智能儀表可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)方法分析

杜偉東

摘 要：本研究主要針對智能儀表可靠性問題進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)可靠性優(yōu)化方案的構(gòu)建。闡述儀表優(yōu)化方法，開發(fā)優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件，融入抗干擾技術(shù)。研究所論述的可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)適用各類儀表，具備高度可靠性、安全性特點(diǎn)，并且成本較低，在市場競爭中具備較大優(yōu)勢，社會(huì)效益明顯。

關(guān)鍵詞：智能儀表；可靠性；優(yōu)化設(shè)計(jì)

智能儀表為單片機(jī)、嵌入式系統(tǒng)多功能測量設(shè)備，該類設(shè)備需具有智能量測、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)傳遞、功能多樣等優(yōu)勢。在工業(yè)等領(lǐng)域具有不可替代作用，主要作用于檢測、抄表等需求范圍。國際、國內(nèi)智能儀表應(yīng)用普及，我國大力推進(jìn)相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。但智能儀表與國外對比質(zhì)量存在明顯不足，主要原因?yàn)閲鴥?nèi)企業(yè)產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)水平較低，缺乏系統(tǒng)性優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。該研究針對智能儀表可靠性不足缺點(diǎn)，針對性解決其問題，利用新型優(yōu)化方案，使相關(guān)企業(yè)實(shí)現(xiàn)成本與可靠性雙贏的目的。

1 智能儀表與普通儀表可靠性分析

將F（x）設(shè)定為儀表運(yùn)行電路，x作為輸入信號(hào)，包括電源信號(hào)、測量對象信號(hào)；y表示輸出信號(hào)，普通儀表各部分設(shè)定為串聯(lián)系統(tǒng)，元器件并無損傷，單元正常，系統(tǒng)可正常運(yùn)行，F(xiàn)（x）可以正確運(yùn)算。若產(chǎn)生干擾，x轉(zhuǎn)換為x，一般繼續(xù)進(jìn)行F（x）運(yùn)算，輸出產(chǎn)生錯(cuò)誤，干擾消失后元器件正常，輸出恢復(fù)正常。所以儀表可靠性對儀表運(yùn)行具有重要意義，依靠各個(gè)元器件。若為智能儀表，則可將In18031核心智能儀表為案例，對工作過程進(jìn)行分析。見下圖。

智能儀表流程圖

2 智能儀表可靠性優(yōu)化方案

在可靠性設(shè)計(jì)優(yōu)化過程中，應(yīng)利用可靠性相關(guān)理論，將智能優(yōu)化方式作為基礎(chǔ)，計(jì)算機(jī)智能技術(shù)為鋪墊，將智能儀表優(yōu)化所需條件滿足，產(chǎn)品應(yīng)具有較高性能參數(shù)，最終所開發(fā)的儀表具備可靠性高、體積小等特點(diǎn)。在設(shè)計(jì)流程中，首先需要對儀表設(shè)計(jì)可靠性進(jìn)行分析，并明確電子元器件的邊界，依據(jù)相應(yīng)條件構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，其中需涵蓋變量、目標(biāo)、評(píng)價(jià)等內(nèi)容，主要應(yīng)用算法為蟻群算法，在此算法基礎(chǔ)上對儀表可靠性進(jìn)行深入開發(fā)，并設(shè)計(jì)出相應(yīng)的優(yōu)化軟件，對主要依靠的技術(shù)進(jìn)行分析，具體內(nèi)容如下：

2.1 可靠性評(píng)價(jià)方案

智能儀表可靠性評(píng)價(jià)為判定儀表組件可靠性的方法，也是可靠性評(píng)價(jià)的主要方式。本次研究采取壽命分析方式，對優(yōu)化后的儀表可靠性進(jìn)行評(píng)價(jià)，其評(píng)價(jià)內(nèi)容為產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及功能可靠性、數(shù)學(xué)模型穩(wěn)定性、科學(xué)性。對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及現(xiàn)場使用數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)處理，使數(shù)據(jù)處理方法與產(chǎn)品壽命分布契合，進(jìn)而開展擬合優(yōu)化檢測。根據(jù)數(shù)理統(tǒng)計(jì)原則，將產(chǎn)品所需參數(shù)提取，并根據(jù)相關(guān)公式進(jìn)行計(jì)算，據(jù)壽命分布關(guān)系，將所需參數(shù)結(jié)果計(jì)算。

