儀器儀表中的自動(dòng)化控制及其應(yīng)用研究
2018-09-03 09:44:35
作者：劉祖光
摘 要：近年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，儀器儀表行業(yè)也迎來(lái)了飛速發(fā)展的時(shí)期，給人們的生產(chǎn)生活帶來(lái)了方便。自動(dòng)化技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域中，對(duì)各個(gè)領(lǐng)域提高生產(chǎn)活動(dòng)的控制性、安全性以及效率性具有重要意義。并且自動(dòng)化控制系統(tǒng)已經(jīng)在儀器儀表領(lǐng)域獲得了越來(lái)越多的應(yīng)用。本文主要針對(duì)于儀器儀表的概念和分類(lèi)進(jìn)行了介紹，分析了儀器儀表的自動(dòng)化控制與應(yīng)用的現(xiàn)狀并對(duì)未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。
關(guān)鍵詞：儀器儀表；自動(dòng)化；控制
引言：
隨著計(jì)算機(jī)和人工智能的不斷發(fā)展，儀器儀表在各個(gè)領(lǐng)域都取得了較大進(jìn)步。從國(guó)內(nèi)外眾多的機(jī)械設(shè)備、電子設(shè)備、監(jiān)控系統(tǒng)等來(lái)看，儀器儀表的自動(dòng)化控制發(fā)揮的作用與日俱增。作為中樞系統(tǒng)的自動(dòng)化儀表，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行情況，如果設(shè)備出現(xiàn)故障，自動(dòng)化儀表可以迅速檢測(cè)到，提醒技術(shù)或維護(hù)人員進(jìn)行決策和判斷，在監(jiān)測(cè)的同時(shí)還能夠?yàn)檎{(diào)整設(shè)備的主要參數(shù)做出參考。
1、自動(dòng)化儀器儀表簡(jiǎn)述
自動(dòng)化儀表，指的就是由多種自動(dòng)化元件組合在一起而成，并且能夠發(fā)揮出較強(qiáng)自動(dòng)化功能的技術(shù)工具。目前，市場(chǎng)上的自動(dòng)化儀表涵蓋了用以測(cè)量流量、壓力以及溫度等的各種儀表，由于具有較強(qiáng)的自動(dòng)化控制功能而被廣泛的應(yīng)用于煤礦開(kāi)采、環(huán)境監(jiān)測(cè)、國(guó)家電網(wǎng)等各行各業(yè)。
自動(dòng)化儀器主要由三個(gè)功能塊組成，①傳感器，即信號(hào)的采集與控制單元；②變送器，即信號(hào)的分析與處理單元，將傳感器接收到的模擬信號(hào)進(jìn)行處理得到對(duì)應(yīng)的電信號(hào)；③顯示器，即結(jié)果的表達(dá)與輸出單元，將測(cè)量的結(jié)果直觀地顯示出測(cè)量流量的流量?jī)x表等。
儀器儀表應(yīng)用范圍及其廣泛，包括基礎(chǔ)科學(xué)及應(yīng)用科學(xué)的各個(gè)領(lǐng)域。例如：①環(huán)保儀器儀表，該儀表可應(yīng)用在污染源的監(jiān)測(cè)方面和環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)方面，以解決我國(guó)大氣環(huán)境、水環(huán)境的兩個(gè)涉及到民生的重大環(huán)境資源的污染難題，契合我國(guó)對(duì)于節(jié)能減排的戰(zhàn)略決策；②電工儀器儀表，智能電網(wǎng)建設(shè)的逐漸發(fā)展亟需電工儀表的迅速發(fā)展，進(jìn)而可以大大推動(dòng)我國(guó)電力用戶信息采集系統(tǒng)建設(shè)的順利實(shí)施；③工業(yè)自動(dòng)化儀表，由于我國(guó)工業(yè)的迅猛發(fā)展，自動(dòng)化控制已經(jīng)成為一種剛性需求。總而言之，儀器儀表是社會(huì)發(fā)展的重要推動(dòng)力和有效保障。
2、儀器儀表技術(shù)
儀器儀表的發(fā)展趨勢(shì)主要是對(duì)模擬儀器精度、分辨率和測(cè)量速度的提高。計(jì)算機(jī)技術(shù)的滲透，使得儀器儀表自動(dòng)化成為了可能，儀器的功能逐漸從對(duì)個(gè)別參量的測(cè)量轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)整個(gè)系統(tǒng)的特征參數(shù)的測(cè)量，以往的儀器只有接收、現(xiàn)實(shí)功能，計(jì)算機(jī)技術(shù)的融入使得現(xiàn)在的儀器可以具備分析、處理、監(jiān)測(cè)、控制、計(jì)算、輸出等功能，且出現(xiàn)了數(shù)據(jù)域測(cè)試這種新的測(cè)試方式。現(xiàn)代儀器儀表正朝著網(wǎng)絡(luò)化、多功能化發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)電算一體化的基礎(chǔ)。從現(xiàn)代儀器儀表的發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，儀器儀表中主要包括以下幾種技術(shù)：
（1）傳感技術(shù)
現(xiàn)代儀器儀表技術(shù)中的傳感技術(shù)是實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)。因?yàn)槲覀冊(cè)趯?duì)儀器儀表進(jìn)行控制時(shí)，需要獲取到檢測(cè)信息作為輸入數(shù)據(jù)。
