1． 引言

　　作为一国工业现代化发达程度标志之一的精密仪器仪表产业，目前正经历着第二次跳跃（跨越）发展。第一次是从模拟式测量到数字化智能型高精度、高稳定性的数字化测量、运算分析、诊断、以及控制等功能的跨越发展。早在几年前工业网络及数字化在线分析器在过程自动控制中的应用，就已经率先在以石油和煤炭为主的能源工业，以钢铁、化工为主的原材料及化肥工业的流程上开展起来，并取得了令人鼓舞的成果。最近全国化肥行业会议已经形成决议，推荐建立我国自己的行业现场总线和网络通讯标准。这标志着我国工业过程生产自动化已经开始第二次跳跃，向以通讯为基础的网络化、信息化方向发展：具有检测、监控、信息传输特征的数字化仪器已经成为集监、管、控综合功能为一体的监管控网络系统最前端的网络神经元。这种网络化分布式智能计算系统以其高效率、大信息量、高度实时性之优势发展十分迅速，通过网络利用数字在线监测设备所提供的信息，实时掌控现场实时情况（数据/信息），已成为ERP体系中的重要资源并因此而迈进信息化阶段。

　　2． 数字化在线分析器在现代工业过程自动控制领域的作用及国内外现状

　　2.1 作用

　　为了了解这个作用有必要简略介绍工业过程自动控制的思想及其体系结构。工业流程自动化这一过程经近半个世纪的发展使现代生产在降低生产成本、控制产品质量、提高生产效率、减少能源消耗、充分利用企业资源以满足产品品种变化，质量不断提高等方面取得很大成绩，而作为在线气体分析仪器被纳入这个系统，除了上述这些因素以外，还有生产过程的安全监测，生产过程所造成或产生的污染情况的监测，这些对现代工业生产来说都需要实时性的检查与控制。工业流程自动控制系统的发展到目前大体形成如下图所表示的企业一级的体系结构。

图1: 一个现代工业自动化过程控制体系结构

 

　　现代流程制造企业的监督、管理与控制从技术实现方面考察，从下往上有三个主要层次：
　　1）FCS/DCS层，即现场总线网络层
　　2）MES层，即制造执行管理系统或生产执行系统层
　　3）ERP层，即企业资源规划层即高层管控层

　　FCS层是自动化最底层的现场控制器、现场数字化智能仪器设备互连的实时监测控制通讯网络，是全数字式的连接，它遵循ISO的OSI开放系统的互连参考模型的全部或部分通讯（握手）协议。这一层所完成的主要工作是：将总线上传输的信号按照“信息公路交通规则”进行编码、解码，转换、甄别、纠错、分配等等；由于其历史的原因，DCS接纳的在线仪器可以是数字式的也可以是模拟量输出的。当前一个发展趋势是FCS被部分或大部分纳入到DCS中，替换其信号获取的方式，现场进行大量的底层运算从而对风险较低的分布式计算模式的发展有极大促进。

　　MES可以为用户提供一个快速反应、有弹性、精细化的制造业环境，帮助企业减低成本、按期交货、提高产品和服务质量。不仅适用于众多的基础产业，还有如家电、汽车、半导体、通讯、IT、医药等行业，能够对单一的大批量生产和既有多品种小批量生产又有大批量生产的混合型制造企业提供良好的企业信息管理。目前不论是国外还是国内，都在大力发展MES以提高企业竞争力。

　　ERP层在于对一个生产段内部，或由数个生产段构成的一个完整的生产流程段，乃至整个企业进行资源的最优化管理，使其得到更加高效率的合理的使用。

　　作为要连入FCS的在线分析器的主要工作是：将物理信号转变成数字信号并对其进行转换、处理、运算、分析、编码存储、编码传输等，并对这个分析计算设备本身进行自适应调节，自整定，自标定以及检查报警、识别故障，记录状态并报告等等，要满足这些，在线分析仪器必须是数字化的，因为信息量的增大以及FCS结构的要求就是信息的全数字化流通。

