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关注自动化仪器仪表智能化技术的状况与进展
关注自动化仪器仪表智能化技术的状况与进展
作者：
上海大学自动化系 郎文鹏 赵维琴
关键词：
智能化 过程操纵 网络操纵
1 引言
众所周知，自动化仪器外表是科学进步的前提和生产活动的依据。
当人类活动的领域越过感受器官极限的时候，仪器外表就成了科学进步和一切事业取得成功的前提。
许多科学的进展第一取决于仪器外表的进展。
仪器外表技术是通过测量获得数据信息的信息技术，自动化仪器外表工业是信息工业的源头，它的全然属性确实是信息性。
在生产过程中，自动化仪器外表对〝物质流〞信息进行检测、传输、显示、操纵与执行，进而实现治理和决策。
它要紧包括各种电量与非电量的传感器、变送器及自动检测外表、自动显示外表、自动调剂外表、系统操纵装置、执行器等，是国民经济各部门的重要技术装备之一。
在自动化操纵系统中，仪器外表作为其构成元素，它的技术进展是跟随操纵系统技术的进展的。
常规的自动化仪器外表适应常规操纵系统的要求，它们以经典操纵理论和现代操纵理论为基础，以操纵对象的数学模型为依据。
当今，操纵理论已进展到智能操纵的新时期，自动化仪器外表的智能化就成为必定和必须。
本文将就自动化仪器外表的智能化的状况与进展，以及当今对智能仪器外表研究、开发热点做概要的分析与表述。
作者建议人们关注自动化仪器外表智能化技术的进展，关注仪器外表装置与操纵系统技术的互动进展，这对推进我国自动化技术水平的进一步提高将是大为有益的。
2 仪器外表〝智能〞的概念需要恰当的表达与合理的运用
什么是智能化的仪器外表？
至今尽管没有一个明确的统一的定义，但作者感到在仪器外表的刊物、广告、产品说明书等中不恰当的使用〝智能化〞的情形较多，把一些还不具有智能功能的外表也称为智能外表的现象时有显现。
到底应该如何明白得和表达仪器外表的〝智能化〞，什么样的仪器外表才能称作智能化的仪器外表，作者期望理论界和实业界达到一个共同认识，能对实际的仪器外表有一个合理的、恰当的表达。
尽管，什么是〝智能〞？
目前没有统一的定义，但一样认为〝智能〞是指〝一种依照外界变化的条件，确定正确行为的能力〞。
因此，智能化的仪器外表应能随着外界条件的变化做出正确的反应，仿照和扩充人的智能行为。
从信息技术进展的几个层次看，〝数字化〞是最低层次，〝智能化〞是最高层次。
它具有总结体会、明白得、推理、判定和分析的能力。
〝智能化〞的标志是知识的表达与应用。
因此，在仪器外表中，〝智能〞的含义可有两个层面:
即采纳人工智能的理论方法和技术;具有拟人智能的特性和功能。
经常显现的情形是，把带有微处理器的仪器外表称作智能外表，事实上，应该有所区分:
假如该仪器外表采纳了人工智能的理论方法和技术或该仪器外表具有拟人智能的特性和功能，该仪器外表就可称为智能外表。
也确实是说，带有微处理器的仪器外表不一定是智能外表，而相反智能外表必定带有微处理器。
没有微处理器的外表专门难实现智能仪器外表应具有的特性和功能。
3 自动化仪器外表技术的进展历程简要回忆
（1）模拟外表时代
从20世纪60年代开始，为满足工业进展的需要，将测量记录和操纵功能组合在一起，这类外表称为〝基地式〞外表。
通常是以在带有调剂单元的显示记录仪〝基地〞上，配上测量元件及执行器构成简单操纵系统。
随着生产规模的扩大，产生了以功能划分的〝单元组合式〞外表。
依照不同的操纵要求，选择相应外表单元组合起来构成各种不同复杂程度的操纵系统。
不管是〝基地式〞外表依旧〝单元组合式〞外表，它们的共同特点差不多上模拟式的，采纳的是模拟技术，而操纵系统以经典操纵理论为基础。
（2）数字化外表时代
20世纪80年代，随着运算机技术的进展及其在仪器外表中的应用，以微处理器为核心器件的微机化外表应运而生，产生了各种数字式变送器、数字式调剂器、数字式显示记录仪、可编程操纵器和智能外表。
