儀器儀表中的自動化控制及其應(yīng)用研究
2018-09-03 09:44:35
作者：劉祖光
摘 要：近年來，隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展和科學技術(shù)的不斷進步，儀器儀表行業(yè)也迎來了飛速發(fā)展的時期，給人們的生產(chǎn)生活帶來了方便。自動化技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用到各個領(lǐng)域中，對各個領(lǐng)域提高生產(chǎn)活動的控制性、安全性以及效率性具有重要意義。并且自動化控制系統(tǒng)已經(jīng)在儀器儀表領(lǐng)域獲得了越來越多的應(yīng)用。本文主要針對于儀器儀表的概念和分類進行了介紹，分析了儀器儀表的自動化控制與應(yīng)用的現(xiàn)狀并對未來發(fā)展趨勢進行了展望。
關(guān)鍵詞：儀器儀表；自動化；控制
引言：
隨著計算機和人工智能的不斷發(fā)展，儀器儀表在各個領(lǐng)域都取得了較大進步。從國內(nèi)外眾多的機械設(shè)備、電子設(shè)備、監(jiān)控系統(tǒng)等來看，儀器儀表的自動化控制發(fā)揮的作用與日俱增。作為中樞系統(tǒng)的自動化儀表，能夠?qū)崟r監(jiān)測整個系統(tǒng)的運行情況，如果設(shè)備出現(xiàn)故障，自動化儀表可以迅速檢測到，提醒技術(shù)或維護人員進行決策和判斷，在監(jiān)測的同時還能夠為調(diào)整設(shè)備的主要參數(shù)做出參考。
1、自動化儀器儀表簡述
自動化儀表，指的就是由多種自動化元件組合在一起而成，并且能夠發(fā)揮出較強自動化功能的技術(shù)工具。目前，市場上的自動化儀表涵蓋了用以測量流量、壓力以及溫度等的各種儀表，由于具有較強的自動化控制功能而被廣泛的應(yīng)用于煤礦開采、環(huán)境監(jiān)測、國家電網(wǎng)等各行各業(yè)。
自動化儀器主要由三個功能塊組成，①傳感器，即信號的采集與控制單元；②變送器，即信號的分析與處理單元，將傳感器接收到的模擬信號進行處理得到對應(yīng)的電信號；③顯示器，即結(jié)果的表達與輸出單元，將測量的結(jié)果直觀地顯示出測量流量的流量儀表等。
儀器儀表應(yīng)用范圍及其廣泛，包括基礎(chǔ)科學及應(yīng)用科學的各個領(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)測方面和環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測方面，以解決我國大氣環(huán)境、水環(huán)境的兩個涉及到民生的重大環(huán)境資源的污染難題，契合我國對于節(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，進而可以大大推動我國電力用戶信息采集系統(tǒng)建設(shè)的順利實施；③工業(yè)自動化儀表，由于我國工業(yè)的迅猛發(fā)展，自動化控制已經(jīng)成為一種剛性需求?？偠灾?，儀器儀表是社會發(fā)展的重要推動力和有效保障。
2、儀器儀表技術(shù)
儀器儀表的發(fā)展趨勢主要是對模擬儀器精度、分辨率和測量速度的提高。計算機技術(shù)的滲透，使得儀器儀表自動化成為了可能，儀器的功能逐漸從對個別參量的測量轉(zhuǎn)變?yōu)閷φ麄€系統(tǒng)的特征參數(shù)的測量，以往的儀器只有接收、現(xiàn)實功能，計算機技術(shù)的融入使得現(xiàn)在的儀器可以具備分析、處理、監(jiān)測、控制、計算、輸出等功能，且出現(xiàn)了數(shù)據(jù)域測試這種新的測試方式?，F(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)展趨勢來看，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)是實現(xiàn)監(jiān)測的基礎(chǔ)。因為我們在對儀器儀表進行控制時，需要獲取到檢測信息作為輸入數(shù)據(jù)。
（2）系統(tǒng)集成技術(shù)
系統(tǒng)集成技術(shù)對儀器儀表和測量控制的性能有直接影響，尤其是對大系統(tǒng)的自動化程度有較大影響。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)用層策略實施等。
（3）智能控制技術(shù)
智能控制技術(shù)指的是通過測控系統(tǒng)以最佳的方式監(jiān)控工具、設(shè)備以達到既定目標的一種技術(shù)。該技術(shù)對測控系統(tǒng)的效益有著重大影響，是信息技術(shù)想經(jīng)濟技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵。
（4）人機界面技術(shù)
操作人員在對儀器儀表進行操作時需要一個良好的交互界面，人機界面技術(shù)就是用來協(xié)助操作員與系統(tǒng)進行人工交互的，人機界面應(yīng)盡可能的簡單，方便操作員進行操作。系統(tǒng)的可操作性、可維護性都是由人機界面來完成。
3、儀器儀表自動化控制應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展
3.1 儀器儀表自動化控制應(yīng)用的現(xiàn)狀