　　这种系统结构有效地解决了DCS的结构性问题：在很大程度湖广泛的范围内化解了分布式控制集中式运算对系统的所承受的集中性风险，使中枢神经尽可能地避开这种风险。

　　图2展示了一个具有现场总线接口能力的数字化在线气体分析器接入工业自动监控网络体系。

图2 具有现场总线接口能力的数字化在线气体分析器接入工业自动监控网络

　　2.2 目前国内外数字化在线分析器的现状

　　诸如流量、压力、位移等数字化在线智能测控仪表等目前国际上已进入比较成熟的阶段，国内发展则十分迅速，但是数字化气体在线分析仪器在这方面的发展在我国却相对滞后。

　　1、国外一般情况

　　上个世纪80年代末90年代初开始，几个主要的国外在线分析器生产厂家如SIEMENS、ABB、ROSEMOUNT、YOKOGAWA、SICK│MAIHAK等将数字化的在线分析仪器打入中国市场。这些产品都是数字化产品，大部分具有数据通讯和网络通讯能力。其一般特点如下：
　　A） 对采集信号进行数字运算和分析；
　　B） 测量信号的输出表达均呈线性特性；
　　C） 测量信号屏幕直读，均有传统的模拟信号输出；
　　D） 具有数字补偿功能，有些是自动的，有些需要人工进行；
　　E） 有较强的自诊断能力；
　　F） 功能很强的通讯能力，通常的RS232/485等，也有网络或总线输出；

　　2、国内情况

　　目前国内有不少生产在线气体分析器的厂家，投入市场的数字式的在线分析器也有不少品种。模拟量输出如20mA的电流环路输出是必备的，相当一部分产品具有RS232或485串行口输出能力，但掌握的资料而言，目前只有北分瑞利集团北分麦哈克公司一家的产品具有现场总线接口能力。

　　导致目前这种状况的主要原因据了解有这样几个：

　　1、国内许多过程工业现场的条件不具备，很多仪器都是模拟量的，同时工业网络的建立需要一定的投资，建立、完善，这需要时间和资金的持续支持，这对国内众多中小型企业来说，呈现出较大的困难。工厂的设备更新改造不但需要资金、技术等的支持，对它也有一个认识过程，为这种设备更新的未来预期收益所投入的成本与所能得到的收益对企业来讲总是比较模糊而且这种收益并非能100%保证，如果不是对生产或安全有重大影响的情况时企业下这个决心有很大难度；

　　2、仅有这种功能的仪器但没有其运行的平台即较为成熟的工业网络也发挥不了作用，从而延缓甚至在一定程度上阻滞了仪器设备生产厂商的开发动力。虽然随着国外先进的成套设备的引进，仪器与平台安装并运行而且显现出很好的运行效果，但由于其价格偏高，使得众多用户想装备但也望而却步；

　　3、另一方面，国内DCS近一二十年的发展已经相对成熟，能够较顺利地将模拟仪器的输出纳入到工业网络系统中去，一部分用户并不急于更新提高，这更使供货商在这方面的投入意念不强，动力不足。

　　但是，发展是持续的而且是快速的。工业现代化产生成果的同时所带来的负面效应日益明显，更大地降低能源和原材料消耗，更严格地控制污染（排放），更加安全地生产等，使得国际现场总线技术及流程现场装备的发展势头十分迅猛，国内一些基础产业如能源、材料等工业领域早几年也已经开始运用，并且产生了良好效果，越来越多的工业部门认识到这些是现代工业过程自动化生产的重要目标和要求之一，是一个必然的发展趋势，而作为体现并实现这一思想的现场总线及其满足这一要求的在线分析器设备是促进并推动过程工业自动化向更高程度发展的必须具备的物质条件，为适应这种发展北京北分瑞利集团北分麦哈克公司推出了具有这种功能的产品。其更进一步的内容稍后还有介绍。

　　3． 在线分析器的发展简述

　　在线分析器成为现代工业现场网络最前端的神经元这一趋势的发展在两个方向上开展：首先是其本身的智能化即分析器不仅要有很强的计算能力还要具有满足要求的智能性；紧随而来的是要将其得到的各种信息能够大量、全面、高速、可靠地传送出去，同时能接收并执行来自通讯线路（网络）上主控设备的命令。

