工业自动化仪器仪表控制系统设计研究

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摘要：由于传统控制系统软件建立的控制指令不全面，导致指令传输较慢，设计新的工业自动化仪器仪表控制系统。在控制系统的硬件设计上，选择利用GPIB总线，通过星型连接方法连接仪器仪表与计算机。在软件设计上，利用VISA提供的函数库建立控制指令，形成计算机与仪器仪表的双向信息交流，再通过LABVIEW的编程方式，读取仪器的波形，实现对仪器仪表的控制。为验证新控制系统的可靠性，选择了十个仪器仪表，利用两种传统控制系统作为对照组进行实验。实验结果表明，实验组的平均反应时间为0.266s，对照组的平均反应时间为0.614s和0.82s。由此得出，新控制系统在控制仪器仪表时的反应时间更短。

关键词：工业自动化；仪器仪表；控制；系统设计；信息传输；连接

工业自动化仪器仪表控制系统对于实现智能化控制，及时调整仪器仪表的工作状态有着不可或缺的作用。由于目前工业自动化仪器仪表控制系统存在控制指令不够完整，对仪器仪表数据的变化不够敏感等问题，无法形成精准的仪器仪表控制系统，对仪器仪表无法进行完全快速的控制，这就导致了工业自动化仪器仪表实现智能化控制的步伐停滞不前，很不利于仪器仪表的工作，无法实现实时调整状态和接收指令[1]。因此，建立一个能够精准控制工业自动化仪器仪表的控制系统来实现各零件之间以及仪器仪表与计算机之间的数据与指令传输变得非常重要。本文通过设计控制系统的硬件及软件，生成一个新的控制系统，在理论上可以对仪器仪表进行精准高效的控制[2~3]。通过实验，解决了传统控制系统传输数据速度较慢的问题，为未来工业自动化仪器仪表控制系统的开发提供了新思路。

1我国行业市场发展情况

当前我国工业市场产业的发展，主要与成本收益比存在一定的不稳定性有关。我国虽然在工业产品的发展上遇到了一定的困难，但仍在作出独立决定的过程中。在精密校准、仪器刻度盘、仪器内部保养等方面还有很多机会。目前，我国与国际仪器行业的发展差距正在逐渐缩小，仪表生产与数字化相结合得益于信息化，全球仪器仪表市场将继续增长，电子测量仪器市场的前景仍然乐观。此外，我国将在仪器出厂前进行三步检查。第一步是确定仪表测量的内部精度，第二步是确定表盘的抛光程度，第三步是判断外部计数器结构是否完整。另外，在我国的仪器发展阶段，对仪器的制造有相应的标准和要求，测量的精度准确度等都需要一定的进步空间，而且，现在中国市场的需求趋近于多元化，国家不断增加基础建设的投入力度，在旺盛市场需求的带动下，对仪器需求不断增加，同时测试仪器市场也正在快速发展。

2工业自动化仪器仪表控制系统硬件设计

设计工业自动化仪器仪表控制系统首先要进行硬件的设计，控制系统需要将仪器仪表与计算机进行连接，通过二者之间的连接来实现计算机控制工业自动化仪器仪表的目的[4]。GPIB总线的传输能力强，可以实现仪器仪表之间或者是仪器仪表与计算机之间的双向信息传输，并且传输的速度非常快，因此，采用GPIB总线用于连接仪器仪表及计算机在理论上可以实现更快的控制[5]。GPIB总线的连接方法分为星型和线型两种，由于线型连接方法对于各个机器之间的距离有严苛的要求，因此，本文采用星型连接方法连接仪器仪表与计算机。以计算机为中心，通过星型连接方式利用GPIB总线接入接口，控制系统的电路图见图1。如图1所示：中间的接口为计算机接口，四周的四个接口为仪器仪表接口，呈星型分布，且各个仪器仪表之间也可以进行数据传输，这样一来，该控制系统就实现仪器仪表之间和仪器仪表与计算机之间的双向高速信息传输。

