工業自動化儀表與自動化控制技術的應用研究

　　摘 要：工業生產中，工業自動化儀表與自動化控制技術已經得到廣泛應用，隨著科技的進步，這些技術也得到迅速發展。文章討論分析了自動化儀表和自動化技術的特點，闡述了工業自動化儀表與自動化控制技術的使用思路，分析了工業自動化儀表與自動化控制技術的使用方法，充分說明了自動化控制系統的智能性，以及在工業生產中的應用模式，可以通過自動化系統控制數據平臺，指導工業生產，實現自動化控制的管理。

　　劉國超; 李春會， 科技創新與應用 發表時間：2021-08-18

　　關鍵詞：工業自動化儀表;自動化控制技術;系統建設

　　隨著科技的不斷進步，工業自動化儀表技術也得到迅速發展。工業自動化儀表技術，最開始應用是被動的數據測量，測量后提交到系統測量系統中，其缺點是被動測量并傳輸的數據可能會有遺漏，由于沒有按規定的時間、要求測量并傳遞，就導致一些測量數據缺失，用于系統數據分析的數據就不全面。隨著近十幾年的自動化儀表技術的快速發展，主動式數據測量系統發展很快，并被應用于制造業中，主動的數據測量能夠提前預設好整個自動化系統，在哪個位置、哪個點、哪個時間進行測量，并自動傳入自動化系統中，這樣的發展理念可以更好地協同系統整體的運行，避免數據遺漏，也便于分析數據的異常情況，方便進行追溯。自動化儀表控制技術的使用，是根據企業的實際需求設計的，它與企業系統設計特點和企業的資源供給以及員工的水平等都有關系，自動化儀表系統的應用對于提高系統的應用水平也有著重要意義。

　　1 工業自動化儀表和自動化技術的特點

　　1.1 工業自動化儀表特點

　　談到工業自動化儀表的特點，不得不討論一下工業自動化儀表測量技術的分類。工業自動化儀表測量技術分兩種類型，一種是傳統的被動式測量儀表，一種是當前普遍使用的主動式測量儀表。被動式測量儀表的特點是：根據整個自動化控制系統的測量需求，在相應的位置安裝好所需儀表，根據功能不同分為壓力表、流量表、溫度表等，通過對這些儀表所測量的數據進行處理與傳遞，以傳遞到整個工業自動化的自動控制系統中，從而進行數據統計分析其整個運行控制體系可能存在的問題、故障或安全隱患。主動式測量儀表的特點是：自動化控制系統可以根據整個系統的運行情況，根據預設好的系統方案，進行自動測量獲取數據，并用于自動化系統的數據分析。簡單地說，就是在自動化系統安裝前，要結合系統特點、電力設施特點合理安裝配置，設置適用的電力系統的使用標準，讓系統可以自動開展信號的調節與工作模式的選擇分析等功能，使得該控制儀表可以在后續運行中始終處于高效便捷的運行狀態。工業自動化測量儀表是對工業生產控制系統各類在線監測數據的獲取裝置，也是對整個生產過程控制信號的獲取和數據自主調節系統。

　　1.2 自動化技術特點

　　自動化技術剛剛興起時，技術還很落后，只能對單一數據進行測量與分析，測量誤差、分析誤差都相對較高。隨著自動化控制技術的發展，技術水平越來越高，現如今已經發展為多線程性和高精度性的控制特點，可以同時測量多個數據，而且測量精度也有所提高，誤差也相對減少。

　　對于主動式測量儀表控制系統，引用了最新的人工神經網絡控制系統和人工智能性控制系統，來替代傳統的 PLC 控制系統，這種新控制系統的使用，通過對使用過程效果的總結分析，發現新系統的應用確實比舊系統先進得多，它可以同時處理大量的數據，且能夠通過系統程序來自主排查問題，分析系統存在的缺陷，以便于分析問題產生的原因，制定較適宜的措施加以改進，進而對整個系統進行調整以達到使用要求。

　　對于精確性大幅度提高的控制和分析系統，主要是通過對于各類數據的采集、整理與研究，提高數據的精確性，減少誤差。對于該控制系統的特點，要想提高精確性，需要研究對于工作指標的選擇制訂方案，整理優化選擇方案，能夠提高整個自動化控制系統的運行水平，從而發出指令，提高整個工業自動化控制系統的運行質量。