近年來，現(xiàn)場總線技術(shù)雖然取得了長足的進展，但在實際應(yīng)用中仍未發(fā)展成熟，而基于現(xiàn)場總線技術(shù)之上的分布式控制以及網(wǎng)絡(luò)式控制理論與實踐，并沒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)場總線的性能表現(xiàn)疲軟，并沒有發(fā)揮出自己獨特的優(yōu)勢。因此，亟需對儀器儀表設(shè)備實施自動化的控制，對其進行優(yōu)化和升級，應(yīng)用全新的理念，改進儀器儀表的結(jié)構(gòu)和性能，設(shè)計虛擬儀器結(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。
3.2 儀器儀表自動化控制應(yīng)用的發(fā)展
（1）改進儀器儀表結(jié)構(gòu)與性能
第一、自動化控制技術(shù)廣泛應(yīng)用，亟需儀器儀表技術(shù)的大力支持，同時也必然促進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)合可大大提升測量效率與性能，拓展測量功能。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、把各個相互獨立的儀器儀表系統(tǒng)，利用微處理器和微控制器有效結(jié)合起來，通過模糊控制算法進行設(shè)計。它的優(yōu)勢在于可以沒有之前的參照數(shù)據(jù)以及對應(yīng)的數(shù)學模型，只需要結(jié)合經(jīng)驗、總結(jié)規(guī)則，結(jié)合芯片的現(xiàn)場調(diào)試、離線計算功能，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
電子計算機以及信息化的巨大進步使得網(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)用于自動控制系統(tǒng)和工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備中，已是大勢所趨。只有將分散的儀器儀表節(jié)點利用網(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，對于決策的實現(xiàn)才更為科學。
4、提高自動化控制的可靠性措施
4.1 積極引用先進設(shè)備和技術(shù)
首先，在提高工藝自動化控制設(shè)備可靠性方面，應(yīng)當積極引進先進的設(shè)備和技術(shù)，雖然自動化控制設(shè)備在我國經(jīng)過快速發(fā)展，已經(jīng)得到了一定程度的普及，但是從設(shè)備技術(shù)方面來看，叫國際先進水平還很落后。特別是近年來隨著信息技術(shù)的發(fā)展，自動化控制設(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，從國外的實際應(yīng)用經(jīng)驗來看，也取得了較好的效果。因而對于我國工業(yè)自動化系統(tǒng)而言，應(yīng)當積極引進更為先進的控制設(shè)備和技術(shù)，建立相應(yīng)的信息控制系統(tǒng)，進行全面的整合。目前在一些大型的化工生產(chǎn)企業(yè)、汽車制造企業(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)，對于自動化控制設(shè)備進行實時監(jiān)控和控制，工業(yè)自動化生產(chǎn)進入了一個全新的階段。當前應(yīng)當通過積極引進先進的設(shè)備和技術(shù)，擴大自動化生產(chǎn)系統(tǒng)的應(yīng)用范圍，并且通過與信息系統(tǒng)的整合，也能夠在提高自動化控制設(shè)備可靠性方面起到重要的作用。
4.2 建立完善的自動化控制
在提高工業(yè)自動化控制設(shè)備可靠性方面，還應(yīng)當建立起更加完善的自動化控制設(shè)備可靠性評估體系。目前在自動化控制設(shè)備可靠性方面，很多企業(yè)并不重視評估體系的應(yīng)用，對于可靠性評估體系也缺乏足夠的了解。對于自動化控制設(shè)備進行可靠性評估，也就是通過科學的評估體系和相應(yīng)的標準，對于自動化控制設(shè)備的運行狀態(tài)、故障率、維修人員配置、檢修制度等等，并且評價自動化控制設(shè)備發(fā)生故障后所造成的影響。
4.3 健全維護保養(yǎng)機制健全
維護保養(yǎng)機制主要是指在自動化控制設(shè)備應(yīng)用中，建立起較好的維護保養(yǎng)制度，合理配置維護保養(yǎng)人員，開展日常的自動化控制設(shè)備維護保養(yǎng)工作，定期進行自動化控制設(shè)備的檢修。通過建立健全的維護保養(yǎng)機制，提高自動化控制設(shè)備的維護保養(yǎng)工作水平，這對于降低自動化控制設(shè)備的故障率有著重要作用。同時，在健全維護保養(yǎng)機制中，還應(yīng)當建立完善的責任制度，明確相關(guān)維護保養(yǎng)人員的責任，提高維護保養(yǎng)人員的責任心和使命感。加強對于維護人員的培訓，提高其業(yè)務(wù)水平，以此促進自動化控制設(shè)備可靠性的提高。
5、結(jié)束語
隨著人類科技的快速發(fā)展，自動化已經(jīng)成為未來社會發(fā)展的一種趨勢，并且在很大程度上改變了人類傳統(tǒng)的儀器儀表方式，極大地提高了自動化的工作效率，也降低了自動化系統(tǒng)誤操作的機率，有效節(jié)省了大量的人力和物力。儀器儀表經(jīng)過幾十年的發(fā)展，已逐漸應(yīng)用到生產(chǎn)生活的各個方面，給人類帶來方便的同時，自身功能趨于完善，性能更加優(yōu)異，適應(yīng)性愈加強大。未來儀器儀表在自動化控制與應(yīng)用中呈現(xiàn)出智能化、網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展趨勢，繼續(xù)為人類的福祉做出貢獻。
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