工业智能自动化仪器仪表的应用和发展
发布时间：2021-07-14
摘要为提高精准制造、智能控制能力，仪器仪表从单一应用监测向技术创新、智能自动化逐步进行产业升级。多种技术应用于仪器仪表中，拓宽了仪器仪表在多个领域的应用，在结构性能、结构设计、应用环境等方面得到极大提升，随着各类高新技术的叠加效应，仪器仪表在发展中呈现出信息整合、技术融合、远程控制和设备本身轻量化的发展趋势。
关键词工业技术;智能化;自动化;仪器仪表
《中国制造2025》中指出，近年来中国将以新一代技术等十大领域作为重点发展方向，并统筹布局各类智能设备的产品研发及产业化。仪器仪表作为工业领域信息表达和传递的重要载体，加之智能自动化技术高速发展的重要加持，在性能、操作及结构等多方面形成新的需求，这就倒逼仪器仪表在智能化、自动化方向不断革新与推广。鉴于此，深入对智能自动化仪器仪表设备的研究和探索具有重要意义。
我国当前阶段智能自动化仪器仪表主要使用在流量测量、压力传感、温度监测等几个方面，通过对环境的感知与信息收集，反馈到云端进行数据计算和处理，再以可视化的方式展示出来。但是由于技术更新快、应用层基础不坚实、硬件设备与多种技术融合过程中存在问题等原因，仪器仪表的智能化自动化进程仍需改进和优化。
1工业仪器仪表的主要技术
智能自动化仪器仪表主要由传感器、变送器和显示器三大硬件组成，分别承担数据信息采集和控制、信息分析和处理、分析结果表达的作用。在这个过程中，使用的主要技术有传感技术、智能技术、人机界面技术和系统集成技术四类[1]。
1.1传感技术
传感技术应用于工业电气自动化仪器仪表中，是实现数据收集和管理的重要体现，保障了监控系统的正常运行;除此以外，传感技术在促进工业生产各环节、各领域均实现自动化控制上也是不可或缺的。传感技术的主要载体是传感器，主要工作过程是：通过传感器获取目标信号，利用内置的单片机处理数据，再经过滤波器进行信号放大和转换，获取数字信号，之后通过对该数字信号的校正和传输、存储，指挥控制器进行实际控制。在实际应用中，结合现实需求搭载传感技术并配置正确选型的各类仪器仪表，更利于仪器仪表实现智能化和自动化。
1.2智能技术
智能技术也称智能控制技术，即对仪器仪表实现智能控制，这使得工业设备中控制和测量的工作效率得到提升，并进一步提高各类指令的准确率。在工业应用中，结合当前智能技术的研究热点和重要成果，积极推进与仪器仪表的应用结合，是提高工业产业全面自动化的重要途径和方法。
1.3人机界面技术
人机界面技术在人员操作与仪器仪表信息表达中间建立了有效通道，并渗透于工业仪器仪表控制的各个方面。人机界面技术的正确使用必须以信息表达需求为蓝本，以追求科学、合理操控方式为目标，充分考虑操作便捷性。在实际工况下，仅需操作人员输入或选择特定工作指令，即可实现对该指令的上传、分析及执行，达到远程控制指定仪器仪表设备的作用。值得注意的是，该技术在信息上传方式、信息处理速度、执行路径规划方面仍处于完善和优化阶段。
1.4系统集成技术
系统集成技术是基于仪器仪表类型和数量不断增多、全场(厂)设备管控难度和压力日渐增大的现状，实现全面智能化自动化控制的重要方式，是工业电气自动化中应用最为广泛的技术。系统集成技术注重各设备模块的通信与系统分析，对各个环节也进行有效监控，调控各设备、通信系统等各方面实现最优化，从而降低工业企业的运行和生产成本。智能仪器发展的过程中，仪器仪表和电脑的配合越来越紧密，在分布式测控系统中，使用单片机也能够对系统进行合理的设置和配合，并且对整个系统进行调试工作。
2智能化仪器仪表的应用
仪器仪表的智能化、自动化应用对工业领域的变革具有重大意义，主要体现在以下几个方面。
2.1在仪器仪表结构性能改良中的应用
