工業(yè)自動化儀器儀表控制系統(tǒng)設計及開發(fā)

唐忠垚，朱大明

（1.重慶川儀自動化股份有限公司，重慶401121；2.中國石油四川石化有限責任公司，四川成都611930）

工業(yè)自動化儀器儀表控制系統(tǒng)對于實現(xiàn)智能化控制，及時調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)自動化儀器儀表控制系統(tǒng)存在控制指令不夠完整，對儀器儀表數(shù)據(jù)的變化不夠敏感等問題，無法形成精準的儀器儀表控制系統(tǒng)，對儀器儀表無法進行完全快速的控制，這就導致了工業(yè)自動化儀器儀表實現(xiàn)智能化控制的步伐停滯不前，很不利于儀器儀表的工作，無法實現(xiàn)實時調整狀態(tài)和接收指令[1]。因此，建立一個能夠精準控制工業(yè)自動化儀器儀表的控制系統(tǒng)來實現(xiàn)各零件之間以及儀器儀表與計算機之間的數(shù)據(jù)與指令傳輸變得非常重要。本文通過設計控制系統(tǒng)的硬件及軟件，生成一個新的控制系統(tǒng)，在理論上可以對儀器儀表進行精準高效的控制[2~3]。通過實驗，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)市場發(fā)展情況

當前我國工業(yè)市場產(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。我國雖然在工業(yè)產(chǎn)品的發(fā)展上遇到了一定的困難，但仍在作出獨立決定的過程中。在精密校準、儀器刻度盤、儀器內部保養(yǎng)等方面還有很多機會。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)字化相結合得益于信息化，全球儀器儀表市場將繼續(xù)增長，電子測量儀器市場的前景仍然樂觀。此外，我國將在儀器出廠前進行三步檢查。第一步是確定儀表測量的內部精度，第二步是確定表盤的拋光程度，第三步是判斷外部計數(shù)器結構是否完整。另外，在我國的儀器發(fā)展階段，對儀器的制造有相應的標準和要求，測量的精度準確度等都需要一定的進步空間，而且，現(xiàn)在中國市場的需求趨近于多元化，國家不斷增加基礎建設的投入力度，在旺盛市場需求的帶動下，對儀器需求不斷增加，同時測試儀器市場也正在快速發(fā)展。

2 工業(yè)自動化儀器儀表控制系統(tǒng)硬件設計

設計工業(yè)自動化儀器儀表控制系統(tǒng)首先要進行硬件的設計，控制系統(tǒng)需要將儀器儀表與計算機進行連接，通過二者之間的連接來實現(xiàn)計算機控制工業(yè)自動化儀器儀表的目的[4]。GPIB總線的傳輸能力強，可以實現(xiàn)儀器儀表之間或者是儀器儀表與計算機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算機在理論上可以實現(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于各個機器之間的距離有嚴苛的要求，因此，本文采用星型連接方法連接儀器儀表與計算機。以計算機為中心，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。

圖1 控制系統(tǒng)電路圖

如圖1所示：中間的接口為計算機接口，四周的四個接口為儀器儀表接口，呈星型分布，且各個儀器儀表之間也可以進行數(shù)據(jù)傳輸，這樣一來，該控制系統(tǒng)就實現(xiàn)儀器儀表之間和儀器儀表與計算機之間的雙向高速信息傳輸。

