工業(yè)自動(dòng)化儀器儀表控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

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摘要：由于傳統(tǒng)控制系統(tǒng)軟件建立的控制指令不全面，導(dǎo)致指令傳輸較慢，設(shè)計(jì)新的工業(yè)自動(dòng)化儀器儀表控制系統(tǒng)。在控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)上，選擇利用GPIB總線，通過星型連接方法連接儀器儀表與計(jì)算機(jī)。在軟件設(shè)計(jì)上，利用VISA提供的函數(shù)庫建立控制指令，形成計(jì)算機(jī)與儀器儀表的雙向信息交流，再通過LABVIEW的編程方式，讀取儀器的波形，實(shí)現(xiàn)對(duì)儀器儀表的控制。為驗(yàn)證新控制系統(tǒng)的可靠性，選擇了十個(gè)儀器儀表，利用兩種傳統(tǒng)控制系統(tǒng)作為對(duì)照組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，實(shí)驗(yàn)組的平均反應(yīng)時(shí)間為0.266s，對(duì)照組的平均反應(yīng)時(shí)間為0.614s和0.82s。由此得出，新控制系統(tǒng)在控制儀器儀表時(shí)的反應(yīng)時(shí)間更短。

關(guān)鍵詞：工業(yè)自動(dòng)化；儀器儀表；控制；系統(tǒng)設(shè)計(jì)；信息傳輸；連接

工業(yè)自動(dòng)化儀器儀表控制系統(tǒng)對(duì)于實(shí)現(xiàn)智能化控制，及時(shí)調(diào)整儀器儀表的工作狀態(tài)有著不可或缺的作用。由于目前工業(yè)自動(dòng)化儀器儀表控制系統(tǒng)存在控制指令不夠完整，對(duì)儀器儀表數(shù)據(jù)的變化不夠敏感等問題，無法形成精準(zhǔn)的儀器儀表控制系統(tǒng)，對(duì)儀器儀表無法進(jìn)行完全快速的控制，這就導(dǎo)致了工業(yè)自動(dòng)化儀器儀表實(shí)現(xiàn)智能化控制的步伐停滯不前，很不利于儀器儀表的工作，無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)調(diào)整狀態(tài)和接收指令[1]。因此，建立一個(gè)能夠精準(zhǔn)控制工業(yè)自動(dòng)化儀器儀表的控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)各零件之間以及儀器儀表與計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)與指令傳輸變得非常重要。本文通過設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的硬件及軟件，生成一個(gè)新的控制系統(tǒng)，在理論上可以對(duì)儀器儀表進(jìn)行精準(zhǔn)高效的控制[2~3]。通過實(shí)驗(yàn)，解決了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)速度較慢的問題，為未來工業(yè)自動(dòng)化儀器儀表控制系統(tǒng)的開發(fā)提供了新思路。

1我國行業(yè)市場(chǎng)發(fā)展情況

當(dāng)前我國工業(yè)市場(chǎng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，主要與成本收益比存在一定的不穩(wěn)定性有關(guān)。我國雖然在工業(yè)產(chǎn)品的發(fā)展上遇到了一定的困難，但仍在作出獨(dú)立決定的過程中。在精密校準(zhǔn)、儀器刻度盤、儀器內(nèi)部保養(yǎng)等方面還有很多機(jī)會(huì)。目前，我國與國際儀器行業(yè)的發(fā)展差距正在逐漸縮小，儀表生產(chǎn)與數(shù)字化相結(jié)合得益于信息化，全球儀器儀表市場(chǎng)將繼續(xù)增長，電子測(cè)量儀器市場(chǎng)的前景仍然樂觀。此外，我國將在儀器出廠前進(jìn)行三步檢查。第一步是確定儀表測(cè)量的內(nèi)部精度，第二步是確定表盤的拋光程度，第三步是判斷外部計(jì)數(shù)器結(jié)構(gòu)是否完整。另外，在我國的儀器發(fā)展階段，對(duì)儀器的制造有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)和要求，測(cè)量的精度準(zhǔn)確度等都需要一定的進(jìn)步空間，而且，現(xiàn)在中國市場(chǎng)的需求趨近于多元化，國家不斷增加基礎(chǔ)建設(shè)的投入力度，在旺盛市場(chǎng)需求的帶動(dòng)下，對(duì)儀器需求不斷增加，同時(shí)測(cè)試儀器市場(chǎng)也正在快速發(fā)展。