3工业自动化仪器仪表控制系统软件设计

3.1建立控制指令

利用VISA所提供的函数来建立计算机与仪器仪表之间的控制指令，VISA可以不考虑接口的方式与接口的仪器仪表种类，这种通用的形式可以增加控制系统的使用率。利用viOpenDefaultRM函数对VISA系统进行初始化，查看VISA中与仪表仪器进行通讯的数据类型对象是否可以使用，开启VISA函数库。用viOpen建立计算机和仪器仪表之间的对话联系，它可以将计算机发出的行为指令转换为数据形式传输给仪器仪表，用来对仪器仪表的工作作出指示[6]。它会给出仪器仪表的线路样式、地址等信息，使得VISA可以对该仪器仪表进行定位，其次它会对仪器仪表进行访问，一般情况下默认完全访问，这样可以更好的实现计算机与仪器仪表之间的双向信息传递。它存在一个固定的时间设置，超过该时间会直接认定数据发送失败。viPrintf用于发送仪器控制指令，通过设置初始参数的方式来观察仪器仪表的动作或者状态，根据仪器仪表需要调整的部分向其发送控制指令。viScanf则用于接收仪器仪表所传回的数据，和viPrintf相对应，并将传回的数据进行储存。viClose是用于结束计算机与仪器仪表之间对话的函数，在不需要调整控制仪器仪表后使用该函数进行收尾[7]。通过VISA函数库中的这些函数，将控制仪器仪表的数据及指令通过计算机进行传输，之后再回收仪器仪表传回的数据，形成计算机与仪器仪表的双向信息交流，建立了完整的控制指令，见图2。

3.2基于LABVIEW控制仪器仪表

LABVIEW的编程方式简单，设备驱动程序种类繁多，分析和表达功能较强，可以快速且简单地构建各种各样的仪器系统。LABVIEW目前的开发可以满足复杂的系统设计要求，它使用图形化来编辑语言[8]。数据采集、串行仪器控制、数据分析都需要利用LABVIEW编程来完成。其仿真和调试工具可以对仪器仪表的动态采取连续跟踪的方式，连续地观察部件中的数据及其变化情况，见图3。利用LABVIEW程序可以较为容易的改变相应的设置及功能，更好地对仪器仪表进行控制。在打开LABVIEW的交互式环境之后，创建查询、解析、读写等命令，这些命令可以与仪器进行数据交换。在利用VISA设置了仪器的初始数据之后，对返回的数据进行解析，生成动态链接库，得到的仪器波形根据控制指令，就能实现对仪器仪表的控制[9]，见图4和图5。

4实验

为验证本文设计的工业自动化仪器仪表控制系统实际应用效果，选择了本文设计的控制系统作为实验组，两种传统控制系统作为对照1组和对照2组进行实验，通过控制系统在控制工业自动化仪器仪表时的反应时间来对三种控制系统进行对比研究。为了防止出现偶然性或其他影响因素，选择了十个不同的仪器仪表进行实验，表1为实验数据。根据表1的实验数据可以得出：实验组在10次实验中的反应时间皆小于两组对照组，实验组的平均反应时间为0.266s，对照1组的平均反应时间为0.614s，对照2组的平均反应时间为0.82s。实验组的平均反应时间比对照1组快0.348s，比对照2组快0.554s。由此可见，本文设计的控制系统在反应时间上优于传统控制系统，因此，本文的控制系统更好。

5自动化仪表的发展方向

自动化仪表的主要发展方向有三点：第一，要进行自动化，首先要清楚明白整个仪表产品的制作需求，比如说要进行测量的是电流电压或者是其他的压力、压强、温度等，知道测量什么再进行产品智能化标准制定，尽量减轻整个仪表主机的工作压力，可以植入PID模块，与有关的现场仪表在一起，实现自主调节，大大提高了整个仪表产品工作的效率，而且减少了工作的误差。第二，自动化只是一个实现目标，在这个目标进行之前要使精度符合仪表标准，不仅是工程要求，对于安全性、稳定性都有一定实际意义。第三，就是网络化，在工作过程中可以将仪表测量和工程的各种数据进行公示，再进行数据的明确对比，如果出现问题可以通过网络的公式化计算第一时间得以发现，然后进行针对性的解决措施。

6结束语

本文针对工业自动化仪器仪表进行了一个控制系统设计，通过实验发现本文设计的控制系统比传统的控制系统反应时间更短，有效地节省了工业自动化仪器仪表的控制时间。本文由于篇幅的原因，在实验过程中仅测试本文设计的系统和传统系统的反应时间，对于其他方面例如控制的精准度、对数据的敏感程度还未进行实验，因此还存在一些不足。在未来工业自动化仪器仪表的控制上，可以参考本文设计的系统以实现快速控制的目的。

作者:唐忠垚 朱大明 单位:重庆川仪自动化股份有限公司 中国石油四川石化有限责任公司