摘  要：工业现场中，有大量的传统仪表不具有数据通信能力，仅有就地显示功能，通过图像识别技术可以得到这类仪表的读数进行本地显示，然后读数信息通过流程行业无线通信网络传输到控制系统。无线读表器作为一种仪表表盘图像无线识别装置，可以将这类传统仪表的参数以无线方式集成到监控自动化系统中，确保员工安全和提高工作效率，进一步提高生产过程自动化水平。

　　1 概述

　　工业现场中，有大量传统仪表仅有就地显示功能，需操作人员去仪表安装现场就地读数，与控制室无任何联系，根本谈不上与控制系统通信的问题。像就地显示的压力表、温度计、真空表等等（见图1）。

　　图1   仅有就地指针显示功能的传统仪表

　　但随着生产技术水平的提高，对过程检测参数集中监测的要求越来越迫切，对这一类就地显示仪表的改造也列上议事日程了。一种办法是采用可以远传信号的变送器取代就地显示仪表，这不仅涉及较多的投资，也需拆除就地显示仪表、安装新的变送器，这个过程可能要在管道、设备上进行切割、焊接，敷设导线或中断生产过程。另一种办法是采用仪表表盘图像无线识别装置，直接在原有就地显示仪表的仪表表盘上安装图像无线识别装置，将原有就地显示仪表的显示值转换成数字读数后，再以无线通信的方式传送到控制室的控制系统。这样可以避免拆卸旧的仪表、破坏压力密封且无需进行泄漏检查，还可以在不影响原有仪表的显示和无需停产的条件下快速完成原有就地显示仪表的改造升级工作。无线读表器与有线变送器方案投资比较见表1。

　　表1  无线读表器与有线变送器方案比较

　　2008年11月，美国霍尼韦尔（Honeywell）公司与赛普拉斯环境系统（Cypress Envirosystems）共同开发了无线读表器产品，它是符合ISA100.11a无线通信国际标准的霍尼韦尔OneWireless无线网络现场设备中的一类无线设备。

　　中国科学院沈阳自动化研究所也对仪表表盘图像无线识别装置进行了研究，提出了一种符合由中国提出并制定的WIA-PA无线通信国际标准的工业仪表识读装置的设计方案。

　　2  仪表表盘图像无线识别装置的工作原理

　　图2所示为美国霍尼韦尔公司的无线读表器在就地压力表上安装示意图，当就地压力、温度、真空显示仪表为圆形、表盘直径为38mm~152.5mm之间时，它可以通过安装用适配器直接夹在现有的就地显示仪表的表盘上，安装用适配器2需根据就地压力表3的尺寸选用，而无线读表器1通过安装用适配器固定在就地压力表上。

　　图2  无线读表器

　　1-无线读表器；2-安装用适配器；3-就地压力表

　　工业仪表识读装置主要由图像采集模块、处理器模块、无线模块及实现输入输出、电源和存储功能的母板模块等几部分构成。图像采集模块中的图像传感器包括可提供闪光支持、自动聚焦、光学缩放以及机械快门支持的微控制器，图像传感器获取仪表表盘图像。图像处理及识别软件负责对获取的仪表表盘图像进行感兴趣区域的分割、增强、二值化处理及识别仪表数值。对于指针型工业仪表主要通过判断图像中指针的角度来得到仪表读数。

　　通过图像识别得到仪表读数。将就地显示仪表的仪表读数转换成可以进行无线通信的数据，同时数据以大屏幕的方式在无线读表器面板上LCD大液晶屏本地显示，仪表读数还可通过无线模块以无线传输的方式传送到控制室。

　　原有的就地显示仪表为人工监测，监测频率很低。无线读表器可提供自动的、更频繁的监测。但由于它是一个电池供电的装置，为了保证电池一定的寿命，刷新率不能过快，所以作为刷新率指标，无线读表器提供1min~18h的刷新率。当刷新率确定为15min时，电池寿命为2年。

　　为了使读数正确，需要在组态时送入以下参数：读数表工程单位、读数表最小和最大值、读数表最小角度和最大角度、最小/最大角度间的行程角、读数表倾角。

　　3 无线网络系统

　　OneWireless无线系统包含了多个网络，如底层ISA100.11a无线通信网络和IEEE802.11b/g Wi-Fi无线通信网络，无线读表器与一般的无线压力、温度、分析变送器不一样，无线读表器采用的是IEEE802.11b/g Wi-Fi无线通信网络，而无线压力、温度、分析变送器采用的是ISA100.11a无线通信网络。IEEE802.11b/g Wi-Fi无线通信网络是骨干网络，所以能接收到无线读表器的Wi-Fi信号只有OneWireless无线系统的多功能节点、Cisco Aironet 1552S Outdoor AP节点设备和专用的无线读表器应用网关（Wireless Gauge Reader Application Gateway）。

　　图3是多台无线读表器与多功能节点构成的OneWireless无线系统，图中多台无线读表器从就地显示仪表采集信息，然后通过IEEE802.11b/g Wi-Fi无线通信网络以多路径方式传送信息到多功能节点，多功能节点之间也通过Wi-Fi无线通信网络连接，图中标号2、3的多功能节点起接入点的作用，标号4的多功能节点起网关的作用，网关以Modbus、TCP/IP、OPC等有线方式与控制系统相连。

