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数字经济的信息化(三)①

放大字体  缩小字体 发布日期:2021-09-22  作者:陈立秋  浏览次数:53
核心提示:陈立秋,中国纺织工程学会染整专业委员会特聘首席专家,获得中国染整行业终身荣誉奖。现从事染整工程的创新工作。
 主持人:数字经济也称智能经济,是工业4.0或后工业经济的本质特征。
数字经济,作为经济学概念的数字经济是人通过大数据(数字化的认知与信息)的识别—选择—过滤—存储—使用,引导,实现资源的快速优化配置与再生;实现经济高质量发展的经济形态。
数字经济通过不断升级的网络基础设施与智能机等信息工具,互联网—云计算—区块链—物联网等信息技术、人类处理大数据的数量、质量和速度的能力,不断增强推动人类经济形态由工业经济向信息经济—知识经济—智慧经济形态转化,极大地降低社会交易成本,提高资源,优化配置效率,提高产品、企业、产业附加值,推动社会生产力快速发展。
数字经济的本质在于信息化。信息化是由计算机与互联网等生产工具的革命所引起的工业转向信息经济的一种社会过程。信息的生产和应用两大方面是其中的关键。
同仁甲:何谓“数控一代”?
主持人:“数控一代”的提法是把数字控制从技术层面引向了经济与社会发展的层面,将之与“蒸汽时代”和“电气时代”来相提并论,就是要将对数字控制技术发展影响的认识从“技术革命”上升为“工业革命”。蒸汽机的发明与改良引发了第一次工业革命;电力的广泛应用带来了第二次工业革命;而电子计算机的发明正在推动第三次工业革命;在可预见的未来,信息化技术与先进制造技术的结合将成为下次工业革命的标志。前两次称之为“蒸汽时代”和“电气时代” ,接下来的就应该是“数控一代”和“智能一代”了。
数控一代机械产品就是指将数控技术及产品(包括数控系统和驱动装置等)与机械设备有机融合,实现这些机械设备的数字化轨迹控制、运动控制、逻辑控制及过程监控等。智能制造装备是指具有感知、分析、推理、决策和控制功能的制造装备,它是先进制造技术、信息技术和智能技术在装备产品上的集成和融合,体现了制造业的智能化、数字化和网络化的发展要求。
由于数控纺织机械结构简化,可省去复杂的传统结构,而且具备适应性强、柔性高、加工精密度高、质量稳定、自动化程度、生产效率高、节约资源和改善环境等特点,因此非常符合当前纺织行业对高速、高效、低耗的要求;而智能装备则直接替代了人的部分工作功能,甚至在某些方面的表现超过了人的熊力,如反应更灵敏、精确度更高,关键是不受情绪影响、不知疲倦等特点。比如说印花调浆及助剂配送系统的应用就具备了一定的智能成分,以前染色大部分是凭感觉,使用该系统以后,染色精确度大大提高。近两年来,随着人工成本的上升以及纺织企业对高品质、高附加值产品的追求,对数控设备的需求一直呈上升的趋势。
同仁乙:我们染整业如何智能化?
主持人:要实施生产智能化,必须先进行自动化的技改,自动化仪表按其功能不同,大致分成四个大类,即.检测仪表(包括各种变量的检测元件和变送器等) 、显示仪表(包括用模拟量显示和数字量显示) 、调节仪表(包括气动、电动调节仪表)和执行器(包括气动、电动、液动等执行器) ,这些仪表之间的关系如图1所示。
在染整生产中,不仅需要采用各种检测方法将工艺变量的大小测量出来,而且还要求把这些测量值及时、准以便提供生产所必需的数据,让操作者了解生产过程的全部情况,更好地操纵、管理生产。
染整智能化生产需要智能式传感器,采集工艺参数。
所谓智能式传感器,就是一种带有微处理器的,兼有信息检测、信号处理、信息记忆、逻辑思维与判断功能的传感器。
图1 各类自动化仪表之间的关系
传感器与微处理器结合可以通过以下两个途径来实现,一是采用微处理器或微机系统以强化和提市传统传感器的功能,即传感器与微处理器可分为两个独立部分,传感器的输出信号经处理和转化后由接口送到微处理器部分进行运算处理。这就是一般意义上的智能传感器,又称传感器的智能化。二是借助于半导体技术把传感器部分与信号预处理电路、输入输出接口、微处理器等制作在同一块芯片上,即成为大规模集成电路智能传感器,简称集成智能传感器。集成智能传感器具有多功能、一体化、精度高、适宜于大批量生产、体积小和便于使用等优点,它是传感器发展的必然趋势,它的实现将取决于半导体集成化工艺水平的提高与发展。
就目前来看,已有少数以组合形式出现的智能传感器作为产品投入市场,如美国Honeywell公司推出的DSTJ-3000型硅压阻式智能传感器, Par Scientific公司的1000系列数字式石英智能传感器。我国也着手智能传感器的开发与研究,主要是在现有使用的传感器中,采用先进的微处理器和微机系统,使之完成第一类途径的智能化。
 智能传感器因其在功能、精度、可靠性上较普通传感器有很大提高,所以已经成为传感器研究开发的热点。近年来,随着传感器技术和微电子技术的发展,智能传感器技术也发展很快。发展高性能的、以硅材料为主的各种智能传感器已成为必然。
随着计算机技术和网络通信技术的飞速发展,计算机网络已渗透到各行各业,从传统的现场模拟信号通信方式转为现场级的全数字信号通信方式,即传感器现场级的数字化网络方式。因此,基于现场总线,基于以太网等的传感器网络化技术及应用迅速成长起来,成为前景广阔的研究方向,它是传感器技术与网络通信技术结合与交叉的结果。
同仁乙:智能传感器与传统传感器的差别?
主持人:传统的传感器只能作为敏感元件,检测物理量的变化,而智能传感器则包括测量信号调理(如滤波、放大、 A/D转换等) 、数据处理、数据显示以及自校、自检、自补偿等功能,图2为智能传感器的原理框图。