2工業(yè)自動(dòng)化儀器儀表控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)工業(yè)自動(dòng)化儀器儀表控制系統(tǒng)首先要進(jìn)行硬件的設(shè)計(jì)，控制系統(tǒng)需要將儀器儀表與計(jì)算機(jī)進(jìn)行連接，通過二者之間的連接來實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制工業(yè)自動(dòng)化儀器儀表的目的[4]。GPIB總線的傳輸能力強(qiáng)，可以實(shí)現(xiàn)儀器儀表之間或者是儀器儀表與計(jì)算機(jī)之間的雙向信息傳輸，并且傳輸?shù)乃俣确浅？?，因此，采用GPIB總線用于連接儀器儀表及計(jì)算機(jī)在理論上可以實(shí)現(xiàn)更快的控制[5]。GPIB總線的連接方法分為星型和線型兩種，由于線型連接方法對(duì)于各個(gè)機(jī)器之間的距離有嚴(yán)苛的要求，因此，本文采用星型連接方法連接儀器儀表與計(jì)算機(jī)。以計(jì)算機(jī)為中心，通過星型連接方式利用GPIB總線接入接口，控制系統(tǒng)的電路圖見圖1。如圖1所示：中間的接口為計(jì)算機(jī)接口，四周的四個(gè)接口為儀器儀表接口，呈星型分布，且各個(gè)儀器儀表之間也可以進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，這樣一來，該控制系統(tǒng)就實(shí)現(xiàn)儀器儀表之間和儀器儀表與計(jì)算機(jī)之間的雙向高速信息傳輸。

3工業(yè)自動(dòng)化儀器儀表控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1建立控制指令

利用VISA所提供的函數(shù)來建立計(jì)算機(jī)與儀器儀表之間的控制指令，VISA可以不考慮接口的方式與接口的儀器儀表種類，這種通用的形式可以增加控制系統(tǒng)的使用率。利用viOpenDefaultRM函數(shù)對(duì)VISA系統(tǒng)進(jìn)行初始化，查看VISA中與儀表儀器進(jìn)行通訊的數(shù)據(jù)類型對(duì)象是否可以使用，開啟VISA函數(shù)庫。用viOpen建立計(jì)算機(jī)和儀器儀表之間的對(duì)話聯(lián)系，它可以將計(jì)算機(jī)發(fā)出的行為指令轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)形式傳輸給儀器儀表，用來對(duì)儀器儀表的工作作出指示[6]。它會(huì)給出儀器儀表的線路樣式、地址等信息，使得VISA可以對(duì)該儀器儀表進(jìn)行定位，其次它會(huì)對(duì)儀器儀表進(jìn)行訪問，一般情況下默認(rèn)完全訪問，這樣可以更好的實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與儀器儀表之間的雙向信息傳遞。它存在一個(gè)固定的時(shí)間設(shè)置，超過該時(shí)間會(huì)直接認(rèn)定數(shù)據(jù)發(fā)送失敗。viPrintf用于發(fā)送儀器控制指令，通過設(shè)置初始參數(shù)的方式來觀察儀器儀表的動(dòng)作或者狀態(tài)，根據(jù)儀器儀表需要調(diào)整的部分向其發(fā)送控制指令。viScanf則用于接收儀器儀表所傳回的數(shù)據(jù)，和viPrintf相對(duì)應(yīng)，并將傳回的數(shù)據(jù)進(jìn)行儲(chǔ)存。viClose是用于結(jié)束計(jì)算機(jī)與儀器儀表之間對(duì)話的函數(shù)，在不需要調(diào)整控制儀器儀表后使用該函數(shù)進(jìn)行收尾[7]。通過VISA函數(shù)庫中的這些函數(shù)，將控制儀器儀表的數(shù)據(jù)及指令通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行傳輸，之后再回收儀器儀表傳回的數(shù)據(jù)，形成計(jì)算機(jī)與儀器儀表的雙向信息交流，建立了完整的控制指令，見圖2。