　　图3  用无线读表器和多功能节点构成的OneWireless无线系统

　　1-无线读表器；2、3-多功能节点（接入点）；4-多功能节点（网关）；5-控制系统

　　多达1000台无线读表器可以与单一的应用网关进行通信，由无线读表器应用网关（见图4）采集无线读表器的信息，然后以OPC协议与控制系统相连。

　　图4  无线读表器应用网关

  　4  无线读表器的显示器和运行模式

　　无线读表器面板上LCD大液晶屏显示内容见图5。

　　图5  无线读表器大液晶屏显示内容

　　A-采样；B-错误；C-棒状图；D-数字显示器；E-天线；F-电池电量；

　　G-字母数字显示器；H、I、J-操作键

　　当新的读数显示时 显示采样“SAMPLE”图标；当检测到错误条件时，显示错误（ERROR）图标；当无线连接已经建立时，显示天线（Antenna）图标：电池电量图标显示电池剩余寿命的百分比；以字母数字显示器显示读数单位或诊断信息。

　　无线读表器工作有以下几种模式：

　　正常采样模式：当无线读表器不工作在任何特殊的操作模式时，它是在正常采样模式工作，在这种模式下的无线读表器将周期性唤醒，对显示表采样，读数，并更新在液晶显示器上显示最新的读数值。采样时间（刷新率）可使用配置工具设置。

　　快速采样模式：在这个模式下无线读表器除了采样时间仅为5s外其余与正常采样模式相同。这种模式将持续5min，然后自动返回正常样本模式。这种模式是用来监视一个短期的活动，可能会导致更快的规范动作，或用于诊断。

　　中速采样模式：在这个模式无线读表器除了采样时间是30s外与正常采样模式相同。这种模式将保持8h，然后自动返回正常样本模式。这种模式是用来监视一个中期的活动，可能会导致较快的规范动作，或用于诊断。

　　数据显示模式：可显示以下内容：RSSI（无线读表器通过从接入点接收到的无线信号强度指示）、MAC地址（查看无线读表器的网络设备地址）、IP地址（无线读表器分配的互联网协议地址）、正常刷新率（查看和编辑正常采样模式的刷新率）、温度（显示无线读表器传感器内部当前的温度）、无线读表器固件版本号、无线读表器的系列编号、无线读表器硬件版本。

　　5  无线读表器的应用

　　无线读表器是针对工业生产现场不具有数据通信能力的现场显示仪表提出的解决方案，它采用图像传感器获取仪表表盘指针图像，通过图像识别得到仪表读数并进行本地显示和无线传输的工业仪表识读装置。它可以将需人工到现场读数的工作转换为无线网络数据自动采集，从而使操作员可分析关键设备健康状态及过程信息，以帮助其做出正确决定来改善工厂运营，还使操作员节省去现场读取仪表数据的时间，将精力关注更加重要的任务，如准确分析运营状态及趋势，节省能源消耗等。

　　美国某核电站在存在核辐射危险的就地现场有数以百计的显示仪表，巡检人员每天要到现场巡查4次，增加无线读表器后，可对现场不作任何改动就将就地显示仪表的读数连续传送到控制室供操作人员监控。美国Tri-State Generation and Transmission公司使用了无线读表器后介绍：无线网络能够在3h内建立并投入应用。刚使用了两周，我们就检测到一个潜在的重大问题并及时采取了改正措施，这个问题在我们之前的日常手动巡检中从未发现过。

　　6  结束语

　　在流程工业，有数以百计的就地显示仪表监控与生产过程和设备健康状态相关的各种参数，这些信息中有很多对于保证工厂的正常运行、生产效率是非常重要的。以往这一类信息并未通过实时方式进行系统监控，因而无法检测到某些异常情况，从而导致不安全的因数及计划外停车。仪表表盘图像无线识别装置可以将这一类参数以无线方式集成到监控自动化系统，确保员工安全和提高工作效率，进一步提高生产过程自动化水平。

　　参考资料：

　　[1] Honeywell.OneWireless Gauge Reader Application Gateway User's Manual[EB/OL].http：//www.honeywell. process.com/library/.../34-XY-25-33.pdf.2009.07.02.

　　[2] 张华良，曾鹏.基于图像识别与传输的工业仪表无线识读装置设计[J].仪器仪表标准化与计量 <http://www.cqvip.com/qk/96349X/index.shtml>，2010（4 <http://www.cqvip.com/qk/96349X/200907/index.shtml>）：36-38.

　　[3] Honeywell.OneWireless Gauge Reader Installation and Configuration Guide[EB/OL].http：// <http://www.gongkong.com/company/news/201210... 2012-10-11>www.honeywell. process.com/library/.../34-XY-25-32.pdf. 2009.07.02.

　　[4] Honeywell.Reduce Energy Usage in Compressed Dry Air Systems with the OneWireless Gauge Reader[EB/OL].http：// <http://www.gongkong.com/company/news/201210... 2012-10-11>www.honeywell. process.com /.../Gauge%20Reader%  20Sa.library/.../34-XY-25-32.pdf. 2009.08.

　　[5] Honeywell.OneWireless Gauge Reader User's Manual[EB/OL].http：// <http://www.gongkong.com/company/news/201210... 2012-10-11>www.honeywell. process.com/library/.../34-XY-25-31.pdf. 2009.04.01.

　　[6] Honeywell. ：//www.instrumentation <http://www.instrumentation>.

　　co.za/news.aspx?pklnewsid.2010.12.

　　作者简介：方原柏，1942年生，男，湖北黄冈人，昆明有色冶金设计研究院教授级高级工程师，昆明仪器仪表学会副理事长，冶金自动化、衡器、自动化信息等杂志编委。发表论文260余篇，由冶金工业出版社出版“电子皮带秤的原理及应用”（1994年）、“电子皮带秤”（2007年）两本专著。

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