3 工業(yè)自動化儀器儀表控制系統(tǒng)軟件設計

3.1 建立控制指令

利用VISA所提供的函數(shù)來建立計算機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VISA系統(tǒng)進行初始化，查看VISA中與儀表儀器進行通訊的數(shù)據(jù)類型對象是否可以使用，開啟VISA函數(shù)庫。用viOpen建立計算機和儀器儀表之間的對話聯(lián)系，它可以將計算機發(fā)出的行為指令轉換為數(shù)據(jù)形式傳輸給儀器儀表，用來對儀器儀表的工作作出指示[6]。它會給出儀器儀表的線路樣式、地址等信息，使得VISA可以對該儀器儀表進行定位，其次它會對儀器儀表進行訪問，一般情況下默認完全訪問，這樣可以更好的實現(xiàn)計算機與儀器儀表之間的雙向信息傳遞。它存在一個固定的時間設置，超過該時間會直接認定數(shù)據(jù)發(fā)送失敗。

viPrintf用于發(fā)送儀器控制指令，通過設置初始參數(shù)的方式來觀察儀器儀表的動作或者狀態(tài)，根據(jù)儀器儀表需要調整的部分向其發(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相對應，并將傳回的數(shù)據(jù)進行儲存。viClose是用于結束計算機與儀器儀表之間對話的函數(shù)，在不需要調整控制儀器儀表后使用該函數(shù)進行收尾[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)及指令通過計算機進行傳輸，之后再回收儀器儀表傳回的數(shù)據(jù)，形成計算機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。

圖2 所建立控制指令

3.2基于LABVIEW控制儀器儀表

LABVIEW的編程方式簡單，設備驅動程序種類繁多，分析和表達功能較強，可以快速且簡單地構建各種各樣的儀器系統(tǒng)。LABVIEW目前的開發(fā)可以滿足復雜的系統(tǒng)設計要求，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。其仿真和調試工具可以對儀器儀表的動態(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。

圖3 自動化儀器儀表控制操作平臺

利用LABVIEW程序可以較為容易的改變相應的設置及功能，更好地對儀器儀表進行控制。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行數(shù)據(jù)交換。在利用VISA設置了儀器的初始數(shù)據(jù)之后，對返回的數(shù)據(jù)進行解析，生成動態(tài)鏈接庫，得到的儀器波形根據(jù)控制指令，就能實現(xiàn)對儀器儀表的控制[9]，見圖4和圖5。

圖4 加密時機方案參數(shù)表

圖5 基于LABVIEW控制儀器儀表流程圖

4 實驗

為驗證本文設計的工業(yè)自動化儀器儀表控制系統(tǒng)實際應用效果，選擇了本文設計的控制系統(tǒng)作為實驗組，兩種傳統(tǒng)控制系統(tǒng)作為對照1組和對照2組進行實驗，通過控制系統(tǒng)在控制工業(yè)自動化儀器儀表時的反應時間來對三種控制系統(tǒng)進行對比研究。為了防止出現(xiàn)偶然性或其他影響因素，選擇了十個不同的儀器儀表進行實驗，表1為實驗數(shù)據(jù)。

表1 三種控制系統(tǒng)反應時間/s

根據(jù)表1的實驗數(shù)據(jù)可以得出：實驗組在10次實驗中的反應時間皆小于兩組對照組，實驗組的平均反應時間為0.266s，對照1組的平均反應時間為0.614s，對照2組的平均反應時間為0.82s。實驗組的平均反應時間比對照1組快0.348s，比對照2組快0.554s。

由此可見，本文設計的控制系統(tǒng)在反應時間上優(yōu)于傳統(tǒng)控制系統(tǒng)，因此，本文的控制系統(tǒng)更好。

5 自動化儀表的發(fā)展方向

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

6 結束語

本文針對工業(yè)自動化儀器儀表進行了一個控制系統(tǒng)設計，通過實驗發(fā)現(xiàn)本文設計的控制系統(tǒng)比傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)反應時間更短，有效地節(jié)省了工業(yè)自動化儀器儀表的控制時間。本文由于篇幅的原因，在實驗過程中僅測試本文設計的系統(tǒng)和傳統(tǒng)系統(tǒng)的反應時間，對于其他方面例如控制的精準度、對數(shù)據(jù)的敏感程度還未進行實驗，因此還存在一些不足。在未來工業(yè)自動化儀器儀表的控制上，可以參考本文設計的系統(tǒng)以實現(xiàn)快速控制的目的。