智能自动化技术的应用一方面使仪器仪表具备随时处理分析数据的能力，同时能够与既往数据形成比对文件，整体上促进各类仪器仪表在测量性能和效率上的提升;另一方面智能自动化技术在各类设备中编写模糊控制程序，与微处理器、微控制器等技术有机结合，通过设置数据的上下限实现决策。如该技术应用于传感器上，由于利用软件实现信号滤波，促使在仪器仪表的结构性能上进行了简化和改良：以粮食分选和再生资源分选行业中使用的光电分选机为例，传感器阵列中利用智能自动化技术对粮食或再生资源进行识别，再依照预设物质特征的分类信息，通过映射网络和BP网络结合的方式处理传感器中收集的信号，由控制系统实施具体分类，不仅提高了识别率，在仪器仪表的应用场景上也做出了新的尝试和探索。
2.2在虚拟仪器结构设计中的应用
在虚拟仪器仪表中，智能化自动化也体现出了其独特的竞争优势。在仪器仪表结构设计中，仪器厂商以总线仪器驱动器为标准，设计出一套不同于以往源代码形式的软件，并进行UI设计，在PC端显示仪器仪表测量的各类数据，运算主体由仪器仪表转移到能力更为强大的计算机，极大提高了驱动器的运行效率和编程质量，这不仅简化了开发程序和用户操作，还持续提高运行和计算效率，改善虚拟仪器仪表的结构和性能[2]。
2.3在仪器仪表网络化中的应用
计算机构建的网络结果赋能于各类仪器仪表，通过软硬件联调来合理配置资源和分配计算模块，使得计算机网络与仪器仪表功能叠加显示优势，超出机械叠加的效果。如当前使用较为广泛的数字万用表和示波器，在传统功能上附加计算机网络的识别软件及模式，使得仪器仪表在数据信息测量和分析过程中，展现出灵活的网络适用性。
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3智能化仪器仪表的发展趋势
时代的进步和技术的迭代发展，促使工业领域仪器仪表的自动化、智能化趋势也愈加明显，尤其在项目全生命周期信息整合、技术融合、远程控制以及设备外形轻量化等方面，显现出巨大潜力。
3.1整合工业领域全流程信息
工业产品、项目等全生命周期信息跟踪已经成为该领域的题中之义，借由智能自动化仪器仪表实现在特定领域的信息记录、保存、传输与应用，是构成全局信息和全生命周期信息整合的重要组成部分。
3.2融合人工智能技术
人工智能技术的核心是基于一定的标准，经过复杂的、类人脑的计算而做出决策的技术，换言之，各类算法及软件是人工智能发展的核心驱动力。而仪器仪表作为人工智能的重要受体，在与算法、与软件的信息交互中，承接着信息表达、执行的重要作用。未来智能工厂成为可能，这意味着硬件与硬件、硬件与分析系统、硬件与计算系统的协作更为密切和重要，多维度的信息表达、交互和融合，不仅促使仪器仪表与人工智能技术形成“感知—分析—执行”的闭环，而且是工业领域全面实现智能化、自动化的重要途径。
3.3远程控制
近二十年来，互联网迅猛发展且势不可挡，这实现了多个领域的远程控制。在工业领域，仪器仪表的智能化自动化更新也使得操作系统升级、软件维护等工作远程控制、云端操作成为新的着力点。利用互联网监测仪器仪表的工作状态、内部电子逻辑组态的稳定程度、远程升级软件，使得仪器仪表变得更有扩展性。随着技术革新的不断加速，各种高新技术的碰撞融合[3]，远程控制各类仪器仪表也在操作更便捷、反应时间大大降低、维护成本逐步衰减等方面体现出了独特优势，这也是互联网和硬件设备博弈的最佳价值表达。
3.4轻量化、复合化
仪器仪表除了在外部控制和内部管控上的趋势之外，设备本身也逐步向外形结构更加紧凑、配件材料更加创新发展。如石墨烯或其他高分子材料应用于仪器仪表配件内部，可一定程度降低信号传输的阻力，加快仪器仪表的传输速度;另外仪器仪表在外形上的轻量化改进，也将降低生产成本，提升应用范围。
4结束语
工业技术领域各类智能化自动化仪器仪表的应用和发展，推动了行业的发展，在硬件设备上更是在结构、设计、操作、应用等多方面、全方位的进行技术迭代更新，进一步拓展了仪器仪表的应用空间，还使得智能化、自动化在仪器仪表上应用更加自如，可以说智能自动化技术通过提升仪器仪表的功能性能也进一步推动了现代工业生产的发展。——论文作者：王尚