数字化外表与模拟式外表相比，其功能、性能、可靠性、通信功能等均有了质的飞跃。
要紧的特点是采纳数字技术，运算机技术用于仪器外表和操纵领域，运算机操纵系统在工业操纵中得到应用与推广。
（3）仪器外表新概念—虚拟外表技术
虚拟外表技术从全然上开创了仪器外表的新概念，它利用运算机技术实现和扩展仪器的功能。
它是运算机硬件资源、仪器外表测控硬件并用于数据分析、过程通信及图形用户界面的软件之间的有效结合，是一种功能意义上的而非物理意义上的仪器外表概念，软件是关键。
在虚拟外表中，运算机作为一个操纵和数据处理中心，传统外表的硬件被软件所代替，用户能够仅仅通过修改软件而达到改变外表功能的目的。
可见，仪器外表本身的硬件和软件的界限差不多模糊化了，仪器外表设计的要紧基础是它的软件，而不是传统仪器外表的硬件。
在这种情形下，仪器外表工作者从观念到知识结构和素养，都要以信息技术和网络思想来指导仪器外表的设计与应用。
（4）仪器外表真正意义上的智能化—采纳人工智能技术的智能外表
智能化的自动化仪器外表应以智能操纵理论为基础，表达人的智能行为。
人工智能是智能操纵理论的差不多组成部分之一，它以知识为基础，它的目标是建筑智能化的运算机系统，用来模拟和执行人类的智力功能，如判定、明白得、推理、识别、规划、学习和问题求解等等，进而用自动机仿照人类的思维过程和智能行为。
基于智能操纵理论基础的智能仪器外表目前大致有几方面的进展:
·专家操纵器
专家操纵系统（expertcontrolsystem,ECS）是典型的基于知识操纵系统，它是一个具有大量的专门知识与体会的程序系统。
它运用人工智能技术和运算机技术，依照某领域一个或多个专家提供的知识和体会，进行推理和判定，模拟人类专家的决策过程，解决那些需要人类专家才能解决好的复杂问题。
专家操纵器的结构按操纵要求的不同而有所不同。
典型的结构由知识库、推理机、人机接口等组成。
其中，知识的猎取、知识库的建立是关键。
人们差不多总结出的方法是领域专家和知识专家的有机结合，同时收集、归纳有体会的操作员方面的知识。
然后把猎取的知识变成可用的规那么，以期在推理过程中得到更高的命中率。
专家操纵已在工业操纵中得到广泛的应用。
·模糊操纵器
模糊操纵器（FC-FuzzyController），也称模糊逻辑操纵器（FLC-FuzzyLogicController）。
自然界的事物都具有一定的模糊性，模糊逻辑在操纵领域中的应用产生了模糊操纵技术。
由于模糊操纵技术具有处理不确定性、不精确性和模糊信息的能力，对无法建筑数学模型的被控过程能进行有效的操纵，能解决一些用常规操纵方法不能解决的问题，因而模糊操纵在工业操纵领域得到了广泛的应用。
模糊操纵器一样由输入标定、模糊化、模糊决策、清晰化、输出标定等几个部分组成。
其中，模糊化、模糊决策、清晰化是要紧和差不多的部分，〝模糊化〞将输入量（精确量）变为模糊量，〝模糊决策〞进行模糊运算，其过程是由推理机进行预估输出推理，得到模糊量输出。
〝清晰化〞将模糊量输出转化为精确量，提供给系统的驱动器定标后使用。
当前，模糊操纵技术在工业操纵中得到广泛的应用，专门在不确定性过程、难于建模的场合发挥了模糊操纵技术的长处。
模糊操纵器在家电和其它行业同样得到了广泛的应用。
·神经网络操纵器
神经网络在工业操纵系统中的应用提高了系统的信息处理能力，提高了系统的智能水平。
所谓神经网络操纵，简称神经操纵，它是指采纳神经网络这一技术对复杂的非线性对象进行建模，或担当操纵器，或优化运算，或进行推理，或故障诊断等工作。
由于神经网络具有高度的并行结构和并行实现能力，具有对任意非线性关系的描述能力，具有通过训练学习归纳全部数据能力，使得它在操纵系统中被广泛灵活地应用。
图1是神经网络PID操纵系统结构图。
图1 神经网络PID操纵系统结构图