　　3.1 演进历程

　　50年代开始，就已经出现了所谓数字式的仪器，那时是用分立元件组成的电压/电流转换电路（以大电路板形式出现）。其输出显示是荧光灯丝，转换对象是个别的电压/电流参量。随后近10年的发展即50年代末已经有整块的电路板出现使模拟测量的精度得到了提高。在这个阶段，模拟仪器的精度、分辨率及速度等有了超过一、两个数量级的发展。

　　60年代，计算机的引入（还不是现在的PC概念的计算机），对模拟量进行终端数据处理，主要是对标准的电压电流等电量进行计算，同时不仅仅对个别的电量，也对测量系统的一些特征参量进行分析、处理、计算甚至控制。

　　70年代随着IC集成电路的迅速发展，单一功能的数字电路板被逐渐用IC代替，包括出现了日益完善的A/D转换芯片，使模拟量的数码运算向高精度高速度方向发展。

　　80年代，微处理器（MPU或CPU）开始大量进入这种运算。CPU引入的一个最重要的功能，就是加入了软件运算，这得益于微电子技术的深刻发展，这种发展促进了以其为基础的现代一系列的计算技术的发展，使计算发生了革命性变化，由早先的时域/频域分析进入所谓数字域（data domain）分析。

　　数字计算具有很多优点并呈现出很强的功能，一般来说，
　　1、高精度性，其取舍可以灵活选择，能达到所希望的任何一个极限（在考虑适当的成本时），例如π的计算，模拟运算能做到小数点后6~7位就极困难了，而数字运算可以达到小数点后的位数以万计的程度（虽然不具有工程意义）；后续有具体例子加以对照
　　2、具有较强的抗干扰性；利用硬件软件相结合的方法，如数字滤波，光电耦合等
　　3、能“绝对地”消除视差影响；
　　4、可以对数据进行存储；
　　5、数字、文字同时显示；
　　6、具有简单的数字传输功能；

　　90年代初，以数字计算为基础的仪器发展到具有智能特性，这一特点是以VLSI或PVLSI为基础的硬件和嵌入式软件相互之间极具艺术性的紧密结合的结果。另一方面，测量分析结果的显示部件（这种显示部件通常也带有专用CPU）由早先单纯的数字向数字、文字、图形方向发展，甚至包括谱图、峰值、趋势图等的计算绘制等。

图3 测量分析仪器内部计算方式的演进

　　A）数字化智能型在线分析器的主要特点是：
　　　 ①操作自动化，无需在测量过程中扳动开关、按钮等；
　　　 ②诊断功能；
　　　 ③消除各种干扰信号，如信号尖峰干扰、背景干扰、测量元件误差干扰、电源干扰等等；
　　　 ④数据处理：可以对数据进行自动管理，分类、筛选、计算、统计等，而且都可自动完成；
　　　 ⑤数字、文字、图形同时显示；
　　　 ⑥具有海量的、高速的包括数字、文字、图形在内的数字信息传输功能（网络）；
　　　 ⑦单个主测成分或/和多个主测成分，多参量测量与检测；
　　　 ⑧在线式编程技术奠定了柔性化生产方式的基础；

　　图3可以简要说明在线分析仪器在计算技术方面及主要功能方面的大致演变过程。

　　B）作为在线气体分析仪器，其数字化要求是上述许多功能被日益要求在现场就要实时完成，与实验室很是不同。数字化智能分析仪器具有如下一些主要特点：
　　1、智能计算特点，对输入信号将线性补偿、跨度移偏、温度补偿、背景补偿、故障诊断等有综合处理能力；
　　2、单量程的测量分析，实现多个量的测量分析（与模拟不同）
　　　 ①单一量程，附带多重参量；如自动标定操作，需要日期、时间、单点/双点量程，切换时间间隔等等所谓辅助参量；
　　　 ②多量程，附带多重参量。
　　3、精度高，测量范围宽，1:10，1:100，可以应对需要测量范围比较宽的场合；
　　4、中间量程，不但有且可任意截取；
　　5、信号传输、采用标准化接口、信息量大、全面、高速，且可以收发/反控。