（2）系統(tǒng)集成技術(shù)
系統(tǒng)集成技術(shù)對(duì)儀器儀表和測(cè)量控制的性能有直接影響，尤其是對(duì)大系統(tǒng)的自動(dòng)化程度有較大影響。系統(tǒng)集成技術(shù)包括需求分析、物理層配置、模塊通信及應(yīng)用層策略實(shí)施等。
（3）智能控制技術(shù)
智能控制技術(shù)指的是通過(guò)測(cè)控系統(tǒng)以最佳的方式監(jiān)控工具、設(shè)備以達(dá)到既定目標(biāo)的一種技術(shù)。該技術(shù)對(duì)測(cè)控系統(tǒng)的效益有著重大影響，是信息技術(shù)想經(jīng)濟(jì)技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵。
（4）人機(jī)界面技術(shù)
操作人員在對(duì)儀器儀表進(jìn)行操作時(shí)需要一個(gè)良好的交互界面，人機(jī)界面技術(shù)就是用來(lái)協(xié)助操作員與系統(tǒng)進(jìn)行人工交互的，人機(jī)界面應(yīng)盡可能的簡(jiǎn)單，方便操作員進(jìn)行操作。系統(tǒng)的可操作性、可維護(hù)性都是由人機(jī)界面來(lái)完成。
3、儀器儀表自動(dòng)化控制應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展
3.1 儀器儀表自動(dòng)化控制應(yīng)用的現(xiàn)狀
近年來(lái)，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)雖然取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展，但在實(shí)際應(yīng)用中仍未發(fā)展成熟，而基于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)之上的分布式控制以及網(wǎng)絡(luò)式控制理論與實(shí)踐，并沒(méi)有得到普遍的推廣和應(yīng)用，而且在某些領(lǐng)域，和傳統(tǒng)的儀器儀表相比，現(xiàn)場(chǎng)總線的性能表現(xiàn)疲軟，并沒(méi)有發(fā)揮出自己獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。因此，亟需對(duì)儀器儀表設(shè)備實(shí)施自動(dòng)化的控制，對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化和升級(jí)，應(yīng)用全新的理念，改進(jìn)儀器儀表的結(jié)構(gòu)和性能，設(shè)計(jì)虛擬儀器結(jié)構(gòu)，形成網(wǎng)絡(luò)化的控制是其今后發(fā)展的必然趨勢(shì)。
3.2 儀器儀表自動(dòng)化控制應(yīng)用的發(fā)展
（1）改進(jìn)儀器儀表結(jié)構(gòu)與性能
第一、自動(dòng)化控制技術(shù)廣泛應(yīng)用，亟需儀器儀表技術(shù)的大力支持，同時(shí)也必然促進(jìn)了儀器儀表的快速發(fā)展。儀器儀表與智能硬件和智能軟件的相互結(jié)合可大大提升測(cè)量效率與性能，拓展測(cè)量功能。在儀器儀表中內(nèi)嵌入一些智能算法，如蟻群算法、遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法等，可大大提高儀器儀表的工作效率、速度，完善功能和提高性能。第二、把各個(gè)相互獨(dú)立的儀器儀表系統(tǒng)，利用微處理器和微控制器有效結(jié)合起來(lái)，通過(guò)模糊控制算法進(jìn)行設(shè)計(jì)。它的優(yōu)勢(shì)在于可以沒(méi)有之前的參照數(shù)據(jù)以及對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，只需要結(jié)合經(jīng)驗(yàn)、總結(jié)規(guī)則，結(jié)合芯片的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試、離線計(jì)算功能，有效做出預(yù)定需要的數(shù)據(jù)分析
和控制反應(yīng)。
（2）網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)
電子計(jì)算機(jī)以及信息化的巨大進(jìn)步使得網(wǎng)絡(luò)技術(shù)得到前所未有的迅猛發(fā)展，不論在工業(yè)、教育、商務(wù)中都能體現(xiàn)出網(wǎng)絡(luò)化與智能化的深度融合，將信息網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于自動(dòng)控制系統(tǒng)和工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備中，已是大勢(shì)所趨。只有將分散的儀器儀表節(jié)點(diǎn)利用網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)充分結(jié)合，才能將資源得到更合理得應(yīng)用，對(duì)于決策的實(shí)現(xiàn)才更為科學(xué)。
4、提高自動(dòng)化控制的可靠性措施
4.1 積極引用先進(jìn)設(shè)備和技術(shù)