图2 智能传感器原理框图
 
微处理器是智能传感器的核心,它不但可以对传感器的测量数据进行计算、存储、数据处理,还可以通过反馈回路对传感器进行调节。由于微处理器可以充分发挥各种软件的功能,完成硬件难以完成的任务,从而大大降低了传感器制造的难度,提高了传感器的性能,降低了成本。需要指出的是,除微处理器以外,智能传感器相对于传统传感器的另一显著特征是其信号调理电路。被测的物理量转换成相应的电信号后,送到信号调理电路中,进行滤波、放大、转换,再送入计算机(微处理器)中进行处理。
无论是传感器的智能化,还是集成智能化传感器,都是带有微机的兼具检测信息和处理信息功能的传感器,可统称为智能式传感器。和传统的传感器相比,智能化传感器具有以下功能。 .
(l)具有逻辑判断、统计处理功能,可对检测数据进行分析、统计和修正,还可进行线性、非线性、温度、噪声、响应时间、交叉感应以及缓慢漂移等的误差补偿,提高了测量准确度。
(2)且有自诊断、自校准功能,可在接通电源时进行开机自检,可在工作中进行运行自检,并可实时自行诊断测试,以确定哪一组件有故障,提高了工作可靠性。
 (3)具有自适应、自调整功能:可根据待测物理量的数值大小及变化情况自动选择检测量程和测量方式,提高了检测适用性。
(4)具有组态功能,可实现多传感器、多参数的复合测量,扩大了检测与使用范围。
(5)具有记忆、存储功能:可进行检测数据的随时存取,加快了信息的处理速度。
(6)具有数据通信功能:智能化传感器具有数据通信接口,能与计算机直接联机,相互交换信息,提高了信息处理的质量。
同仁乙:智能传感器如何实现网络化?信息化?
主持人: (1)一般的智能传感器都具有双向通信功能,即微处理器和基本传感器之间能够相互通信,微处理器不但接收、处理传感器的数据,还可将信息反馈至传感器,对测量过程进行调节和控制。但这种双向通信功能离真正意义上的网络通信还有距离。因此,各国科学家和技术人员在智能传感器的基础上研究了网络化传感器,使传感器在实现智能化的基础上同时实现网络化,使现场测控参量就近上网,并具备必要的信息处理功能。
①早期的传感器信号传输没有统一标谁,这在很大程度上制约了传感器的发展。到20世纪70年代,工业控制领域才采用统一的两线制4-20 mA的电流和1-5V电压标准进行信号传输。这种点到点的信号传输方式构成的测控系统,其最大缺点是布线复杂、抗干扰性差,将被逐步淘汰。
②到20世纪80年代,现场采集的信息量不断增加,传统的通信方式已成为智能传感器发展的”瓶颈” ,在DCS(DistributedControl System)系统中,数据通信标准RS-232、 RS-422、 RS-485等被广泛采用,但是,智能传感器与控制设备之间仍然是采用传统的模拟电压或电流信号进行通信,没有从根本上解决布线复杂和抗干扰性差的问题。
③ 1983年,美国INTEL公司推出的位总线技术是促进智能传感器通信技术飞跃的一个关键技术。位总线技术将低速面向过程的输入输出通道和高速计算机总线分离,将I/0板从计算机内转移到现场,计算机和现场设备之间以双绞线为物理传输媒体,采用RS-485为数据通信标准和远程存取命令实现数据通信和信息传输。INTEL公司的Bitbus技术奠定了现场总线技术的基础。
④到20世纪80年代末和90年代初,现场总线(fieldbus)技术的推出,将智能传感器的通信技术提升到一个新的阶段。根据现场总线基金会的定义,现场总线是连接智能化现场设备和控制室之间全数字式、开放的、双向的局部通信网络。现场总线的不断发展和基于现场总线通信协议的智能传感器的广泛应用,使智能传感器的通信技术进入局部网络阶段。图3是基于HART协议的智能温度传感器的结构图,它能够实现一定意义上的网络通信功能。
现场总线控制系统可以认为是一个局部测控网络。但基于现场总线的智能传感器只是实现了各种现场总线通信协议,还没有实现真正意义上的网络通信协议。目前,研究具有网络通信功能的智能传感器(即实现智能传感器的网络化) ,不仅要使智能传感器满足于支持现场总线通信协议进入局部测控网络,而且要使智能传感器实现网络通信协议(IEEE 802. 3、TCP/IP等) ,使智能传感器能直接与计算机网络进行数据通信,这些网络包括Ethernet、Intranet、 Internet等,进一步还可以实现在网络上任何节点对网络化智能传感器的远程数据访问,信息适时发布与共享,以及对智能传感器的在线编程和组态,这才是网络传感器的目标和价值所在。
 

