基于嵌入式的智能化與網絡化的自動化儀表應用分析

劉鵬宇

（大慶石油天然氣有限公司天然氣分公司油氣加工四大隊北II淺冷站，黑龍江 大慶 163000）

基于嵌入式的智能化與網絡化的自動化儀表應用分析

劉鵬宇

（大慶石油天然氣有限公司天然氣分公司油氣加工四大隊北II淺冷站，黑龍江 大慶 163000）

隨著知識經濟時代到來，工業生產對于數字化、智能化技術設備運用能力越來越強。嵌入式自動化儀表的使用受周圍環境影響程度低，即使在一些惡劣生產環境下仍能正常運轉；而且自動化控制系統對工藝設備，也起到了監督指導作用，因此被廣泛應用于現代化生產中?；诖耍疚膶⑻接懬度胧街悄芑詣觾x表設計分析與網絡化實現。

嵌入式；自動化儀表；智能化；網絡化

傳統儀器儀表抗環境能力差，易被工業粉塵進入儀器內部而產生故障，其自身在集成化處理與儲存容量上，也不能滿足現代生產工藝要求。而嵌入式自動化儀表不但具有強大控制處理系統，還有自我學習系統與記憶系統，其網絡化實現也為現代工業生產帶來更大便利。

1 嵌入式自動化儀表介紹

現代工業生產設備具有很強適用性，依據生產需要，配備不同功能。嵌入式系統也正是將此優勢最大發揮，按照系統功能剪裁軟硬件，提高設備適應能力，目前被廣泛應用于各類電氣設備設計中。目前共有三類主要嵌入式系統：基于單片機系統、工業化單板機系統、MPU系統。這三類系統，依據使用要求不同也各具特色，如MPU系統，是32位嵌入式處理器，不但控制性能良好，而且具有強大功能支持各類軟件，系統資源較為豐富。

將嵌入式系統與現代化儀表相融合，對儀表各部分操作部位都進行了升級，使系統不再只是設備一部分附屬品，而是具有指導監控功能。使儀表可以對應外界環境變化，調節內部設計安排，精細化監督設備加工過程，而其網絡化設計還提供了遠程操作等功能，節省更多人力，真正實現自動化無人生產模式。

2 嵌入式自動化儀表設計分析

嵌入式自動化儀表設計最大特色在于其新系統設計部分，將軟件功能開發與硬件功能設計相結合，使其內部資源得到最優化利用，這就是軟硬件協同設計思路，總體分為四部分：系統功能描述劃分，軟硬件功能分解，協同模擬，軟硬件綜合。這四個模塊，相互配合，互相制約，如圖1。

圖1 嵌入式儀表設計布局

2.1 系統功能描述及劃分

傳統儀表設計中，設計人員注重硬件功能設計，一般先進行硬件功能采集設計，其后才是軟件系統配對，再進行系統測試，這種設計思路很容易導致重復設計，一旦設計不合理無法通過測試階段就要重頭設計，設計成本過高，不能及時滿足市場需要。而功能描述、劃分階段，則是在設計初期先利用修改性能好或是不具備實現性能語言編寫程序，進行系統功能測試，如果通過測試并且符合使用要求，則進行后續步驟；如果出現錯誤中斷測試，可以及時找出錯誤重新編寫，以此來保障程序運行穩定性，避免后期設計返工，節約設計成本。

2.2 軟硬件功能分解

這是資源配置階段，在系統功能總體確定后，進行功能任務細分，依照設計目標以及軟硬件驅動性能，使每個功能運行達到最優化目標。與傳統設計模式相比，提高了軟硬件配合能力，將軟件系統由附屬地位提升到操作地位，使系統設計更加合理。

2.3 系統協同模擬

將軟件設計周期與整個系統設計周期相結合，在進行軟硬件分布設計之后，提供模擬環境，進行進一步調試，提高系統實際運行能力，并且找出系統與軟硬件不匹配部分進行重新分配設計。

2.4 軟硬件綜合

在模擬運行之后，進行軟硬件綜合設計步驟，使得系統結構更加完善。硬件構件與軟件構件都要進行綜合處理，使系統邏輯更加嚴密，擁有最低冗余度與最高專用性。另外自動化儀表設計，還包括核心內容設計，將上述幾種嵌入式系統分別運用于核心設計中，提高設備性能。自動化管理要求儀表所具有功能要更加全面，因此8-16位嵌入式系統在功能提供上，已不能滿足實際應用需要。而一些新型嵌入式處理器不論是在成本上還是抗損耗能力上，也都有一定程度下降，提升了儀表高新系統嵌入可能性。如上所提到MPU系統，內核為32位，其最大特點為集成通信，包含了4種不同通信處理通道，支持多項通信軟件，而且這些通道具有同步協議功能，提高了系統環境適應能力，加強了自動化儀表網絡化實現可能(圖2)。

圖2 智能前入式自動儀表的硬件系統設計

3 嵌入式自動化儀表網絡化實現

自動化儀表網絡化實現想法，其實在自動化儀表應用之初就已經被提出了，但其技術難關主要出現在，網絡通信協議、運行速度要求與儀表內部設置不能相互統一。儀表內部中等運行速度處理器，如果在接受多種網絡通信信號時，就會發生信息滯留，同時協調處理容易造成系統內部癱瘓，破壞系統邏輯處理能力，同時可能會激發隱含程序錯誤，降低儀表使用功效。而隨著對于儀表網絡化實現研究加深，也提出了新網絡化難題解決方案，主要介紹以下兩種。

3.1 通過EMIT技術接入網絡

EMIT技術又稱為微型嵌入技術，這種技術引入了網關附加系統，等同于添加了一項通信數據綜合處理器。網關系統通過紅外線、CAN、射頻等輕量級總線與多種嵌入式設備連接起來，每個設備將傳遞信息發入到網關之中，由網關程序進行處理和協調，具有修改設備變量功能。網關可以同時管理多個嵌入式設備，提高儀表適用性。自動化儀表通過實現網絡化以后，與計算機具有相同功能，成為網絡控制中一環，可以實現遠程控制，數據采集。

3.2 實時操作RTOS系統

傳統儀表控制系統，由于自身控制系統與儲存容量限制，很難實現實時操作控制，但新型儀表設計模式，提升了儀表軟、硬件構建適用度，并提高了工作效率，這些都促成了實時操作實現。

RTOS系統主要有以下幾項優點：第一，主程序被分為多個控制任務，使任務安排更加細化，也方便系統識別操作，降低了分操作難度，提高了操作速度。第二，為保證重要信息處理時間，該系統會依照初始設置，進行任務信息分類，如報警信息在處理優先順序上高于普通監控返回信號判斷，因此提高了儀表自動化監控功能性。而且優先處理系統會有時間保障，在時間范圍內不斷發出警告提示，降低大型錯誤觸發幾率，提高整個生產過程安全性。第三，穩定性。由于系統本身使用最新處理技術，故對于穩定性有先天保障，而且其細化任務處理與信號順序安排，都提高了運行速度，從而減輕了系統運行壓力，提高了穩定性。

4 結語

現代化生產越來越趨于自動化無人管理模式，因此對于設備要求也逐步提高。嵌入式自動化儀表，也在這種背景要求下，逐步改進設計理念，升級軟硬件配置，從而提高設備適應性能。而且其網絡化實現，不但節省了大量人力使用，同時還提高了設備監控能力。

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1671-0711（2016）12（上）-0148-02