智能仪表的抗干扰和故障诊断研究

时间：2024-05-04

李奎荣

（四川水利职业技术学院，四川成都 610091）

智能仪表的通信功能可以实现自动计表和数据传输，不需要人工抄表，不仅提高了工作效率，而且降低了工作强度和成本。随着微型计算机和集成电路的发展，在传统仪表的基础上进行结构改变，发展出了智能仪表，并广泛应用于企业生产之中。智能仪表可以降低人工工作强度，提高精度和数据传输效率，其抗干扰和故障诊断功能可以帮助工作人员迅速排除故障，恢复仪表的正常运行。

1 智能仪表的定义、特征和功能

（1）定义：智能仪表并没有准确的定义，主要是基于传统仪表，通过集成电路技术和计算机处理器技术，尤其是单片机技术对传统仪表加以改进而成的。可以实现数据处理、数据显示、数据打印以及数据记忆的自动智能化，习惯上称基于单片机技术的新型仪表为智能仪表。

（2）特征：随着科技和信息化技术的发展，越来越多的新技术被应用在工业之中，智能仪表是新技术应用比较多的一种。但并不是所有高精尖的新技术都适合应用在智能仪表中，因为越高精尖的技术代表着价格越贵，因此智能仪表的选择需要综合考虑经济性和适用性。现阶段，智能仪表主要依据市场的需求进行制造生产，以保证满足市场需求的性能和功能。目前，大规模应用的智能仪表为了实现在恶劣环境中的应用，在设计中主要采取软硬件的抗干扰措施和故障自动检测功能相互配合的思路，以保证智能仪表的长时间稳定运行。

（3）智能仪表的功能：主要有数据处理、可编程、记忆以及计算4种功能。数据处理指的是在仪表测量装置下实现自动处理问题以及自检自校的功能；可编程指的是通过控制技术在计算机系统中控制软件编程取代智能仪表的硬件逻辑功能；记忆指的是通过芯片实现存储信息以及处理信息的功能；计算指的是利用智能仪表中融入的微型计算机提高计算精度和计算效率的功能。

2 智能仪表的抗干扰技术类型

智能仪表的抗干扰技术类型主要分为硬件抗干扰技术和软件抗干扰技术两大类。

2.1 智能仪表的硬件抗干扰相关措施

智能仪表的硬件抗干扰措施主要有以下几个方面的内容：（1）由于工作环境复杂，智能仪表的外壳要设计有效的屏蔽机制，避免环境中电气因素的干扰，主要包括强电压、高电流以及大电磁辐射等。（2）智能仪表的电源要有可靠的接地系统，电源要实施稳压、屏蔽、隔离等措施，采取内外部分别供电隔离输入和输出电路以及采用闪存等高级存储元件隔离系统关联接口，保证数据存储，隔离区域保持相对独立，避免造成干扰。（3）智能仪表处理的大多数是低压信号，通常是通过长电缆连接信号源和测量系统，在过程通道的实时控制和数据收集中易受到附近强电设备的干扰，所以，需要清除过程通道中的干扰源。（4）选择性能好、抗干扰功能更强的单片机，避免智能仪表配置不足带来的干扰，智能仪表的稳定性与配件单元的性能息息相关，而单片机是配件单元的核心元件，并用光电隔离器隔离单片机与外围电路。（5）特别恶劣的环境测量可以使用光纤传感器进行非接触测量。（6）应用看门狗（WatchDog Timer，WDT）电路式抗干扰法将远程控制（Remote Control，RC）滤波环节加入数字电路中，利用其延时作用实现对噪声影响的控制，通过提高输入端的噪声限制抑制输入噪音，提高智能仪表的抗噪音干扰功能。（7）如果总线负载接近最大负荷，可影响智能仪表的总线信号，可以通过I/O线连接数据线，改良总线的不平衡状态，提高智能仪表的稳定性。