3.2基于LABVIEW控制儀器儀表

LABVIEW的編程方式簡單，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序種類繁多，分析和表達(dá)功能較強(qiáng)，可以快速且簡單地構(gòu)建各種各樣的儀器系統(tǒng)。LABVIEW目前的開發(fā)可以滿足復(fù)雜的系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，它使用圖形化來編輯語言[8]。數(shù)據(jù)采集、串行儀器控制、數(shù)據(jù)分析都需要利用LABVIEW編程來完成。其仿真和調(diào)試工具可以對(duì)儀器儀表的動(dòng)態(tài)采取連續(xù)跟蹤的方式，連續(xù)地觀察部件中的數(shù)據(jù)及其變化情況，見圖3。利用LABVIEW程序可以較為容易的改變相應(yīng)的設(shè)置及功能，更好地對(duì)儀器儀表進(jìn)行控制。在打開LABVIEW的交互式環(huán)境之后，創(chuàng)建查詢、解析、讀寫等命令，這些命令可以與儀器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。在利用VISA設(shè)置了儀器的初始數(shù)據(jù)之后，對(duì)返回的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，生成動(dòng)態(tài)鏈接庫，得到的儀器波形根據(jù)控制指令，就能實(shí)現(xiàn)對(duì)儀器儀表的控制[9]，見圖4和圖5。

4實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的工業(yè)自動(dòng)化儀器儀表控制系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用效果，選擇了本文設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)作為實(shí)驗(yàn)組，兩種傳統(tǒng)控制系統(tǒng)作為對(duì)照1組和對(duì)照2組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，通過控制系統(tǒng)在控制工業(yè)自動(dòng)化儀器儀表時(shí)的反應(yīng)時(shí)間來對(duì)三種控制系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比研究。為了防止出現(xiàn)偶然性或其他影響因素，選擇了十個(gè)不同的儀器儀表進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，表1為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。根據(jù)表1的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得出：實(shí)驗(yàn)組在10次實(shí)驗(yàn)中的反應(yīng)時(shí)間皆小于兩組對(duì)照組，實(shí)驗(yàn)組的平均反應(yīng)時(shí)間為0.266s，對(duì)照1組的平均反應(yīng)時(shí)間為0.614s，對(duì)照2組的平均反應(yīng)時(shí)間為0.82s。實(shí)驗(yàn)組的平均反應(yīng)時(shí)間比對(duì)照1組快0.348s，比對(duì)照2組快0.554s。由此可見，本文設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)在反應(yīng)時(shí)間上優(yōu)于傳統(tǒng)控制系統(tǒng)，因此，本文的控制系統(tǒng)更好。

5自動(dòng)化儀表的發(fā)展方向

自動(dòng)化儀表的主要發(fā)展方向有三點(diǎn)：第一，要進(jìn)行自動(dòng)化，首先要清楚明白整個(gè)儀表產(chǎn)品的制作需求，比如說要進(jìn)行測(cè)量的是電流電壓或者是其他的壓力、壓強(qiáng)、溫度等，知道測(cè)量什么再進(jìn)行產(chǎn)品智能化標(biāo)準(zhǔn)制定，盡量減輕整個(gè)儀表主機(jī)的工作壓力，可以植入PID模塊，與有關(guān)的現(xiàn)場(chǎng)儀表在一起，實(shí)現(xiàn)自主調(diào)節(jié)，大大提高了整個(gè)儀表產(chǎn)品工作的效率，而且減少了工作的誤差。第二，自動(dòng)化只是一個(gè)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)，在這個(gè)目標(biāo)進(jìn)行之前要使精度符合儀表標(biāo)準(zhǔn)，不僅是工程要求，對(duì)于安全性、穩(wěn)定性都有一定實(shí)際意義。第三，就是網(wǎng)絡(luò)化，在工作過程中可以將儀表測(cè)量和工程的各種數(shù)據(jù)進(jìn)行公示，再進(jìn)行數(shù)據(jù)的明確對(duì)比，如果出現(xiàn)問題可以通過網(wǎng)絡(luò)的公式化計(jì)算第一時(shí)間得以發(fā)現(xiàn)，然后進(jìn)行針對(duì)性的解決措施。

6結(jié)束語

本文針對(duì)工業(yè)自動(dòng)化儀器儀表進(jìn)行了一個(gè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)本文設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)比傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間更短，有效地節(jié)省了工業(yè)自動(dòng)化儀器儀表的控制時(shí)間。本文由于篇幅的原因，在實(shí)驗(yàn)過程中僅測(cè)試本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)和傳統(tǒng)系統(tǒng)的反應(yīng)時(shí)間，對(duì)于其他方面例如控制的精準(zhǔn)度、對(duì)數(shù)據(jù)的敏感程度還未進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，因此還存在一些不足。在未來工業(yè)自動(dòng)化儀器儀表的控制上，可以參考本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)快速控制的目的。

作者:唐忠垚 朱大明 單位:重慶川儀自動(dòng)化股份有限公司 中國石油四川石化有限責(zé)任公司