浅析仪表智能化的发展趋势

宋真

（中国核动力研究设计院第一研究所，四川 成都 610005）

通过自动化技术的引进，提高仪表智能化的水平，带动我国仪器仪表产业进入高技术化发展的轨道，促进仪表呈现智能化、数字化和网络化的趋势。对此，在推动仪表产业发展中，要充分利用成熟的先进技术，并加大对新技术的研究力度，通过技术革新，丰富和强化仪表的功能，拓展应用领域，进而促进仪器仪表产业的可持续健康发展。在这样的环境背景下，探究仪表的智能化发展趋势具有非常重要的现实意义。

1 我国仪表智能化的含义

仪表智能化是运用超大规模集成电路与微处理器技术，通过嵌入式软件进行内部协调操作，赋予仪表智能化功能，除了实现输入信号的非线性补偿、量程刻度标尺的自动化变换、故障自动诊断等功能之外，还会对工业生产过程进行有效控制，协调系统功能，进而完成一系列预设的操作任务。

2 我国仪表智能化的发展历程

纵观仪表发展史，我国仪表智能化大致经历了以下历程。

2.1 基地仪表阶段

基地仪表兴起于20世纪50年代，以简单性、实用性著称，由于智能化水平较低，只能实现简单的现场控制，体积过于庞大，不易于移动和维修。我国自建国后，苏联支援的产品与技术均以基地仪表为主。

2.2 单元组合式仪表

单元组合式仪表兴起于20世纪70年代，包括II、III 等型号的仪表，根据器件可以划分为电子管仪表、晶体管仪表、集成电路仪表等部分；根据信号可划分为0～10mA仪表、4～20mA仪表等部分；根据动力可划分为气动仪表（QDZ）与电动仪表（DDZ）。我国自动化仪表的生产体系始于 DDZII、QDZII ，并逐步构建相对完善的集研发、生产、培训、服务于一体的产业结构，这一时期是我国自动化仪表行业发展的最高峰，通过自动化仪表，可以生产各类自动化产品，并应用到工业生产中解决实际问题。

2.3 智能仪表

智能仪表发展时间为20世纪70～90年代，依托于微处理器、集成电路、现场总线进行传感、控制、通信，在1975年美国仪表控制公司推出综合分散控制系统 TDC—2000，简称DCS，当时智能化与现场总线标准的排他性极强，造成各个品牌间的不可兼容。而在1985年国际电工委员会成立 IEC/TC65/SC65C / WG6工作组，制定现场总线标准，但考虑各自的利益，无法协调商议，现场总线标准的制定十分缓慢，为了扩大市场占有率，将自己的标准加在世界标准身上，造成现场总线标准过多的局面。

3 制约仪表智能化发展的因素

现阶段，仪表智能化的发展中，微处理器和集成电路相对较为完善，而现场总线的不足已成为制约仪表智能化发展的主要因素。当前，我国现场总线使用变动器为主，大多数已经向智能化发展，但由于现场总线标准均为欧美日标准，通信模拟量为4～20mA，其中智能变动器还停留在量程操作或是手操器方面，没有完全发挥出智能化特点，造成现场总线的困境，具体可表现在以下几方面：第一，各个总线设备间缺少隔离，一旦某个设备发生故障，就会造成整个总线的瘫痪。第二，总线主要以轮询结构为主，通讯速度过于缓慢。例如，以HART协议为主的现场总线运行中，通信过程中会有间隔1s的等待时间，降低整个网络系统的通信效率，而通信每一点都需要 1s 的等待，造成整体网络系统通信效率缓慢，工业上一般不会将 HART 协议作为工业级联网。第三，国内工业级的通信接口十分匮乏，国外总线企业厂商没有专门针对性的工业级网络产品，国内研发大量的网络转换产品，但技术还只在小规模应用的层面，无法满足工业级规模的生产要求。第四，国内通信协议较多，但由于互不兼容，限制了网络连接。