2.2 智能仪表的软件抗干扰相关措施

硬件抗干扰措施主要是在智能仪表外部增加接口电路、配件或者设备，再有就是应用新技术和新材料，但无疑增加了智能仪表的成本。智能仪表的软件抗干扰措施主要是根据智能仪表内配备不同的微处理器，设计相应的应用软件，实现抗干扰功能，类似WDT电路抗干扰方法，不额外增加成本。当智能仪表的PC指针因干扰失控时，可采用软件方法将其引导回正常的运行程序中，具体操作因微处理的不同而不同，像Z-80微处理器系统有专门的一字指令，出现问题只需要在空白区域写入指令即可解决PC指针失控的问题；而MCS-96系列单片机内部均拥有WDT抗电路干扰，只须按周期复位启动WDT抗电路干扰即可。干扰信号最明显的特征是信号图呈毛刺状，且作用时间短，因此为保证信号收集结果有效，应重复采集同一信号，若重复采集信号不够统一，则不应继续采集信号，且发出警报声。

无论是智能仪表的硬件抗干扰措施，还是软件抗干扰措施，都不能完全杜绝智能仪表的故障，只能降低故障的频率，因此，还需要进行故障的诊断。

3 智能仪表的故障诊断机制类型

智能仪表的故障诊断分为硬件故障诊断机制和软件故障诊断机制，硬件故障诊断机制主要是增加额外的部件和设备，软件故障诊断机制主要是写入新的软件。

3.1 智能仪表的硬件故障诊断机制

智能仪表的硬件故障诊断机制按照故障结构的不同主要分为3种，即元部件级别、功能模块级别以及设备级别，又叫作硬件容错或冗余技术。（1）设备级别的故障诊断机制，主要应用于要求智能仪表作用绝对可靠的场合，两台智能仪表同时接入系统中，一台正常工作，一台处于随时备用状态，当出现工作仪表故障时，备用仪表马上启用并进入工作状态。（2）模块级别的故障诊断机制，主要是将智能仪表进行模块化设计，将其分为不同的功能区模块，对易出问题的功能模块加入备用模块，当智能仪表的某一功能模块出现故障时，随机启用备用模块保持正常工作。（3）元部件级别的故障诊断机制，是将易出故障的关键元部件进行冗余设计，当元部件出现故障时，备用元部件随即投入工作。

硬件接入有并联接入和备用接入。并联接入使增加的元部件、功能模块和设备一起进行工作；备用接入是在故障时进行替代工作。

智能仪表的硬件故障诊断内容：（1）智能仪表本身自带诊断功能，每次开机或复位会进行一次自检。（2）智能仪表进行周期性自诊断，因工作需要，一些智能仪表的工作时间长，一次开机自检无法保证工作，因此，应该周期性地在仪表工作间隙进行自检。（3）通过设置诊断功能键，利用智能仪表的自诊断功能设置提示标识代表故障部位，为检修人员提供明确方向，判断故障类型和部件，提高诊断效率。（4）通过外部诊断专业仪器，对智能仪表的故障部件进行故障诊断。

3.2 智能仪表的软件故障诊断机制

智能仪表的软件故障诊断主要是配合硬件诊断的方法进行故障的判断。

（1）随机存储器（Random Access Memory，RAM）诊断与保护机制，随机存储器是智能仪表的数据储存元件，里面有大量的数据信息，十分重要。在发生故障时，RAM可以实现自动断电，以保护智能仪表的数据安全。RAM中的数据分为重要数据与一般数据，因此可将单独接入一个存储重要数据的存储器，保障数据安全。尽管如此，在恶劣的工作环境中也不可避免地出现数据丢失的情况，在设计时应该考虑数据恢复功能。

（2）模数（Analog/Digital，A/D）转换器，是数据存储的关键元部件，十分关键，A/D转换器的自诊断功能也是智能仪表自诊断功能的重要部分。

（3）中央处理器（Central Processing Unit，CPU）诊断功能和WDT自诊断，都是智能仪表的软件故障诊断功能。智能仪表的软硬件诊断通常联合使用，而硬件诊断方法也往往基于软件程序。