　　在线分析器所要解决的主要是测量算法和一部分分析算法。测量算法要解决的主要问题有提高信噪比、被测信号的线性表达、跨度偏移、仪器漂移、灵敏度干扰，谱图或/及趋势图的分析以及诸如报警限检查、仪器本身的内部运行状态包括故障等其他参量的诊断及检测，再有可用于控制的开关量信号等。

　　目前国内生产在线气体分析器的厂家也有一、二十家左右，投入市场的数字式的在线分析器也有不少品种。其中以北分麦哈克公司的产品较具有代表性。其C系列产品包括红外线分析器（光声气动式、半导体型）、氢分析器（热导式）和氧分析器（热磁式、电化学式）均具有国外产品的几乎全部特点。这一系列产品为北分麦哈克公司自行研制开发，并具有批量生产能力，这一软硬件成果具有完全的自主知识产权。目前采用在我国使用比较广泛的CAN总线和以太网接口，但也可根据国内市场的需要，移植其它总线标准。

　　这个系列产品具有如下一些特点：
　　1） 测量信号的精度有了很大提高，（表）
　　2） 测量信号的输出表达均呈线性特性，
　　3） 具有多个量程（双量程），具有中间量程，量程比可以达到1:10，
　　4） 测量信号屏幕直读，传统的20mA电流模拟信号输出，
　　5） 具有数字补偿功能，有自动的，也有人工进行的，
　　6） 自诊断能力，包括各种电源信号监测，重要资源例如存储器检查等，
　　7） 功能很强的通讯能力，有RS232/485等，还有以太网络或CAN总线输出，
　　8） 所有输出信号全部隔离，
　　9） 解决可靠性，具有自恢复功能，如看门狗、冷热启动等

　　（1）C系列产品使用了多种数字化计算方法，例如：
　　　　 1） 数字信号处理
　 　　　　　数字滤波器，以提高选频信噪比并使信号“清晰化”为根本目的，
　　　　 2） 标度变换
　 　　　　　使用多种方法将传感器的输出信号“还原”成被测信号的不同量程及其标度或量纲。
　　　　 3） 非线性校正
　 　　　　　用软件实现非线性校正的优点是可以灵活地采用多种计算方法而且可以容易地进行精度取舍。有多种方法，例如拟合法、最佳一致逼近法等等；
　　　　 4） 数字信号滤波
　 　　　　　使用了诸如去极值平均滤波、队列均值滤波、加权滤波等等；
　　　　 5） 补偿算法
　 　　　　　对一些参量进行补偿，例如测量部件温度的自适应补偿、环境温度补偿、背景补偿等等。
　　　　 6） 解决长效漂移，利用数字运算可以是用户了解仪器长时间使用后的漂移情况，10%，20%，30%（严重漂移）等

　　这张表列举了几个例子。

QGS-08C红外线气体分析器

公司原产品

主要指标

线性误差：为±1% SP
漂移影响：全量程范围±1%/7天
交叉干扰：为1% SP，
温度影响：为1% SP，5℃～40℃

线性误差：为±1% SP
漂移影响：（微量）高1倍
交叉干扰：高1倍
温度影响：高1倍

 

QGS-5101C数字化热磁式氧分析器

公司原产品

主要指标

中间量程（SP）：2%
漂移影响：全量程范围±1%SP/1d，2%/7d
线性误差：为±1% SP
重 复 性：为±0.5% SP
环境温度：为±1% SP /±10℃

中间量程：无
低于5101C 1.5～4倍
低于5101C 1.5～4倍
低于5101C 2倍
低于5101C 1.5～4倍

 

QRD-1102C数字化热导式氧分析器

公司原产品

主要指标

漂移影响：为±1% SP /7d
中间量程：按规格
线性误差：为±1% SP
重 复 性：为±0.5% SP
环境温度：为±1% SP/±10℃

比1102C低1倍
中间量程：按规格
比1102 C低1倍
比1102 C低1倍
比1102 C低1倍

 

GXH-105C半导体红外线分析器

公司原产品

主要指标

测量气体：NH3、CH4、CO、CO2等多种
量程范围：0.1%～100%
中间量程：量程的最小比1:10
线性误差：为±1%SP
漂移影响：全量程范围±1%/7天
交叉干扰：为1%SP
温度影响：为1%SP