图3 基于HART协议的智能温度传感器结构图

图4 基于以太网IEEE802.3协议的传感器结构图
图4基于以太网啡IEEE 802.3协议的智能传感器结构图,这种网络化智能传感器实现了OSI七层模型的物理层和数据链路层功能及部分用户层功能,数据通信方式满足CSMA/CD(Carrier SenseMultiple Access with Collision Detection)即载波侦听多路存取冲突检测,并可通过同轴电缆或双绞线直接与10 Mbit/s带宽的以太网连接,从而实现现场数据直接进入以太网,使现场数据能实时在以太网上动态发布和共享。介质存取控制层(MAC)负责执行CSMA/CD协议。
传感器实现信息化的目标是使传感器在现场级实现工Internet/Intranet功能,使测控网和信息网在现场级实现统一。其技术核心是实现TCP/IP协议(这里TCP/IP协议是一个相对广泛的概念,还包括UDP、 HTTP、 SMTP、 POP3等协议) 。
把TCP/IP作为一种嵌入式应用,即把 TCP/IP协议嵌入到智能传感器的ROM中,使得信号的收发都以TCP/IP方式进行,这样测控系统在数据采集、信息发布及系统集成等方面都以企业内部网(Intranet)为依托,如果Intranet连通Internet,还可在Internet范围内组建系统,这使得测控网和信息网很自然地统一在一起,具体表现在以下几方面。
Intranet功能:各种现场信号均可在企业的Intranet网络上实时发布和共享,任何网络授权用户均可通过工IE和Netscape实时浏览这些现场信息,为决策提供实时数据参考。
Internet功能:如果企业Intranet与Internet连通,各种现场信息均可在整个Internet上实时测览,如果需要,这些信息在全球任何开通了Internet的地方均可实时浏览共享。
③Intranet/Internet控制功能:如果需要,可实现在整个Intranet/Internet上任何位置对现场传感器的在线控制、编程和组态等,这为远程操作开辟了又一崭新道路。
图5,是基于TCP/IP的信息传感器构成的测控系统。通过将现场传感器直接与网络通信线缆连接,使得现场传感器与普通计算机一样成为网络中的独立节点。信息可以跨越网络传输所能及的任何领域,迸行实时动态的在线测控功能(包括远程) 。不像以前那样需要点到点的硬线联接将传感器接到特定的测控设计上,而只需将这种实现了TCP/IP协议功能的传感器就近接到网络即可,只要有诸如电话线类的通信线缆存在的地方就可方便地纳入测控系统,不仅节约了大量的现场布线,还可以"即插即用" ,对系统的扩充和维护都提供了极大的方便。
TCP/IP是两个最著名的Internet协议。TCP是传输控制协议,是对应传输层的协议,它保证数据可靠地被传递。IP是网际协议,是对应网络网层的协议,它用于提供数据传输的无连接服务。由于TCP/IP更注重数据发送的互联,因此已成为当前网际互联协议的最佳选择。

图5 一基于TCP/IP信息传感器测控系统
 
 
 
 
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