由图1可见，这种基于多层前向网络的PID操纵方案中，采纳的是间接操纵方式，它由操纵器网络NNC和辩识器网络NNI组成。
·仿人操纵器
仿人操纵器比起专家操纵、模糊操纵等更强调对人的操纵行为和功能的综合性仿照。
在操纵过程中，它利用运算机模拟人的操纵行为和功能，实现对没有精确模型的对象进行有效的操纵。
设计仿人操纵器必须获得操纵系统的特点信息，即建立系统的特点模型，其方法是定性描述系统的动态特性，对信息空间划分出一定的区域，分别表示系统的一种特点状态，所有特点状态的集合就构成特点模型。
仿人操纵器的算法设计确实是依照特点模型和操纵模态进行合理的组合，因而就显现了多种仿人操纵模式和算法。
仿人操纵器的多模态方式在工业操纵中被广泛地采纳。
4 仪器外表技术跟随操纵系统技术进展
操纵系统进展过程中，操纵理论、仪器外表装置和系统应用技术之间关系紧密，相互依存，相互促进，但仪器外表技术总是跟随操纵系统技术进展的。
例如，在经典操纵系统和现代操纵系统中，仪器外表技术的核心技术为模拟技术，以基地式外表和单元组合式外表的方式与系统匹配。
70年代中期进展起来的分散操纵系统DCS，是操纵与危险分散、地域安装分散、而治理与显示集中的系统，代替这之前的以实现PID功能为主的模拟外表操纵系统。
以下就操纵系统进展过程中的几个重要时期，仪器外表技术的进展进行分析。
（1）分散操纵系统DCS的显现，带动模拟显示技术向数字显示技术进展
DCS是一种分层网络结构，由过程操纵器、人机界面和通信网络三部分组成。
如图2所示。
其下层负责现场级操纵任务，上层负责决策治理和和谐。
可见，DCS以通信网络为纽带，连在网络上的过程操纵站和人机界面通称为网络节点。
在DCS系统中外表的性能必须能满足系统的要求，如往常的模拟显示外表已不能满足要求，要采纳屏幕显示器CRT，模拟显示技术向数字显示技术进展。
同时要求外表具有通信能力，操纵功能下放到现场操纵外表装置中，必须研制相关的外表通信接口，对外表的可靠性也有了更高的要求，如此等等，促进了外表技术的大大进步。
此后，数字化现场外表进入DCS系统，DCS生产厂家利各种方式把数字化的现场设备集成到自己的系统中。
同时DCS中更多的智能和操纵功能将向现场转移。
仪器外表的功能和性能从而得到进一步的完善与提高。
图2 传统DCS系统
（2）现场总线智能外表随现场总线操纵系统FCS的产生应运而生
但由于，传统的DCS系统，操纵器和人机界面的软件、硬件差不多上专用的，不开放，不能互操作，也不能与第三方通信。
现场总线操纵系统FCS具有更强的开放性和有用性，因而所组建的自动化操纵系统有更大的灵活性，可为企业提供一个从现场操纵到企业治理全方位一体化的自动化解决方案。
FCS是在DCS基础上进展起来的，它将传统的外表单元微机化，以现场总线网络方式代替传统点对点连接方式，使操纵系统结构发生全然变化，不仅简化了接线，而且实现了操纵系统的灵活组态。
图3是传统DCS和现场总线结合操纵系统图。
在FCS系统中，对现场外表有了更高的要求。
跟随操纵系统技术的进展，现场总线智能外表应运而生。
那个地点，所谓的现场总线智能外表是个特定的概念，即把遵循国际现场总线协议设计制造的智能外表称为现场总线智能外表。
它是跟随现场总线操纵系统的显现而产生的。
因为在传统DCS系统中应用的模拟现场外表已不能满足现场总线操纵系统的要求，必须以遵循国际现场总线协议设计制造的智能外表来取而代之。
必须说明，那个地点的〝智能〞，要紧是指现场变送器除了具有信号变换、参数补偿等功能外，还具有操纵功能，如PID等运算操纵功能;而执行器那么除了具有调剂和驱动功能外，还具有特性补偿、自诊断功能。
这说明在现场总线操纵系统下，现场外表设备具有功能自治能力，它把传感测量、补偿运算、工程量处理与操纵等功能分散到现场外表中完成。
必须指出的是，除了上述的功能下放之外，数字式、网络化成为现场总线智能外表的核心技术。
