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盤古學報

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無紙記錄儀技術發展趨勢
發布時間:2015/3/12 15:15:17
 

 要:本文介紹了無紙記錄儀產生的兩大關鍵技術,在發展中出現的一些重要技術。著重介紹了無紙記錄儀技術發展趨勢:通訊網絡化、良好的人機交互、超大存儲與文件系統、靈活的結構,高可靠性的硬件與軟件。

關鍵詞:盤古自動化,無紙記錄儀,技術趨勢,以太網,文件系統,電子簽名,模塊化

 

Abstract: Introduced two key of paperless recorder technology in developing some of the most important technology.Focuses on the development trend of the paperless recorder technology: communications networking, good human-computer interaction, large storage and file systems, flexible structure, high reliability of hardware and software.

Key words: PANGU automation,  Paperless recorder,Technology trend, Ethernet, File system, Electronic signature, Modularization

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近十多年來,對現場關鍵數據采集、保存的重要性獲得前所未有的共識,無紙記錄儀的市場獲得了長足的發展。隨著市場的擴展,無紙記錄儀的技術無論在深度和廣度上都取得了前所未有的進展,其特征是與高新技術結合,在方法和體系上開始發生很大變化。計算機技術、信息技術、新型開關電源技術等電子、軟件領域的滲透與交叉融合,推動了無紙記錄儀技術的形成和發展。

1     無紙記錄儀早期的技術特征

無紙記錄儀的形成,始于石化工業。20世紀90年代前,石化行業在記錄現場的流量、溫度、壓力等參數時,使用有紙記錄儀。有紙記錄儀的缺點很明顯,顯示不直觀(只有趨勢顯示),需要定期換紙、更換墨水等耗材。隨著電子產業的發展,兩項關鍵技術的突破使得無紙記錄儀的開發成為現實。

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1.1    液晶顯示技術

液晶顯示器出現前,業界使用CRT顯像管作為電子顯示的方式。CRT顯像管體積大、功耗高、抗震性差、且需要高壓來驅動顯示,無法作為工業儀表的顯示器。而液晶顯示器作為新興的顯示技術,具有重量輕、厚度薄、抗震性好等新特性,使用LED發光二極管或者CCFL作為光源,是工業儀表理想的顯示器。

早期液晶顯示器均為單色(黃底黑字),分辨率不高(128*64像素),一般自帶顯示控制器,微控制器使用并行總線與顯示控制器連接,可用來顯示數字和曲線,并可顯示漢字。

1.2    固態電子存儲器(閃存)

記錄是無紙記錄儀的主要功能?;诳拐鸬目紤],軟盤、硬盤等帶活動部件的存儲技術無法滿足工業應用的要求,而EEPROM的存儲容量不足以用來作為數據存儲器。閃存(Flash memory)是一種電子式可清除數據存儲器,允許在操作中被多次擦或寫的存儲器,由日本東芝公司與1984年發明。

閃存分為Nand FlashNor Flash兩種類型。Nand Flash具有存儲量大,擦寫速度快的特點,但是由于生產工業的原因,在存儲空間中存在壞塊,因此無法用于高可靠性要求的工業數據記錄應用。而Nor Flash可靠性高,且能擦寫100萬次以上,是無紙記錄儀數據存儲的理想選擇。

2     無紙記錄儀技術的發展

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2.1    萬能信號輸入技術

無紙記錄儀作為模擬信號采集裝置,需要接入現場多種傳感器信號。早期無紙記錄儀使用單類型信號調理模塊作為模擬信號轉換,熱電偶、熱電阻、電壓、電流等信號需使用不同的信號調理模塊,這種信號處理方式給用戶帶來極大的麻煩。

萬能信號輸入技術使用光繼電器作為不同信號類型的切換開關,同時使用運算放大器和模擬開關輔助切換信號量程,使得各種不同信號類型和不同量程的傳感器只需要通過軟件組態設置,即可輸入儀表。用戶再也無需為傳感器和信號調理模塊的匹配問題而煩惱。

2.2    數字通訊技術

隨著工廠信息化程度的提高,現場的傳感器數據需要在工廠的信息系統中集中顯示,無紙記錄儀需要提供通訊接口。通訊接口分為物理鏈接和通訊協議兩部分:

物理鏈接:RS232RS485是兩種常用的串行通信技術。RS232只能一對一通訊,且通訊距離一般不超過10米。而RS485可以多機通訊,使用差分信號,傳輸距離超過1000米。因此,RS485是工業現場最常用的通訊方式。