测量气体：NH3、SO2
量程范围：5%～25%，
中间量程：无
线性误差：为±3% SP
漂移影响：差105C许多
交叉干扰：无此功能
温度影响：差3倍

 

DHY-102C电化学氧分析器

公司原产品

主要指标

量程范围：0～100%
中间量程：量程的最小比1:10
漂移影响：全量程范围±1%FS/7d
线性误差：为±1%SP
环境影响：抗氢及其他腐蚀性气体

无

　　（2）北分麦哈克公司C系列产品的信息传输不但提供了比较丰富的内容，而且具有多种传输形式。

　　传输的信息内容，包括有每一时刻的日期时间、带量纲的测量值、标定值、跨度漂移值、偏移值、温度值以及仪器当时的各种状态，故障信息等等；

　　信息传输形式有如下几种：

　　 1、传统的标准RS232C。这是单点对单点的通讯，其信息可以直接在电脑上按字符终端方式接收直接显示阅读，

　　 2、RS485总线传输。依据RS485规约，它是一个多点对单点的通讯网络。C系列产品总线的从节点（下位机），接收主节点的查询及控制命令，并返回给主节点相应的测量数据及状态信息。多台C系列产品与监控中心可以组成一个网络监控系统。其组站很方便，实时性高，数据传输可靠性较高，传输速率从20kbit/s到200kbit/s，依据规约，这与传输距离有关。

　　 3、CAN现场总线
　　 C系列产品遵循CAN总线物理层与数据链路层的两层协议。作为从站点，接收总线上主站点的查询及控制命令，并返回本站点相应的测量数据及状态信息。依据协议，CAN总线具有数据包自动纠错重发功能，显著改善了RS485总线数据的丢包率，使得网络传输的可靠性更高。
　　 作为现场总线的代表之一，CAN总线（包括其他现场总线）具有如下一些特点：
　　 1） 数字化 将企业管理与生产自动化结合在一起，使信息孤点通过FCS得以消除。此外，数字化信号固有的高精度，抗干扰特性也能提高控制系统的可靠性。
　　 2） 分布式 在FCS系统中各现场设备具有足够的自主性实现了测量与控制分散在各个现场节点，而不再需要一个中央控制计算机实现了真正的低风险的分布式控制。
　　 3） 开放性（兼容性） 开放性表现在通讯控制规约的国际化（标准），同时供应商可以根据用户的需求也进行开放式扩充。这一特点保证了不同厂家按找规约生产的设备可以互操作，从而使用户选择不同厂商的产品集成系统，有效地避免了用户受到DCS集中控制方式带来的单门厂家的限制，使用户多了自主性。
　　 4） 双向串行传输 模拟信号是单向的
　　 5） 节省布线空间 现场总线的特点使连接进入主控柜的线缆大幅度减少，两个优点非常显著：
　　 ① 既降低了干扰几率；
　　 ② 有减少了用户成本。

　　4、以太网
　　目前采用在链路层使用UDP协议进行数据传输，这个架构为软件进一步扩展采用TCP/IP协议奠定了一个基础和平台。通过TCP/IP以太网可以直接与Internet互连网连接，从而达到对C系列在线分析器产品的远程监测与控制。

　　5、考虑到最近全国化肥行业会议已经形成决议，准备在全行业推行贯彻我国自己制定的EPA总线标准，该标准已经被IEC接纳作为国际推荐标准之一这一重大进展，本公司的C系列产品现场总线的网络通讯协议也将会争取采用我国自己推出的标准并努力使其在我国相关行业获得广泛应用。

仪器后面板图片。

　　4．总结

　　数字化在线分析仪器进入现代工业自动化流程生产监测控制，使得现在FCS这种现代工业过程自动控制系统，大踏步地的进入以基础产业为主的工业生产流程控制领域，以FCS为主融合DCS的过程控制系统已经成为目前流程工业自动化发展的主流方向。

　　数字化在线分析仪器作为网络神经元，有机地融入网络系统，可实施远程监控，并为高层决策实时提供信息，将是工业现代化和信息化的发展趋势。