4 促进仪表智能化发展的有效路径

为了促进仪表智能化的发展，要进一步完善现场总线通信技术，针对现场总线通信技术存在的问题，提出以下解决措施：第一，选择国内广泛应用的HART、MODBUS、TCP/IP等协议，将其作为网络通信平台，实现HART、MODBUS、TCP/IP等协议之间的透明性，达到最佳的交互效果。第二，在现场总线各个通信设备间、网络间设置点点隔离，减少通信的延迟时间，提高现场总线的通信效率。第三，设置网络轮询通信控制器，将通信系统置于网络轮训通信控制器中，防止网络轮询时间的出现，如图1所示，表示着网络透传控制器结构，我们可以看出4～20mA回路、24V电源回路和网络回路之间保持着相互隔离的状态，提高现场总线通信系统运行中的抗干扰能力与安全程度，一旦受到毁灭性破坏后，包括感应雷击、误接强电等现象，不会危及到其它回路，降低事故对整个系统的影响。此外，网络控制器完全脱离于网络指令进行独立轮询，相比于传统的现场总线通信系统而言，通信速度大大加强，DC/DC为各个回路进行隔离供电，这一结构产品荣获国家专利，为我国仪表智能化发展提供强大的助力。

5 仪表智能化的发展趋势

5.1 发展路线

现阶段，仪表的智能化结构具有自身的独特性与局限性，其中仪表中的总线应用量加大，各自为战的局面会僵持一段时间，由于缺少市场化的总线标准，使得企业缺少竞争力强的产品，无法抢占市场话语权。在工业领域中，仪表中的变动器、控制系统逐渐显露出智能化的发展趋势，而现场总线方面的缺失制约着仪表智能化的发展。对此，为了促进仪表智能化的发展，首先要将市场中的总线融合在一起，达到相互兼容的效果，立足于现场的实际问题，根据项目系统的实际要求，融合2～4个总线标准，这一综合即为“透传”。其次，加大对国产总线的研究，积极开发国产总线，除了院校与科研单位参与到国产总线的研究中，要求相关总线大企业要加入到研究项目中，以自身产品为标准来制定现场总线标准，鼓励国内仪表企业加快完善智能化仪表生产体系，提高产品质量，拓展现有的市场占有率，并加大对国产支持的宣传力度，进而实现仪表的智能化发展。

5.2 发展目标

图1

（1）智能化。仪表智能化的标志是控制器，以可编程单回路调节器作为现阶段仪表智能化的代表，包括横河公司YS-80 系列和山武-霍尼威尔公司 SSC 系列等。在实际应用中，主要将微处理器视为运算控制器的主干，接受与输出连续性电模拟量信号，用户可以根据需求进行编制程序，形成数字式过程调节装置，并把回路控制、逻辑运算、通信和数字运算等功能融合在一起，借助编程程序，进而达到仪表的智能化和功能化。

（2）总线化。智能变送器是现场仪表智能化发展的标志，智能变送器融合仪表全部或是部分的功能控制，线性度极高，并具备较低的温度漂移，简化系统结构，进而降低整个系统的复杂性。智能变送器的人工智能性较强，实现多种物理量或是化学量的测量，反映出被测的综合信息，测量精度较高、范围较宽，量程比可达到400:1，可以适应宽度大的测量范围。与此同时，应用标准化通信接口，实现智能变送，促进智能变送器从原有的单一功能逐渐转化为多功能、多变量的检测模式发展，以主动控制技术达到高速信息处理，原有的孤立元件被逐渐系统化和网络化。

5.3 总线技术要求

（1）冗余。应仪表智能化的要求，总线要具备热冗余功能，可以设计成独立的应用总线，一旦工作总线发生故障，备用总线会自动代替故障总线进行工作，进而保证系统的正常运行，提高系统的可靠性与安全性。

（2）危险分散。危险分散是总线结构设计的难题，一旦危险爆发在某点，很容易造成系统瘫痪。而在工业控制领域中，绝不能出现这一问题，要求总线结构要具备分散危险的功能，采用底层星型结构，设计电源系统和信号系统，二者独立而相互协调，一旦出现某点故障，要降低对其它仪表或整个总线结构的负面影响。

（3）抗干扰。工业现场的干扰源较多，增加工程的技术难度，现有模拟量传输以单回路为主，干扰造成的是局部影响，若现场总线的抗干扰能力不足，很容易造成系统瘫痪，要求现场总线抗电磁干扰要超过1kV脉冲群，进而保证现场总线系统的正常运行。

6 结语

本文通过对仪表的智能化发展趋势的研究得出：

（1）我国仪表在智能化发展历程中，经过了基地仪表阶段、单元组合式仪表、智能仪表等阶段，每阶段的技术和应用都为仪表的智能化奠定了基础。

（2）在仪表智能化发展中，现场总线通信的技术问题一直是制约仪表智能化发展的要素，需要加以重视，更换通信协议，设置网络轮询通信控制器，进而提高总线系统的智能化水平。