基于嵌入式的智能化与网络化的自动化仪表应用分析

刘鹏宇

（大庆石油天然气有限公司天然气分公司油气加工四大队北II浅冷站，黑龙江 大庆 163000）

基于嵌入式的智能化与网络化的自动化仪表应用分析

刘鹏宇

（大庆石油天然气有限公司天然气分公司油气加工四大队北II浅冷站，黑龙江 大庆 163000）

随着知识经济时代到来，工业生产对于数字化、智能化技术设备运用能力越来越强。嵌入式自动化仪表的使用受周围环境影响程度低，即使在一些恶劣生产环境下仍能正常运转；而且自动化控制系统对工艺设备，也起到了监督指导作用，因此被广泛应用于现代化生产中。基于此，本文将探讨嵌入式智能化自动仪表设计分析与网络化实现。

嵌入式；自动化仪表；智能化；网络化

传统仪器仪表抗环境能力差，易被工业粉尘进入仪器内部而产生故障，其自身在集成化处理与储存容量上，也不能满足现代生产工艺要求。而嵌入式自动化仪表不但具有强大控制处理系统，还有自我学习系统与记忆系统，其网络化实现也为现代工业生产带来更大便利。

1 嵌入式自动化仪表介绍

现代工业生产设备具有很强适用性，依据生产需要，配备不同功能。嵌入式系统也正是将此优势最大发挥，按照系统功能剪裁软硬件，提高设备适应能力，目前被广泛应用于各类电气设备设计中。目前共有三类主要嵌入式系统：基于单片机系统、工业化单板机系统、MPU系统。这三类系统，依据使用要求不同也各具特色，如MPU系统，是32位嵌入式处理器，不但控制性能良好，而且具有强大功能支持各类软件，系统资源较为丰富。

将嵌入式系统与现代化仪表相融合，对仪表各部分操作部位都进行了升级，使系统不再只是设备一部分附属品，而是具有指导监控功能。使仪表可以对应外界环境变化，调节内部设计安排，精细化监督设备加工过程，而其网络化设计还提供了远程操作等功能，节省更多人力，真正实现自动化无人生产模式。

2 嵌入式自动化仪表设计分析

嵌入式自动化仪表设计最大特色在于其新系统设计部分，将软件功能开发与硬件功能设计相结合，使其内部资源得到最优化利用，这就是软硬件协同设计思路，总体分为四部分：系统功能描述划分，软硬件功能分解，协同模拟，软硬件综合。这四个模块，相互配合，互相制约，如图1。

图1 嵌入式仪表设计布局

2.1 系统功能描述及划分

传统仪表设计中，设计人员注重硬件功能设计，一般先进行硬件功能采集设计，其后才是软件系统配对，再进行系统测试，这种设计思路很容易导致重复设计，一旦设计不合理无法通过测试阶段就要重头设计，设计成本过高，不能及时满足市场需要。而功能描述、划分阶段，则是在设计初期先利用修改性能好或是不具备实现性能语言编写程序，进行系统功能测试，如果通过测试并且符合使用要求，则进行后续步骤；如果出现错误中断测试，可以及时找出错误重新编写，以此来保障程序运行稳定性，避免后期设计返工，节约设计成本。

2.2 软硬件功能分解

这是资源配置阶段，在系统功能总体确定后，进行功能任务细分，依照设计目标以及软硬件驱动性能，使每个功能运行达到最优化目标。与传统设计模式相比，提高了软硬件配合能力，将软件系统由附属地位提升到操作地位，使系统设计更加合理。

2.3 系统协同模拟

将软件设计周期与整个系统设计周期相结合，在进行软硬件分布设计之后，提供模拟环境，进行进一步调试，提高系统实际运行能力，并且找出系统与软硬件不匹配部分进行重新分配设计。

2.4 软硬件综合

在模拟运行之后，进行软硬件综合设计步骤，使得系统结构更加完善。硬件构件与软件构件都要进行综合处理，使系统逻辑更加严密，拥有最低冗余度与最高专用性。另外自动化仪表设计，还包括核心内容设计，将上述几种嵌入式系统分别运用于核心设计中，提高设备性能。自动化管理要求仪表所具有功能要更加全面，因此8-16位嵌入式系统在功能提供上，已不能满足实际应用需要。而一些新型嵌入式处理器不论是在成本上还是抗损耗能力上，也都有一定程度下降，提升了仪表高新系统嵌入可能性。如上所提到MPU系统，内核为32位，其最大特点为集成通信，包含了4种不同通信处理通道，支持多项通信软件，而且这些通道具有同步协议功能，提高了系统环境适应能力，加强了自动化仪表网络化实现可能(图2)。

图2 智能前入式自动仪表的硬件系统设计

3 嵌入式自动化仪表网络化实现

自动化仪表网络化实现想法，其实在自动化仪表应用之初就已经被提出了，但其技术难关主要出现在，网络通信协议、运行速度要求与仪表内部设置不能相互统一。仪表内部中等运行速度处理器，如果在接受多种网络通信信号时，就会发生信息滞留，同时协调处理容易造成系统内部瘫痪，破坏系统逻辑处理能力，同时可能会激发隐含程序错误，降低仪表使用功效。而随着对于仪表网络化实现研究加深，也提出了新网络化难题解决方案，主要介绍以下两种。

3.1 通过EMIT技术接入网络

EMIT技术又称为微型嵌入技术，这种技术引入了网关附加系统，等同于添加了一项通信数据综合处理器。网关系统通过红外线、CAN、射频等轻量级总线与多种嵌入式设备连接起来，每个设备将传递信息发入到网关之中，由网关程序进行处理和协调，具有修改设备变量功能。网关可以同时管理多个嵌入式设备，提高仪表适用性。自动化仪表通过实现网络化以后，与计算机具有相同功能，成为网络控制中一环，可以实现远程控制，数据采集。

3.2 实时操作RTOS系统

传统仪表控制系统，由于自身控制系统与储存容量限制，很难实现实时操作控制，但新型仪表设计模式，提升了仪表软、硬件构建适用度，并提高了工作效率，这些都促成了实时操作实现。

RTOS系统主要有以下几项优点：第一，主程序被分为多个控制任务，使任务安排更加细化，也方便系统识别操作，降低了分操作难度，提高了操作速度。第二，为保证重要信息处理时间，该系统会依照初始设置，进行任务信息分类，如报警信息在处理优先顺序上高于普通监控返回信号判断，因此提高了仪表自动化监控功能性。而且优先处理系统会有时间保障，在时间范围内不断发出警告提示，降低大型错误触发几率，提高整个生产过程安全性。第三，稳定性。由于系统本身使用最新处理技术，故对于稳定性有先天保障，而且其细化任务处理与信号顺序安排，都提高了运行速度，从而减轻了系统运行压力，提高了稳定性。

4 结语

现代化生产越来越趋于自动化无人管理模式，因此对于设备要求也逐步提高。嵌入式自动化仪表，也在这种背景要求下，逐步改进设计理念，升级软硬件配置，从而提高设备适应性能。而且其网络化实现，不但节省了大量人力使用，同时还提高了设备监控能力。

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1671-0711（2016）12（上）-0148-02