然而由于目前现场总线多标准并存，现场总线智能外表的通信协议专门难统一，各个外表厂商均在开发符合一种或几种现场总线智能外表。
图3 传统DCS与FCS结合的操纵系统图
（3）仪器外表网络化是跟随网络操纵系统进展的产物
自动操纵系统技术从20世纪50年代的外表操纵（Instrumentation）、70年代的中央监控（CentralControl）、80年代的分散操纵（DistributedControl）、到90年代的现场总线操纵（FieldbusControl），自动操纵系统各个时期的要紧特点可用过程操纵系统PCS（ProcessControlSystem）来描述。
网络技术的进展对操纵系统产生了深刻的阻碍，网络制造新世纪。
踏入21世纪，世界进入了知识经济时代，在自动操纵领域，迎来了网络操纵（WebControl）的新时代，产生了新一代的操纵系统，这确实是过程知识系统PKS（ProcessKnowledgeSystem）。
它把操纵系统建立在企业的网络平台上，以知识治理为中心，技术核心是它的监控软件，提供一体化数据库、互联网技术、一体化网络支持、开放式系统体系等等为企业构建了一个知识协同平台。
在网络操纵系统中的仪器外表装置必须是网络化的产品。
因而仪器外表技术又有了新的进展，这确实是仪器外表的网络化。
即实现了检测、变送、显示、操纵和执行单元的网络化。
操纵信息的电气信号传输，不再通过直截了当点到点连接方式，而通过现场级网络以数字量方式进行，即外表间的信息完全依靠网络进行传输。
这确实是现场级网络技术在工业操纵系统中的显现，带来现场设备和外表单元的网络化。
自动化仪器外表技术进入了网络化的新时期。
图4示出网络化的单回路操纵系统示意图。
图4 网络化的单回路操纵系统示意图
（4）综合自化系统下，仪器外表概念向运算机及其软件系统方向突破
综合运用信息技术、自动化技术，通过网络及其支持软件构成的综合操纵系统，对生产过程的物质流、治理过程的信息流、决策过程的决策流进行有效的操纵和和谐。
从而构成企业的综合自动化系统模式。
如图5所示为近年来提出的ERP/MES/PCS（企业资源打算/生产过程制造执行系统/过程操纵系统）三层结构体系，确实是综合自动化系统的实际表达。
在这种三层结构体系情形下，必定要突破原有的仪器外表概念，因为原有的外表系统已上升为运算机及软件系统。
ERP/MES/PCS三层结构中的每一层都有自己的作用与功能:
·ERP层是治理是它的中心，通过运算机及其软件平台进行企业生产经营优化决策，即对企业的生产治理、经营决策进行优化治理。
要紧包括企业的供应链、客户关系、产品质量数据、设备资源等的优化治理;
·MES层是生产过程的运行优化层。
它在整个系统中，具有承上启下的作用，实现生产调度、物料跟踪、资源配置、流程模拟、模型运算及过程优化等功能;
·PCS层是基础自动化层。
包括我们熟知的软测量技术、实时数据库技术、可靠性技术、数据融合与数据处理技术、传感器、执行器等现场操纵设备、DCS系统、FCS系统等，实现对生产的工艺过程有效的操纵。
一个完整的、能使企业长期保持利益、有价值的综合自化系统应该是三者的有效整合。
图5 ERP/MES/PCS三层结构体系
图5中:
ESP-SimPro-生产过程流程模拟 ESP-Planning-打算排产
ESP-OilMove-油品移动与罐区治理 ESP-Qmonitor-质量监控
ESP-EMM-设备治理与爱护 ESP-Cmonitor-成本治理
ESP-SD-优化调度 ESP-Safety-故障诊断与安全治理
ESP-RTO-实时优化 Apc-DataPro-物流数据校正
Apc-Blend-油品调合 Apc-Watch-计量监测与治理
5 智能仪器外表的研究开发与有用化的进展
智能仪器外表进展专门快，在国内市场上差不多显现了各种智能化外表，例如，具有自动进行差压补偿的智能节流式流量计，具有对图谱进行分析和数据处理的智能色谱仪等等。
