过程中相互配合协调，相互作用形成一个整体系统。嵌入式计算机系统将仪器仪表的故障检测和诊断、传感测量、补偿计算和工程量处理等功效汇集到系统软件中。芯片、接口技术和总线是嵌入式计算机系统中的关键部位，该系统在自动化仪表仪器数字化系统中的应用使其得到了更高级的发展。

（1）嵌入式计算机系统中的微电子技术对自动化仪器仪表的数字化发展带来了很大的影响。微电子技术是延续了摩尔定律发展的，集成电路芯片中的系统从原来的PCB设计发展到现在的VLSI芯片设计，改变了传统多个芯片共同运行的状态，现在只需要一个芯片就可以实现自动化仪器仪表数字化系统的运行。现阶段，单片机由A/D、D/A数模转化器、存储器、看门狗电路等构成，将多种功能通过一片芯片来实现，这样就不再需要微控制器外围电路进行更广泛的拓展，同时也减少了电路分散带来的外部干扰，提升了自动化仪器仪表数字化系统技术的可靠性和稳定性。

（2）嵌入式技术对自动化仪器仪表数字化系统技术的影响。嵌入式计算机系统的关键配件是处理器，一般采用最多的是DSP处理器结合嵌入式片上系统SoC。这种处理器和普通的计算机处理器相比，损耗更小，成本更低，稳定性和可靠性更强，同时嵌入式微处理器的体积也比较小，重量比较轻。此外，其还有着比较高的集成度，可以将CPU扩展后芯片的所有功能全部集中到一个芯片上，移动更加方便，并且网络连接能力也更强。与此同时，该系统中的半导体和电子技术可以让其应用在各个不同的领域中，同时具备更长的使用寿命。

2.2 网络技术在自动化仪器仪表数字化系统技术中的运用

在现阶段自动化仪器仪表数字化系统技术发展过程中，网络技术得到了广泛应用，数字化通信技术被应用在自动化仪器仪表系统中，发挥出了通信传输的重要作用。在网络技术和智能仪器仪表等相关技术发展的影响下，自动化仪器仪表逐渐按照嵌入式和通信网络相融合的方式发挥出其作用和功能，让网络的透明化程度更高，同时也实现了自动化和办公自动化的充分结合，为自动化仪器仪表数字化系统技术的发展创造了更多的技术支撑。

2.3 分布式控制系统在自动化仪器仪表数字化系统技术中的运用

现阶段，分布式控制系统发展更加成熟完善，成为仪器仪表设备智能化数字化测控系统中的重要组成部分，在集中式控制系统发展的影响下，将现代通信技术、现代控制技术、现代图形显示技术和现代化的计算机技术等多种技术进行了全面整合发展，实现了对各种设备参数的分级管理，也实现了更加灵活的配置，让自动化仪器仪表的数字化系统技术更加完善和稳定。

2.4 网络控制系统在自动化仪器仪表数字化系统技术中的运用

在自动化仪器仪表数字化系统技术的测控系统中，微处理核心硬件系统和嵌入式操作系统核心软件的应用非常广泛，这两种系统实现了计算机和仪器仪表之间各种数据信息的有效传输，同时也让控制的紧密性和衔接性更加便捷，仪表设备中局域网络接口和打印机接口、USB接口等使得测控仪器的通用性更强。只需要和计算机进行连接，就可以让设备在进行操作运转时更加快捷、方便，操作的流程、方法和计算机并无差别，这样使得自动化仪器仪表数字化系统技术的应用和操作的开放性和实用性更强。

2.5 自动化控制技术在自动化仪器仪表数字化系统技术中的运用

自动控制技术在工业生产中的应用在很大程度上提高了生产的效率和水平，同时也减少了生产操作过程中失误的发生概率，提升了工业生产的效率和质量。现阶段，在工业自动化仪器仪表数字化系统技术中，自动化控制技术主要是在过程自动化、管理自动化和机械自动化三个大的方面来进行应用。工业生产通过三方面的自动化应用来让生产流线中的设备操作更加精准，更好地对生产进行控制，让生产过程中的各个环节都可以实现更加直观的管理，从而实现工业生产的批量化管理，提高生产效率和生产质量。

在传统的工业设计、制造和服务领域，经验往往是一种模糊而很难把握的形态，很难将其作为精准判决的依据。而通过数字化的手段，将原先无法保存的专家经验进行数字化，并提供了保存、复制、修改和转移的能力。例如，针对大型设备运行过程中出现的各种故障特征，可以将传感器的历史数据通过机器学习训练出针对不同故障现象的数字化特征模型，并结合专家处理的记录，将其形成未来对设备故障状态进行精准判决的依据，并可针对不同的新形态的故障进行特征库的丰富和更新，最终形成自治化的智能诊断和判决。