　　2 工業自動化儀表與自動化控制技術的使用思路

　　2.1 自動化儀表的選擇

　　自動化儀表要安裝在整個運行系統中，所以在選擇儀表時，要根據其安裝環境要求、在控制系統中的作用、專業化要求的程度相適應。對于安裝環境惡劣的區域，其儀表安裝后可能出現穩定性差的缺點，要想自動化系統能夠穩定地采集數據，提供可靠的測量數據，就需要選擇質量好、穩定性好，能夠適應惡劣環境、有較高的環境抵抗力的儀表。對于當前普遍使用的主動式測量儀表系統和自動化數據測量儀表系統，其運行過程受到多種因素制約，比如，專業化線纜的連接強度、相關電子元件的環境抵抗能力等。所以，該系統不適用在環境較惡劣的空間使用。而對于高精度控制狀態的系統，則需要在控制系統中使用自主式測量系統，一方面，可以自主完成各類數據的采集監測工作;另一方面，也可以根據預先設定好的控制系統裝置，根據整個系統的指令要求，自主調節運行狀態，及時調整以適應整個自動化系統，以保證穩定的、精確的數據輸出。

　　2.2 自動化技術框架搭建

　　對于從事工業生產自動化控制技術的人來說，在進行自動化控制技術框架初步設計時，一定要選擇最適宜的、最合理的方案，同時設計方案不能太完美化，要結合實際情況考慮使用的位置、使用的環境、使用的系統，還要結合生產指標的監測要求和生產部件的精度等各方面因素，來選擇自動化儀表設備，選擇設備要保證誤差最小，在可適用的設備中，選擇穩定性最高的控制方案。

　　作者從事自動化控制技術工作多年，也曾參與過自動化儀表建設設計項目。作者認為，現代人工智能技術是比較完善的，所以可以考慮將人工智能技術納入現代化自動化技術框架內，選擇合理、合適的儀表。儀表是整個智能控制系統中，用來采集數據、獲取平臺信號的裝置，該裝置與 RFID 射頻識別技術結合，將數據傳輸到控制平臺中，這些數據即包括儀表的位置信息，也包括儀表測量的信號信息，將這兩個數據同時傳遞給控制平臺，從而通過數據分析判斷該控制區域是否有異常數據，是否存在問題瑕疵，或者該區域若出現安全問題，將帶來多大的影響，借助已經建成的數據分析模型，來實現各類數據的自動調節工作。例如，某液體輸送管道設計流速為 7-9m/s，但運行過程中，數據自動采集儀表測量的液體流速達到了10m/s，這個流速偶然出現，不會對設備、生產造成影響，但若長期保持10m/s，則可能導致管道造成不可逆的損傷。該儀表將這個測量數據通過系統傳遞給自動化平臺控制系統內，該系統可以根據系統內設置的流程，將該流速的合理值傳輸到被控制的設備中，該設備將進行合理的調控，以滿足生產要求，避免嚴重的安全事故發生。

　　2.3 自動化技術數據分析

　　自動化控制技術的數據分析，要根據不同子系統的運行要求，事先建立不同的數學模型，之后通過專業化的分析與整理，來確定是否要發出更改的指令。數據模型的建立，要考慮某一自動化儀表控制點發生故障的幾率、導致系統大范圍故障的權重和發生的幾率。經過自動化控制技術專家學者多年的研究發現，當多個自動化控制節點同時失效時，則會對整個系統造成進一步的損害，所以對于使用的數學模型計算公式，大多是計算出現風險的嚴重程度，而對于風險發生的幾率，則要綜合考慮設備運行狀態，整個系統的穩定性、運行參數的設計合理性，實際發生偏離的概率，最終確定不同風險的風險水平。當所有獲取后的信號帶入到整個計算公式中，發生風險的幾率超過 50%時，則需要做好整個節點的控制工作，需要綜合調節上下游的設備運行狀態，以保證生產安全，確保整個生產系統穩定運行。

　　3 工業自動化儀表與自動化控制技術的使用方法

　　3.1 自動化儀表的裝配

　　自動化儀表在設計安裝過程中，要考慮整個系統的運行特點，及該系統的數據采集方式、儀表使用的環境要求等，綜合考慮選擇哪類儀表。對于傳統的被動式測量儀表，只要將儀表與設備連接好就可以，這類儀表要重點考慮它所處的工作環境，要選擇對于環境的耐受力及酸堿等腐蝕性液體的耐受力更強的儀表，提高數據監測的穩定性。例如，對于某液體管道流速的監測儀表，在進行裝配時，要把儀表的連接法蘭與相關管道進行高強度的連接，確保連接緊密、無滲漏，而連接之后，對于該裝置采集的數據信息輸入到整個數據分析平臺中，并做好水壓的測試工作。對于水壓測試工作，一般會提高測試壓力，通常都是將水壓設置成正常運行狀態，管道內液體流速的 1.5 倍，這樣連續流動 10min 后，再測量管道內液體的壓力。如果管道內的壓力下降過多，則說明整個管道有漏滲情況，沒有密封好，就需要重點檢查儀表與管道相連的法蘭連接處，確定此處無滲漏點之后，再檢查管道的其他位置是否有滲漏，逐一排查問題點，找到問題后再進行整改。總之，要確保儀表裝配過程不會給管道整體的運行帶來不良影響或其他安全隱患。

