自动化仪表新技术的研究

林永涛

摘 要：计算机技术与通信技术的迅猛发展大大推动了自动化仪表的进步。智能化、网络化和数字化是未来自动化仪表的主要发展方向，其中工业以太网的应用、无线网技术的推广、实时嵌入式操作系统、电源转换技术和Flash存储器等自动化仪表新技术的发展应用显得尤为重要，主要围绕这几个方面介绍新技术的研究状况。

关键词：自动化仪表；新技术；应用

随着现代科技的进步，自动化仪表的应用范围越来越广，自动化仪表也越来越受到人们的重视。在工业生产中，自动化仪表是自动化生产的重要部分，它可以对生产工艺参数进行自动在线监测、记录、显示等；对于恶劣的生产环境如高温、有毒、易燃、深冷等条件，采用自动化仪表，不仅能够快速准确的得到所需数据，还能够减少对操作人员的伤害，降低生产消耗，减少成本，提高质量，从而促进生产持续、稳定的进行。

自动化仪表主要由三部分组成：传感器，用于检测各种信号；变送器，将传感器所测的信号由模拟信号转换为电流信号[1]（一般转换为4-20mA的电流信号）；显示器，将测得的电流信号转译成图形显示出来。他们作为关键设备包含在整个控制系统中，缺一不可。

1 自动化仪表行业发展现状

1.1 国外发展现状

国外自动化仪表起步早，伴随着信息技术的发展而迅速发展起来，已经取得较大成果并成熟应用。当前国际上自动化仪表已经朝着智能化和现场总线网络技术方向发展，能够迅速对故障进行判断并维护其正常工作。现场仪表对复杂的工况和恶劣的条件都有很强的适应性，如现在市场上出现的耐高温高压、耐强辐射强冲击的自动化仪表，解决了许多现场检测难题。国外自动化仪表正逐渐向着无人化方向发展，逐渐减轻操作人员的劳动强度，同时提高设备集成水平，减少配件。例如采用模块化的结构、自动校正和无线通讯等技术会使自动化仪表的操作更方便。

1.2 国内发展现状

我国在自动化仪表方面起步于解放后，在改革开放之后才得到较大发展，又受制于信息化水平的发展，因此具体有以下几点特点：（1）我国该产业的新技术开发能力有限，新产品较少，产品的稳定性、可靠性较低，许多核心技术需要依赖进口。（2）我国自动化仪表行业有一定的基础，产品门类齐全，虽然与发达国家相比差距较大，但在发展中国家处于领军水平。（3）自动化仪表行业处于中低端水平，高端产品受制于体制机制、科技综合水平、人才等因素的影响，开发能力不强，还未能打入高端市场。（4）随着国内经济的发展，自动化仪表内需较大，同时出口量也在增加。

2 自动化仪表行业新技术

2.1 工业以太网的应用

过去以太网主要应用于IT行业，由于受到技术的限制，以太网极少应用于工业自动化领域。近年来，以太网技术的飞速发展，为工业的自动化控制做出了巨大贡献。在工业中引用交换机，并在网络的各个节点都独立接入一条线路，防止冲突。为了使响应时间成为确定值，在工业自动化中应用微处理器交换或者背板交换，以此来满足控制系统的实时要求。采用抗干扰能力很强的非屏蔽内双绞线。

使用工业以太网有以下几个优势：可以统一企业信息网络与控制网络，从而满足各个层次控制系统的要求；以太网网卡的价格低廉，不足传统总线网卡的十分之一，大大节约了设备成本；降低了维护成本，以太网的维护简单易学，基本每家企业都能培养维护以太网的人员；以太网向内可组成局域网，向外具有较强的扩展性。

2.2 无线网技术

应用于工业领域的无线网技术[2]有三种：3G无线网、无线局域网、蓝牙技术。3G无线网采用CDMA技术，允许所有使用者同时使用全部频带，具有抗干扰能力强、信号隐蔽、多个用户同时接收同时发送的能力。在工业上用于数据采集的无线局域网技术已经相当成熟，可自己编写网络上端协议软件，以提高实时性。由于带宽较高，无线局域网也可用于视频监控和监视，尤其适用于不方便重新布线施工的场所。蓝牙技术的发射接收距离可达10米，具有低功耗的特点，其在自动化仪表方面的应用主要体现在从运动机械装置中获取数据。以上无线网技术已在工业上大力推广使用，并向着高可靠、高安全、实时性和节能的方向发展。

2.3 實时嵌入式操作系统（RTOS）

实时嵌入式操作系统是指当外界数据发生波动时，系统能够接受波动并以最快的速度处理波动，处理后的结果又能在极短的时间内控制生产过程，与生产任务协调运行。在自动化仪表中，当仪表的功能越来越强大时，系统的程序也就越来越繁杂，此时采用RTOS就能降低程序的开发难度，缩短开发周期。RTOS是用于控制、监视或者辅助操作机器和设备的装置，能够支持多任务、图形扩展、网络协议等功能，具有程序开发容易，易于维护，高稳定性，高可靠性等优点。

2.4 电源转换技术

2.4.1 AC/DC

传统的自动化仪表采用模拟电源，输入交流电压，依次进行变压器隔离、整流、滤波、稳压，最终输出直流电压，这种方式的AC/DC具有分量重、效率低、输入电压适应性不强等缺点。改进后的AC/DC转换的原理是：输入交流电压，依次通过开关管、高压隔离变压器、滤波稳压，最终输出直流电压，而滤波稳压处的波动将导致反馈隔离，从而影响脉宽调制控制，并负反馈于开关管。改进后效率可达85%，且输入压力适应性强，抗干扰能力和过压、过流保护能力强。

2.4.2 DC/DC

DC/DC主要用于实现电压的变换和隔离，有以下特点：工作温度范围广，可在-40℃至+80℃之间使用；工作发热量小，效率高，工作效率可达85%；外型尺寸较小，可在小空间范围内操作；可靠性强，平均无故障时间可达100万小时；功率低，能耗小。

2.5 Flash存储器

传统的自动化仪表的存储器有RAM和ROM两种，RAM包括DRAM和SRAM，ROM包括PROM，EPROM和E2PROM。FLASH具有：读写速度快；可擦除重复写，断电保存长达10年；价格低，容量大。由于这些优点，FLASH在自动化仪表中得到了大范围的应用，成为电子数据的临时存储器。

2.6 数字电位器

数字电位器是数控电位器的一种，其最大特点是在掉电后不会丢失电阻值[3]，相对于传统仪表，解决了掉电后必须重新调整对比度，仪表中必须要有旋转部件的缺点，因此具有可靠性高、可在恶劣条件下使用的优点。主要应用于零点迁移、调节对比度和量程调整等方面。

3 自动化仪表行业发展趋势

自动化仪表正在朝着网络化、智能化和数字化方向发展。随着新技术的使用，自动化伴随着信息化将成为带动工业化的最重要的手段[4]。新器件、新技术的开发使用对自动化仪表的发展具有重要意义。同时也要看到我国自动化水平与国外的差距和面临的严峻挑战，要改革创新、迎接挑战，努力使自动化技术达到国际一流水平。

参考文献

[1]阳宪惠.现场总线技术及其应用[M].北京：清华大学出版，1999.

[2]理查得H卡罗.无线技术：自动化的下一个前沿[J].工业控制计算机，2000，13（6）：61-63.

[3]王永胜.智能仪表技术及工业自动化应用发展探讨[J].自动化博览，2009，12（6）：21-22.

[4]吴朋.我国自动化仪表行业现状与发展研究[J].中国化工装备，2004（1）：1～4.