2.2 可靠性優(yōu)化建模

將優(yōu)化設(shè)計(jì)方法作為架構(gòu)，可靠性設(shè)計(jì)原則為約束條件構(gòu)建模型。①據(jù)所設(shè)定的可靠性優(yōu)化目標(biāo)，規(guī)劃生產(chǎn)流程所需數(shù)學(xué)函數(shù)。②據(jù)行業(yè)儀表電子元件相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，劃分電子元器件邊界約束條件。③據(jù)智能儀表在生產(chǎn)過程中所需可靠性函數(shù)，規(guī)劃電子元器件對應(yīng)限制條件。④與其他約束條件結(jié)合，將其中所需變量等羅列，據(jù)上述條件構(gòu)建優(yōu)化數(shù)學(xué)模型。

2.3 可靠性優(yōu)化計(jì)算方式

數(shù)據(jù)模型構(gòu)建后，需選擇適當(dāng)優(yōu)化計(jì)算方式。智能儀表可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)質(zhì)內(nèi)容為：在滿足智能儀表所需優(yōu)化條件后，設(shè)計(jì)好組件間的組配方式。針對組配問題需應(yīng)用蟻群模擬算法開展，將所需結(jié)果計(jì)算。計(jì)算流程為：首先需據(jù)算法建立元器件數(shù)學(xué)模型；其次需根據(jù)相關(guān)條件及模型優(yōu)化方式，構(gòu)建螞蟻路徑矩陣等相關(guān)變量。第三，依靠節(jié)點(diǎn)活動(dòng)概率等標(biāo)準(zhǔn)確定元器件選擇方式。第四，依靠智能儀表所需可靠性組件，建設(shè)目標(biāo)函數(shù)。第五，根據(jù)成本最優(yōu)組配標(biāo)準(zhǔn)，對螞蟻可能活動(dòng)范圍進(jìn)行界定，并構(gòu)建相應(yīng)函數(shù)。第六，根據(jù)元器件組合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，建設(shè)啟發(fā)式因子信息素優(yōu)化算法，收尾工作則是建設(shè)成功元器件可靠性優(yōu)化模型。

3 智能儀表可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件構(gòu)建及抗干擾措施

3.1 智能儀表可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件

應(yīng)用上述方案，開發(fā)智能儀表可靠性優(yōu)化軟件，將所述優(yōu)化方法進(jìn)行功能性分析。在此優(yōu)化軟件中，需含有電子電子元件管理模塊、儀表可靠性設(shè)計(jì)模塊、可靠性分析模塊、可靠性評(píng)價(jià)模塊、儀表可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊、結(jié)果仿真模塊等，軟件中所應(yīng)用的設(shè)計(jì)腳本為C語言，并在Visual Studio 2012環(huán)境中將算法作為優(yōu)化平臺(tái)，下一步設(shè)定專項(xiàng)數(shù)據(jù)處理庫。此優(yōu)化軟件可實(shí)現(xiàn)智能儀表可靠性優(yōu)化工作，將電子元件表述信息做相應(yīng)處理，實(shí)現(xiàn)全面目標(biāo)優(yōu)化。

3.2 抗干擾措施

電源凈化：為防止程序正常運(yùn)行，需進(jìn)行抗干擾設(shè)計(jì)，電源干擾一般可通過其他渠道對單片機(jī)造成影響，導(dǎo)致程序失控，所以采取電源凈化方式可使構(gòu)建的智能儀表系統(tǒng)更具可靠性。完善的電源濾波為較好抗干擾方法，需在變壓器左側(cè)裝置電源濾波器，在直流端進(jìn)行CLCII型波凈化。

光電隔離：智能儀表輸入、輸出與單片機(jī)系統(tǒng)采取光電隔離方式十分必要?？衫脝纹瑱C(jī)系統(tǒng)與外界聯(lián)系，抗干擾能力強(qiáng)。數(shù)字信號(hào)隔離屬于簡單光電隔離方式，直接利用光電耦合器實(shí)現(xiàn)。這種方式光電隔離方便，價(jià)格便宜。

4 結(jié)語

智能儀表應(yīng)用可靠性做為生產(chǎn)企業(yè)長期關(guān)注的重點(diǎn)問題，所采取多種方式進(jìn)行可靠性設(shè)計(jì)，但并未達(dá)到理想標(biāo)準(zhǔn)。在此背景下開展本次研究，并取得顯著成果，將成本與可靠性關(guān)系有效處理，在實(shí)踐中該儀表系統(tǒng)具有強(qiáng)大兼容性，可實(shí)現(xiàn)企業(yè)生產(chǎn)目標(biāo)，在市場競爭中居于主動(dòng)地位。

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