　　3.2 自動化系統的設計

　　自動化系統的設計工作，是需要考慮整個自動化運行系統的自動數據采集控制理論的，采集到的數據傳輸到系統平臺中，如何發出指令，怎么進行參數調節，這個過程需要專業化分析。根據作者多年從事自動化儀表工作經驗看，就實際的作用效果，自動化系統設計項目包括相關的數學模型的建立和使用，專業化自動控制模型的建立與輸入、專業化控制線纜的設計與搭建等，要求所有的建設和設計信息都要被納入到后續的管理系統之中，以提高系統的運行水平。自動化系統設計完成，并不代表工作就完成了，也要關注后續的使用管理，要研究 RFID 射頻識別技術是否能夠很好地應用，與自動化系統的控制平臺有效關聯，并且分析選擇芯片的運行質量，做好專業化的數據編程工作，讓所有的數據都能夠被及時、準確地采集，并傳輸到控制系統平臺中，以確保自動化系統能夠獲得正確的數據，根據整個系統編程情況，做出正確的判斷與自主調整。除了依靠機器系統編程的控制，也要依賴人工控制系統，對于提高問題的處理速度和效率，都有著重要作用。方便的人工智能系統，再加上人機交互界面的安裝與使用，可以快速發現問題，并第一時間解決問題，提高解決問題的效率，提高安全保障，也降低由此帶來的損失。例如，某工業企業的自動化系統設計，就將所有的儀表與 RFID 控制芯片連接,其發送的數據與信息分析平臺相對接，以便于做進一步分析，看是否需要做相應的調整工作，確保數據準確，與運行安全。

　　3.3 自動化系統的數據模塊

　　自動化系統的數據模塊建設工作，行業內常用的做法是將整個大的系統劃分為幾個小的系統機制，對于每個系統機制要單獨設立數據模塊，以保證各自完成自己的工作與管理，對這些模塊再進行整合，以確保完成整個系統要求的數據采集與分析工作。通常這么做的好處就是為了減少整個系統數據平臺的工作壓力。在工業企業中，普遍應用的輔助性設置模塊，是單片機結構，從單片機的名字上就可以看出，這個裝置主要用來完成單機結構數據采集的，通常完成比較單一的、簡單化的工作任務。例如，對于相關信息的對比、儀表傳回信號的位置識別等。舉個例子解釋一下單片機結構的工作內容。例如，某單片機設置的程序要求是：檢測當前管道的液體壓力，當壓力超過標準值時，要將數據傳輸給數據分析平臺，當壓力值在標準要求范圍內時，不做信號的傳遞與調整工作。我們假定編寫的數據對比程序是：數據的標準值設為 X，通過管道內儀表讀取的管道內液體壓力值是 Y，后續完成信號對比工作，當 X 大于 Y 時，則該單片機不向外發出數據指令，當 X 小于 Y 時，剛要向外發出數據脈沖信號。而對于專業化的數據分析平臺，要將這些信號都收集到整個數據分析體系中，在系統內有一套完整的核算方法與程序，以上信號經過核算后，確認是否會對整個系統造成重大安全問題，若會造成嚴重安全影響，則會將信號傳遞給各相關的控制環節，統一協調進行處理，若不會造成嚴重安全影響，或不是系統性問題，只需要改變一個設備運行狀況就可以解決的，則發出單一的控制指令來解決。

　　3.4 自動化系統的控制模式

　　自動化系統的控制模式建設，不是憑空想象的，是結合要控制的實物的情況來設計建設的，根據實際情況來設計需要監測的數據、監測的位置，自動監測采集數據后傳入系統管理平臺，進行數據分析。

　　自動監測采集數據裝置，就是數據的獲取平臺裝置，比較常用的就是傳感器裝置，控制儀表獲取的數據通過通信線纜直接傳遞給數據平臺，例如單片機以及數據控制平臺，就是自主獲取數據后傳遞給被控制對象，分析數據，這種模式常常用于主控平臺。對于子控制平臺，常常選用可以同時期發送數據的控制方案，將信號收集后直接轉發給所有的被控制對象，它們的前綴部分通常都是 RFID 芯片可以識別的指令，信號被同時識別后傳入到管理系統中，進行運行的自主調整。這種方法在自動化系統控制模式中被廣泛應用，因為這種方法錯誤率低，而且傳送的效率高，可靠性好。

　　4 結束語

　　總之，工業自動化儀表技術的廣泛應用，既可以對于各類控制參數進行測量，又可以通過傳感器將自動化監測數據傳遞給數據平臺，以此分析整個自動化控制系統是否符合運行要求，從而做出相應的工作指令，對于提高系統運行的穩定性和安全性都很重要。