国际上品种更多，例如，美国Honeywell公司生产的DSTJ-3000系列智能变送器，能进行差压值状态的复合测量，可对变送器本体的温度、静压等实现自动补偿;美国Foxboro公司生产的数字化自整定调剂器，采纳了专家系统技术，能依照现场参数迅速地整定调剂器的调剂参数。
智能仪器外表的研究开发是当前自动操纵领域热点之一，有相当多的智能仪器外表已进入有用化时期，可从以下几方面进行分析:
（1）传感器、变送器、执行器等现场外表智能化是要紧热点
现场是操纵系统的前哨阵地，是操纵信息的发源地和操纵命令的操作执行地，因此能够说，现场外表是操纵系统最直截了当、最重要、最关键的部分。
由上述可知，现代操纵系统中更多的智能和操纵功能将向现场转移。
因而传感器、变送器、执行器等现场外表智能化得到飞速的进展。
这除了它本身的重要性之外，它还得益于固态传感器技术的进展，使得传感器、变送器向智能化技术迈进了一大步。
·传感器
智能变送器中，由硅制成的微传感器可按需要把信号放大、处理及操纵集成到一块硅芯片上，已研制开发出多种结构的固态硅微传感器和集成化智能变送器，它们具有信号处理及某些智能功能。
例如重庆川仪横河公司采纳先进的硅谐振传感器先后设计开发的EJA系列智能压力/差压变送器和EJX系列多变量变送器，测量精度高达0.075%和0.025%，电子部件可互换,具有自组态功能、高稳固性和高可靠性。
·变送器
智能变送器在有用过程中，经历了数模混合到全数字的进展时期。
在初期时期的智能变送器可输出模拟和数字两种信号。
例如，具有代表性的产品有:
ST3000差压变送器、3051C差压变送器、STT3000温度变送器等，它们的要紧特点是具有补偿功能和校正能力，如差压变送器有温度压力补偿能力，温度变送器有非线性校正能力，通过现场通信能对变送器进行远程组态、调零调量程和自诊断。
所有自动操纵中的大量信息都必须通过变送器引入系统，变送器必须适应和满足操纵系统的技术要求。
现场总线操纵系统中的变送器必须是数字式的，具有数字通信能力。
同时技术性能有专门大提高，一样都具有操纵功能，具有自诊断自校正和报警功能，具有更大的量程比。
由于现场总线的多标准，变送器也适应不同标准现场总线协议，显现了与不同标准现场总线配套的智能变送器。
与此同时还显现了多参数变送器，它能够同意多个输入参数，具有更多的智能功能。
值得一提的是，传感器大都存在交叉灵敏度，表现在传感器的输出值不只决定于1个参量，当其他参量变化时输出值也要发生变化，使得测量性能不稳固，测量精度低。
多传感器信息融合技术的显现解决了这类问题，所谓多传感器信息融合技术，它是通过对多个参数的监测并采纳一定的信息处理方法达到提高测量精度的目的。
神经网络技术是进行数据融合处理的有效方法，图6所示确实是一个油品含水率检测的例子，图6中，神经网络的输出节点能够直截了当输出被测水分值。
图6 神经网络法数据融合系统
·执行器
执行器在自动操纵系统中起着十分重要的作用。
智能执行器方面，由于广泛采纳和吸取微运算机操纵、微机械等新技术、新成果，应用〝微机+随动系统〞结构模式，专门是电动执行器智能化得到了进展。
就国内也显现许多新的具有智能功能的执行器。
例如上海锐凯外表的RK-Z系列电动执行器确实是其中之一。
它具有多种操纵方式、自诊断、多协议通信等功能。
美国StoneL公司把高度可靠的固态阀位传感器和现场总线技术相集成，生产了低成本、高可靠的智能阀位指示器，具有多种防护等级和通信协议。
其中通信协议有:
AS-I（执行器传感器接口）协议，Modbus协议，DeviceNet协议，FF协议。
另外，通过网关可实现与Profibus或者Ethernet及其他协议通信。
图7 智能执行器各模块间的信息流程图
图7是以人工智能理论为基础的真正意义上的智能执行器各模块间的信息流程图。