通訊協議:ModbusModicon1979年為使用可編程邏輯控制器(PLC)而發布的。Modbus是工業領域通信協議的業界標準,并且現在是工業電子設備之間最常用的連接方式[1]。Modbus比其他通信協議使用的更廣泛的主要原因有:

l   公開發表并且無版稅要求;

l   相對容易的工業網絡部署(使用RS485);

l   對生產廠商,修改移動原生的寄存器沒有很多限制;

2.3    數據轉存

無紙記錄儀在儀表內部存儲了大量的數據,隨著計算機的普及,在儀表上操作查看歷史數據顯然不如在電腦上查看方便,且計算機提供了數據錄入、分析、打印等功能,是儀表上無法實現的。而大量的數據通過串行通訊進行上傳,速度慢、時間長、容易傳輸失敗,而且有很多現場并沒有將無紙記錄儀進行通訊聯網。使用優盤和使用SD卡是常用的兩種數據轉存方式。

使用優盤或SD卡時,需在儀表上增加USBSD接口[2]。使用傳統的8051處理器無法滿足USBSD接口的高速數據傳輸需求,而32位的ARM高速處理器可以實現USB接口等功能。優盤和SD卡具有高抗震性,支持熱插拔,存儲容量大等特點,一個優盤或一張SD卡即可存儲幾百臺無紙記錄儀的存儲數據,用戶可一次備份多臺儀表,統一在電腦上查看數據,方便抄表使用。

由于SD卡具有體積小、功耗低的特點,可作為無紙記錄儀的擴展存儲器,利用無紙記錄儀的自動備份功能,使儀表的連續存儲時間成倍增加。

3     無紙記錄儀技術的發展趨勢

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3.1    以太網、無線通訊、物聯網技術

基于數據傳輸量的增加和通訊速度的要求,傳統的串行通訊已經無法滿足未來的通訊需求。工業以太網及基于以太網的無線通訊技術的普及對無紙記錄儀提出了新的通訊需求。

國外廠商在多年前就已經提供了以太網的產品,而國內廠商由于技術積累薄弱和市場需求疲軟等原因,基本沒有提供此類功能。

l   以太網(Ethernet)是一種計算機局域網組網技術,通常使用TCP/IP通訊協議?;?/span>TCP/IP通訊協議,可實現多種無紙記錄儀需要的功能[3]。

l   實時數據傳輸:使用MODBUS/TCP協議,可實現與基于RS485MODBUS-RTU相同的實時數據通訊功能。

l   歷史數據傳輸:使用FTP協議,可實現計算機直接讀取儀表內的記錄數據,速度快,且可直接使用瀏覽器訪問,無需專用軟件。

l   時間同步功能:由于硬件時鐘運行時間長后,總會存在誤差,而時間是記錄數據準確的一個重要維度。使用SNTP(簡單網絡時間協議),可實現網絡內無紙記錄儀的時間同步,使記錄數據更準確。

l   瀏覽器訪問功能:儀表內構件一個HTML服務器,用戶通過瀏覽器遠程訪問無紙記錄儀,即可看到與記錄儀顯示一樣的畫面,且可進行在記錄儀上相同的操作。

而在即將到來的物聯網浪潮中,無紙記錄儀將由一個的模擬信號與數字傳輸之間的轉換設備,轉換為傳統的模擬傳感器與新興的物聯網連接的一座橋梁,既降低用戶部署新型互聯的技術難度,同時也保護了用戶現有的操作習慣。

3.2    高分辨率顯示與觸摸交互技術

智能手機和平板電腦的流行使用戶對工業儀表的顯示與操作提出了更高的要求。傳統的無紙記錄儀由于技術與成本的原因,并沒有使用高分辨率顯示屏,顯示不清晰,顏色效果差。在操作方面,由于儀表面板體積受限,使得儀表的按鍵數量較少,用戶在操作時相當麻煩,尤其是歷史曲線查詢、組態設置等操作。

高分辨率顯示需要使用新型的液晶顯示控制器、大容量的顯示緩沖以及高速數據傳輸總線才能實現。液晶顯示控制器分為MCU自帶控制器、專用液晶顯示控制器、使用CPLD/FPGA自行開發三種。目前的工業MCU自帶的控制器和專用液晶顯示控制器能驅動的顯示分辨率在640*480以下,不適用與高分辨率液晶的驅動。因此,實現高分辨率顯示需使用CPLD/FPGA自行開發。

觸摸屏使得傳統的按鍵式操作相形見絀,滑動移動曲線、雙指縮放曲線、全字母鍵盤點擊輸入等功能令人神往。觸摸屏的技術難度不在硬件而在軟件。觸摸屏操作必須結合良好的UI才能獲得良好的體驗。