2.6 网络互联互操作性仪器仪表设备的运用

网络技术很早以前就应用到了工业自动化仪器仪表系统中，发挥出了控制网络的作用，形成了分布式的网络控制系统，让自动化仪器仪表系统的灵活性、效能性更高，更加便于维护和拓展。发展到现阶段，网络技术的互操作性和互联性更加突出，比如，LonWorks控制网络挂接仪器仪表设备的互连和互操作性优势更加突出，现场信息的模拟量实现了全数字双向多站数字通讯的发展，和以往的仪器仪表有了很大的区别和不同。该控制网络挂接仪器仪表设备是在神经元芯片的基础上开发的，这种神经元芯片有3120系列和3150系列两种。3120系列的芯片接口有ROM、RAM、E2PROM;3150系列芯片中并没有内部ROM，但是却有了访问外部存储器的信号传输功能。神经元芯片内部的通信协议实现了完整的固化，这样可以让节点间的可靠通信和互操作性更强。

神经元芯片在很多的网络节点中形成了一个独立的处理器，如果想要让节点信号处理能力和I/O通道更加强大，只需要利用其他的处理器来进行处理，用神经元芯片来进行数据的交换传输，这样神经元芯片就可以实现通信功能。神经元芯片中有3个8位微处理器、只读存储ROM、随机存储RAM和通信、I/O接口。ROM中的贮存操作系统、I/O函数库和通信协议、RAM等常常用于从网络中下载相关数据信息和应用程序的存储。

神经元芯片的性能指标包括了3个8位的CPU和输入时钟，输入时钟可以选择11条可编程I/O引脚、625 kHz～10 MHz，2个16位的硬件定时器/计数器，15个软定时器;休眠的工作方式是在维持操作基本稳定的情况下尽可能降低电能的损耗。网络通信端口方式有差分方式、单端方式和专用方式，固件包括了I/O启动器程序、通信协议、事件驱动多任务调度程序等。服务引脚主要是用于远程识别和诊断，48位的内部神经元芯片ID来作为神经元芯片的唯一识别系统。在功能比较强大的神经元芯片下，为网络互连互操作性的自动化仪器仪表设备提供了更多有效的功能。

神经元芯片还可以支持多种不同的通信介质，比如，光纤、红外、双绞线、无线和同轴电缆等，同时还可以支持不同種类的网络拓扑结构。双绞线因其比较高的性价比成为通信介质中最常用的一种。比如，FTT-10A双绞线变压器耦合收发器支持总线型和自由拓扑型拓扑，并且这种收发器还有着很强的抗干扰能力，可以承受1 000 Vrms电压长达1 min时间。LonWorks总线和神经元芯片共同构成的网络灵活性更强，在结合总线拓扑网络可以让网络系统的长度达到2 000 m，采用自由拓扑的网络最长也可以达到500 m。

3 工业自动化仪器仪表数字化系统技术发展展望

在各种先进技术不断发展的影响下，我国的自动化仪器仪表技术有了新的发展方向，数字化智能化发展水平更高，将引领自动化仪器仪表技术产业的未来发展。

近些年，我国的精密机械技术、微电子技术、计算机技术、高密封技术和特种加工技术、集成技术、薄膜技术、网络技术、激光技术、纳米技术和超导技术等多种高新技术的飞速发展，对于工业自动化仪器仪表的发展提出了更高更新的要求，需要仪器仪表的数字化、智能化水平更高，同时还要具备更加敏捷、灵活、稳定的性能特点，要求可以采用比较少的样本量，实现监测微损或者是无损的目标，可以对更多的距离进行遥感遥测等。

在高科技发展以及现场总线的应用影响下，为自动化仪器仪表数字化系统技术的发展起到了新的导航作用。现场总线的应用可以让仪器仪表的数字化系统和控制室之间形成一种开放式、双向性、全数字化和多站的通信系统，不仅可以满足不同用户的不同需求，同时还可以提升通信技术和控制技术在工业控制领域中的发展水平，提升了其性能、精度、稳定、适应性水平，同时也形成了更加科学、可靠、低消耗的优势特点，为自动化仪器仪表数字化系统技术发展带来了新的发展动力和发展空间。

4 结束语

科学技术和信息技术等多种技术的发展融合应用，为工业制造的数字化发展带来了新的发展机遇和便捷，所以，在工业发展过程中要重视工业自动化仪器仪表数字化技术的发展，这样才可以实现我国工业领域的健康可持续发展。

参考文献

[1] 段红松.探析数字化仪表与控制系统技术应用与发展[J].中国机械，2021（7）：119，123.