它的操纵层次包括自调整和自适应（非线性）操纵，动态性能最优（速度和精度），监控和故障诊断;它的知识库的可分析知识包括参数状态估量和操纵器设计方法，知识库的启发性知识是所学习到特性的储备;它的接口机制包括操纵（自适应）决策和故障诊断决策;通信包括内部（组件和报文）通信和外部（其它执行齐或自动操纵系统）通信。
（2）智能操纵器乃是仪器外表智能化开发、应用的主流方向
早期的智能调剂器，如美国的Foxboro-EXACT专家自整定调剂器，日本的YS-80及KMM211专家自整定调剂器，其参数调整的依据是系统的响应特性曲线。
真正的智能操纵器的开发应用要紧有两种技术路线，它们是:
·常规操纵器技术与智能操纵器技术的融合
在操纵工程中，直至今天大多数仍旧采纳PID及其改进形式的操纵器。
随着智能操纵技术的进展，显现了现代PID操纵器。
现代PID操纵器是将自适应操纵、最优操纵、推测操纵、智能操纵等操纵策略引入PID操纵中的PID操纵器。
把专家系统、模糊操纵、神经网络等智能操纵理论整合到PID操纵器中，就构成为智能型PID操纵器。
这种智能PID操纵器不需要确切明白系统的数学模型，表现了良好的可实现性和鲁棒性。
目前有以下几种类型:
基于专家系统的智能PID操纵器，它是依照专家知识和体会选出反映系统特点的参数，作为专家知识或规那么存入专家系统知识库中，再依照实时参数结合上述知识或规那么，采纳某种推理机制得出调剂操纵器的参数，从而得到最好的操纵成效;基于模糊操纵的智能PID操纵器，它是在传统的PID操纵基础上，依照知识建立模糊操纵规那么基，得到模糊PID操纵的形式，再对操纵器的输入进行模糊化、去模糊化处理最终得到离散的模糊操纵器。
它适用于高阶、时变和非线性的操纵对象，已有模糊PI操纵器、模糊PD操纵器、模糊PI+D操纵器、模糊PD+I操纵器等多种形式;基于神经网络操纵的智能PID操纵器，它是应用神经网络的自学习能力和对非线性函数的靠近能力，按一定的最优指标，调整PID操纵器的参数，适应被控对象的变化，得到最好的操纵成效。
依照神经网络的形式不同，可分为神经元PID操纵器，神经网络PID操纵器，遗传神经网络PID操纵器，模糊神经网络PID操纵器等多种形式。
不管专家系统的智能PID操纵器，模糊操纵的智能PID操纵器，依旧神经网络的智能PID操纵器，它们的共同特点是:
把操纵体会、实验数据等或归结为知识库，或制成模糊规那么表，或用来训练神经网络，来表达出系统的输入、输出信息和操纵器输出之间的关系，并能在线进行自调整和自学习。
从而使得智能PID不但不要求对象有精确的数学模型，而且还能处理非线性，时变性和不确定性因素。
因而智能PID操纵器适用于专门广泛的过程操纵，在工业操纵中得到了越来越广泛的应用。
例如，在PH值操纵系统、球形储罐的液位操纵系统、汽温操纵系统和CFB锅炉汽包水位以及多级倒立摆的操纵系统等具有严峻非线性、时变性或具有较大扰动的过程中获得了成功的应用。
·不同智能操纵方法的融合
关于专门复杂的被控对象，仅用某种单一操纵技术专门难获得高精度与快速跟踪性能，为此，采纳两种或多种操纵策略的集成技术，通过动态操纵特性上的互补以求得中意的操纵结果。
在有用过程中，通常采纳一种操纵策略为主，配合其他操纵方法，达到性能上的互补，从而构成一种集成操纵器，实现综合智能操纵。
例如专家模糊操纵器，模糊神经操纵器，神经网络专家操纵器等等。
值得注意的是，当今工业以太网已成为工业现场网络的要紧选择之一。
集成了实时操作系统（RTOS）、实时时钟（RTC）和实时操纵引擎（RTCE）的Ethernet现场智能操纵器，使得操纵功能被进一步下放到底层，而且由于具备对等通信能力，能够专门方便和低成本地将现场信号传递到工厂的另一端甚至世界各地。
由上海工业自动化外表研究所（SIPAI）开发的Ethernet现场智能操纵器，其结构示意图如图8所示。
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