3.3    實時操作系統、超大容量存儲及文件系統技術

以太網通訊、無線通訊、高分辨率顯示、觸摸交互,這些技術如果沒有操作系統和文件系統的支撐是無法實現的,而工業現場的要求使得這個操作系統必須是一個實時操作系統。

現有的實時操作系統很多,主要由WinCE、VXWorks、uC/OS-II、FreeRTOS、eCOS[4]。各廠商可根據實際應用選擇適合的操作系統。

現有的無紙記錄儀的存儲容量普遍在100MB以下,這是由兩方面的原因造成的。一是工業級的固態存儲器普遍容量不高,二是在1GB以上的存儲方式下,沒有文件系統無法實現空間的有效管理,而現有的文件系統無法適應在頻繁掉電下工作。

工業級寬溫SLC Nand Flash能很好的適應各種嚴酷的場合,同時容量已經可以做到32GB,可以作為無紙記錄儀的理想存儲介質。

無紙記錄儀文件系統要實現掉電不丟失數據,需要在硬件上提供掉電通知和掉電延遲時間,在接到掉電通知后,利用掉電延遲時間,將未保存的數據保存至文件系統中,同時加入有效的糾錯功能,才能保證文件系統的穩定可靠。

3.4    電子簽名技術及相關軟件

無紙記錄儀作為有紙記錄儀的替代者,通過良好的顯示界面和方便的操作特性基本上已經將有紙記錄儀趕出了歷史舞臺。但是在食品加工和醫藥加工行業,由于文件防篡改和可追溯性的要求,有紙記錄儀尚有生存空間。

電子簽名,是解決無紙記錄儀記錄數據的可靠性的解決方案。所謂電子簽名,是指數據電文中以電子形式所含、所附用于識別簽名人身份并表明簽名人認可其中內容的數據。美國的FDA使用21 CFR Part 11認證來確認電子記錄的有效性[5],中國的GMP認證也將電子簽名作為電子記錄有效性的保證。

無紙記錄儀的電子簽名技術是食品和醫藥加工行業記錄數據電子化的必然選擇。

3.5    創新的儀表結構與模塊化信號輸入輸出技術

目前的無紙記錄儀,信號輸入輸出板卡一般都內置在儀表內部。這樣的設計有幾個問題:

l   模擬信號經過連接器多次轉接,精度受損,且容易受到干擾。

l   板卡損壞后更換不方便。

l   板卡數量受限。

l   儀表體積較大,安裝不方便。

將信號輸入輸出板卡模塊化后,模擬信號直接進入模塊,連接可靠,信號受干擾最少。同時由于信號模塊獨立,使得各種專用模塊(如高速信號采集、電量、化學電信號、加熱控制、運動控制等)同時與無紙記錄儀連接成為可能。

模塊與儀表之間可通過各種標準現場總線進行靈活連接,可支持多種安裝方式(如儀表裝在儀表柜面板上,模塊裝在導軌上)。由于模塊可以分離,使得儀表可連接的模塊數量可大幅增加,輸入信號數量不再受儀表體積限制。

未來,無紙記錄儀與PLC、DCS的硬件將趨于同質化,他們之間的界限將變得模糊,用戶可以選用到更適合自己的產品。

3.6    高抗擾開關電源技術

模擬電源的高可靠性一直是開關電源不能比擬的,但開關電源的體積小、重量輕、效率高、運行溫度低、電壓適應范圍寬等特性也十分突出。

工業現場對儀表的干擾主要是兩種:浪涌和群脈沖。其中群脈沖干擾儀表運行,而浪涌直接導致儀表損壞。目前,無紙記錄儀對群脈沖的干擾已經基本克服,絕大多數場合下均能正常使用,而浪涌則一直是未能克服的障礙。

實現抗浪涌干擾的突破,對儀表的可靠性將有極大的提高。

4     結束語

無紙記錄儀作為一種傳統電子儀表,已經經歷了20年的風雨歷程,技術是無紙記錄儀產生、發展的源泉。緊跟技術發展的腳步,無紙記錄儀將始終在工業自動化領域占有一席之地!

[參考文獻]

[1] MODBUS Protocol Specification,

http://www.modbus.org/docs/Modbus_Application_Protocol_V1_1b3.pdf

[2] 周立功;《USB 2.0OTG規范及開發指南》.北京航空航天大學出版社出版發行.2004

[3] 范建華,胥光輝,張濤;《計算機科學叢書·TCP/IP詳解卷1:協議 2005

[4] 馬薩;《嵌入式可配置實時操作系統eCos軟件開發》2006

[5] CFR - Code of Federal Regulations Title 21,

http://www.accessdata.fda.gov/scripts/cdrh/cfdocs/cfCFR/CFRSearch.cfm?CFRPart=11&showFR=1

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