工业自动化仪表与自动化控制技术探讨

工业自动化仪表与自动化控制技术探讨

任晓辉

（天津辰力工程设计有限公司300400）

摘要：由于指针式仪表工具能够直接反映仪器测量值的变化，具有结构简单、使用方便、成本低等优点，所以在目前的科学实验和工业生产中仍占有重要地位。本论文所研究的检定系统是在Windows系统平台下完成的，友好，操作简单，采用全自动控制技术可以大幅度提高检定效率，人机交互界面减少人为因素的干扰，使检定过程更加自动化，检定结果更加准确，因此实现指针类仪表全自动检定具有广阔的市场前景。

关键词：仪表；自动化；控制技术

引言

根据课题所研究的目标，采用常见的电学指针式电流表作为本论文的研究对象，以典型的扇形表盘类电流表为例，通过检定主要刻度点时指针的位置，并对检定数据的误差分析，来作为指针式仪表的整体性能评价。本论文针对指针式仪表的全自动检定技术进行研究，同时，在设计的过程中要考虑到精确度、检定效率以及经济性等要求。当前指针式仪器仪表普遍存在形状大小不一、类型多种多样、人工检定仪表工作十分烦杂，并且传统仪表检定工作人工劳动强度大，容易受人主观因素的影响，检定可靠性与精确性不高。随着现代科学技术的不断发展，工业生产数字化水平和计算机技术不断提高，应用机器视觉的非接触式来实现指针式仪表全自动检定就成为检定单位紧待解决的问题。

一、系统的构成

本论文设计的自动检定系统以PC机为核心，由控制及管理系统、测量系统和自动图像采集系统三大部分组成，其系统结构框图如图1所示。

图2自动检定系统的闭环控制示意图

2、测量系统

项目研制的测量系统由交直流标准表、自动量程切换器、直流稳压源、直流恒流源以及交流音频程控电源构成。标准表、自动量程切换器以及信号源通过RS232接口，根据制定的通信协议与主控计算机进行信息交换。

对于信号源，除增加接口外，还需要改进信号源的调节细度，使得系统软件对信号源的控制能够满足自动化检定的需要。

对于标准表通过增加外接自动量程切换器，实现全自动控制。自动量程切换器识别主控计算机发送的量程信息后，通过继电器实现自动量程切换，而不会影响主标准器的精度。

3、自动图像采集系统

指针式仪表自动图像采集系统硬件主要由计算机、通信接口、稳压电源、LED环形光源、MV-SOOUC系列高分辨率工业数字摄像头以及被捡指针式仪表构成。对自动图像采集系统采集到的图像需要进行相关预处理操作，这样才能保证后续指针位置自动判读的准确性。由于表盘刻度是圆弧形，只有圆心位置数据准确定位之后，后面仪表指针读数识别才能更加精确，所以需对指针所在圆的圆心进行提取，图像识别过程中最基本的部分之一就是对指针式仪表表盘圆心（即指针所在圆的圆心）位置数据的提取，以保证后续相关处理工作的精度。同时，为了较快的识别出指针式仪表指针所在的位置，可以先提取出指针所在圆的半径数据，这就可以先圈定一个大致的范围，然后在这个范围内快速的寻找指针。

二、检定方法

目前主要的检定方式有“以源检表”和“以表检表”两种，其中“以表检表”的方法是计量学惯用的比较法，即以（标准）表来检定（被校）表的模式。本论文就是基于“以表检表”的方式来进行系统设计的。

在“以表检表”方式中，需要有稳压源、标准表以及被检指针式仪表，在检定的过程中，我们需要检定装置的准确度等级要比被检表高出至少一到二个准确度等级。

从热力学和电路方面出发，简单的来看，稳压电源内部由多个热电阻、热电容组成，要想稳压电源能够达到稳定状态，只需要足够的预热时间就能达到这一平衡，所以要想稳压电源输出保持不变在技术上是很容易实现的。

对于标准表的要求，需要能够实时准确的检测出稳压电源的输出值。从工艺的角度来看，标准表是由大量的弱电测量元器件系统组成的，其他的大功率发热元器件很少，要实现高精度的标准表并不难。与标准功率源相比，标准功率源需要高精确度以及较大的输出功率，并且需要长时间保持输出电源的稳定性，在实际的生产过程中需要克服各种难题，其难度系数较大，这样一来标准表更容易达到系统的精度要求。

三、系统的开发软件

1、自动控制及管理软件

自动控制及管理软件采用Borland公司的C++Builder6工具进行开发，最终目的是使软件具有实用性、可靠性、易用性、可维护和可扩展性。C++Builder6是由Borland公司推出的产品，它采用C++语言作为开发语言，是面向对象的可视化集成编程系统。从软件开发的角度来看，主要有以下两个特点：

1）可快速建立应用程序界面。只需简单地把控件拖到窗体上，设置一下属性和外观即建立我们所需要的界面；

2）C++Builder是一个使用C++作为开发语言，具有良好的编译器和可视化的编程环境，采用面向对象的语言，实现了可视化项目的快速开发。

软件的核心来自于Delphi编译器，Delphi是一个可视化的集成开发环境，使用独特的VCL（VisualComponentLibrary）类库，使得编

写出的程序显得条理清晰。由于它属于可视化编程开发工具，简单易上手，能够使我们把经历放在其更重要的环节。为此，本论文选用C++Builde：作为开发工具，来进行自动控制及管理软件的开发。

2、线路板系统开发软件

线路板系统开发软件选用Altium公司的Protel99SE软件。Protel99SE是应用于Windows操作系统下的电子设计自动化设计软件。Prote199SE主要包含以下两大部分：

1）电路工程设计部分：电路原理图设计系统、印刷电路板设计系统、自动布线系统。

2）电路仿真与PLD部分：电路模拟仿真系统、可编程逻辑设计系统、高级信号完整性分析系统。

总结

本文研究了指针式仪表自动判读的相关设计思想，并对自动检定装置进行了综合模拟实验，由于时间比较紧迫，在进行自动判读方法模拟实验的时候没有太多详细的进行不同算法之间的比较。下一步将会研究多种检测算法，并进行算法之间的比较，最后选择最优的算法，最终做成一个完善的指针式仪表自动检定装置。

参考文献：

[1]吴国良.仪表的图像识别及智能图像监控方法研究[D].重庆：重庆大学，2009.

[2]夏勇.指针式仪表的自动检定系统实现[D].成都：电子科技大学，2006.

[3]赵东升.指针式仪表自动检定系统研究[D].保定：华北电力大学，2005.

作者简介：

任晓辉（1983.2-），男。河北人，河北工业大学控制科学与工程专业硕士，工程师，单位：天津辰力工程设计有限公司。研究方向，工业过程检测及自动化。长期从事化工过程检测仪表的选型及控制系统的设计工作。