首先，在提高工藝自動(dòng)化控制設(shè)備可靠性方面，應(yīng)當(dāng)積極引進(jìn)先進(jìn)的設(shè)備和技術(shù)，雖然自動(dòng)化控制設(shè)備在我國(guó)經(jīng)過(guò)快速發(fā)展，已經(jīng)得到了一定程度的普及，但是從設(shè)備技術(shù)方面來(lái)看，叫國(guó)際先進(jìn)水平還很落后。特別是近年來(lái)隨著信息技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)化控制設(shè)備與信息系統(tǒng)的結(jié)合已經(jīng)成為重要的發(fā)展趨勢(shì)，從國(guó)外的實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，也取得了較好的效果。因而對(duì)于我國(guó)工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)而言，應(yīng)當(dāng)積極引進(jìn)更為先進(jìn)的控制設(shè)備和技術(shù)，建立相應(yīng)的信息控制系統(tǒng)，進(jìn)行全面的整合。目前在一些大型的化工生產(chǎn)企業(yè)、汽車(chē)制造企業(yè)等領(lǐng)域，已經(jīng)應(yīng)用了整合程度較高的信息控制系統(tǒng)，對(duì)于自動(dòng)化控制設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和控制，工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)進(jìn)入了一個(gè)全新的階段。當(dāng)前應(yīng)當(dāng)通過(guò)積極引進(jìn)先進(jìn)的設(shè)備和技術(shù)，擴(kuò)大自動(dòng)化生產(chǎn)系統(tǒng)的應(yīng)用范圍，并且通過(guò)與信息系統(tǒng)的整合，也能夠在提高自動(dòng)化控制設(shè)備可靠性方面起到重要的作用。
4.2 建立完善的自動(dòng)化控制
在提高工業(yè)自動(dòng)化控制設(shè)備可靠性方面，還應(yīng)當(dāng)建立起更加完善的自動(dòng)化控制設(shè)備可靠性評(píng)估體系。目前在自動(dòng)化控制設(shè)備可靠性方面，很多企業(yè)并不重視評(píng)估體系的應(yīng)用，對(duì)于可靠性評(píng)估體系也缺乏足夠的了解。對(duì)于自動(dòng)化控制設(shè)備進(jìn)行可靠性評(píng)估，也就是通過(guò)科學(xué)的評(píng)估體系和相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于自動(dòng)化控制設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、故障率、維修人員配置、檢修制度等等，并且評(píng)價(jià)自動(dòng)化控制設(shè)備發(fā)生故障后所造成的影響。
4.3 健全維護(hù)保養(yǎng)機(jī)制健全
維護(hù)保養(yǎng)機(jī)制主要是指在自動(dòng)化控制設(shè)備應(yīng)用中，建立起較好的維護(hù)保養(yǎng)制度，合理配置維護(hù)保養(yǎng)人員，開(kāi)展日常的自動(dòng)化控制設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)工作，定期進(jìn)行自動(dòng)化控制設(shè)備的檢修。通過(guò)建立健全的維護(hù)保養(yǎng)機(jī)制，提高自動(dòng)化控制設(shè)備的維護(hù)保養(yǎng)工作水平，這對(duì)于降低自動(dòng)化控制設(shè)備的故障率有著重要作用。同時(shí)，在健全維護(hù)保養(yǎng)機(jī)制中，還應(yīng)當(dāng)建立完善的責(zé)任制度，明確相關(guān)維護(hù)保養(yǎng)人員的責(zé)任，提高維護(hù)保養(yǎng)人員的責(zé)任心和使命感。加強(qiáng)對(duì)于維護(hù)人員的培訓(xùn)，提高其業(yè)務(wù)水平，以此促進(jìn)自動(dòng)化控制設(shè)備可靠性的提高。
5、結(jié)束語(yǔ)
隨著人類(lèi)科技的快速發(fā)展，自動(dòng)化已經(jīng)成為未來(lái)社會(huì)發(fā)展的一種趨勢(shì)，并且在很大程度上改變了人類(lèi)傳統(tǒng)的儀器儀表方式，極大地提高了自動(dòng)化的工作效率，也降低了自動(dòng)化系統(tǒng)誤操作的機(jī)率，有效節(jié)省了大量的人力和物力。儀器儀表經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，已逐漸應(yīng)用到生產(chǎn)生活的各個(gè)方面，給人類(lèi)帶來(lái)方便的同時(shí)，自身功能趨于完善，性能更加優(yōu)異，適應(yīng)性愈加強(qiáng)大。未來(lái)儀器儀表在自動(dòng)化控制與應(yīng)用中呈現(xiàn)出智能化、網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展趨勢(shì)，繼續(xù)為人類(lèi)的福祉做出貢獻(xiàn)。
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