十多年來(lái)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)關(guān)鍵數(shù)據(jù)采集、保存的重要性獲得前所未有的共識(shí)，無(wú)紙記錄儀的市場(chǎng)獲得了長(zhǎng)足的發(fā)展。隨著市場(chǎng)的擴(kuò)展，無(wú)紙記錄儀的技術(shù)無(wú)論在深度和廣度上都取得了前所未有的進(jìn)展，其特征是與高新技術(shù)結(jié)合，在方法和體系上開(kāi)始發(fā)生很大變化。計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)、新型開(kāi)關(guān)電源技術(shù)等電子、軟件領(lǐng)域的滲透與交叉融合，推動(dòng)了無(wú)紙記錄儀技術(shù)的形成和發(fā)展。
無(wú)紙記錄儀
1 無(wú)紙記錄儀早期的技術(shù)特征
無(wú)紙記錄儀的形成，始于石化工業(yè)。20世紀(jì)90年代前，石化行業(yè)在記錄現(xiàn)場(chǎng)的流量、溫度、壓力等參數(shù)時(shí)，使用有紙記錄儀。有紙記錄儀的缺點(diǎn)很明顯，顯示不直觀（只有趨勢(shì)顯示），需要定期換紙、更換墨水等耗材。隨著電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的突破使得無(wú)紙記錄儀的開(kāi)發(fā)成為現(xiàn)實(shí)。
1.1 液晶顯示技術(shù)
液晶顯示器出現(xiàn)前，業(yè)界使用CRT顯像管作為電子顯示的方式。CRT顯像管體積大、功耗高、抗震性差、且需要高壓來(lái)驅(qū)動(dòng)顯示，無(wú)法作為工業(yè)儀表的顯示器。而液晶顯示器作為新興的顯示技術(shù)，具有重量輕、厚度薄、抗震性好等新特性，使用LED發(fā)光二極管或者CCFL作為光源，是工業(yè)儀表理想的顯示器。
早期液晶顯示器均為單色（黃底黑字），分辨率不高（128*64像素），一般自帶顯示控制器，微控制器使用并行總線與顯示控制器連接，可用來(lái)顯示數(shù)字和曲線，并可顯示漢字。
1.2 固態(tài)電子存儲(chǔ)器（閃存）
記錄是無(wú)紙記錄儀的主要功能。基于抗震的考慮，軟盤(pán)、硬盤(pán)等帶活動(dòng)部件的存儲(chǔ)技術(shù)無(wú)法滿(mǎn)足工業(yè)應(yīng)用的要求，而EEPROM的存儲(chǔ)容量不足以用來(lái)作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。閃存（Flash memory）是一種電子式可清除數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，允許在操作中被多次擦或?qū)懙拇鎯?chǔ)器，由日本東芝公司與1984年發(fā)明。
閃存分為Nand Flash和Nor Flash兩種類(lèi)型。Nand Flash具有存儲(chǔ)量大，擦寫(xiě)速度快的特點(diǎn)，但是由于生產(chǎn)工業(yè)的原因，在存儲(chǔ)空間中存在壞塊，因此無(wú)法用于高可靠性要求的工業(yè)數(shù)據(jù)記錄應(yīng)用。而Nor Flash可靠性高，且能擦寫(xiě)100萬(wàn)次以上，是無(wú)紙記錄儀數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的理想選擇。
無(wú)紙記錄儀
2 無(wú)紙記錄儀技術(shù)的發(fā)展
2.1 萬(wàn)能信號(hào)輸入技術(shù)
無(wú)紙記錄儀作為模擬信號(hào)采集裝置，需要接入現(xiàn)場(chǎng)多種傳感器信號(hào)。早期無(wú)紙記錄儀使用單類(lèi)型信號(hào)調(diào)理模塊作為模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換，熱電偶、熱電阻、電壓、電流等信號(hào)需使用不同的信號(hào)調(diào)理模塊，這種信號(hào)處理方式給用戶(hù)帶來(lái)極大的麻煩。
萬(wàn)能信號(hào)輸入技術(shù)使用光繼電器作為不同信號(hào)類(lèi)型的切換開(kāi)關(guān)，同時(shí)使用運(yùn)算放大器和模擬開(kāi)關(guān)輔助切換信號(hào)量程，使得各種不同信號(hào)類(lèi)型和不同量程的傳感器只需要通過(guò)軟件組態(tài)設(shè)置，即可輸入儀表。用戶(hù)再也無(wú)需為傳感器和信號(hào)調(diào)理模塊的匹配問(wèn)題而煩惱。
2.2 數(shù)字通訊技術(shù)
隨著工廠信息化程度的提高，現(xiàn)場(chǎng)的傳感器數(shù)據(jù)需要在工廠的信息系統(tǒng)中集中顯示，無(wú)紙記錄儀需要提供通訊接口。通訊接口分為物理鏈接和通訊協(xié)議兩部分：
物理鏈接：RS232和RS485是兩種常用的串行通信技術(shù)。RS232只能一對(duì)一通訊，且通訊距離一般不超過(guò)10米。而RS485可以多機(jī)通訊，使用差分信號(hào)，傳輸距離超過(guò)1000米。因此，RS485是工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)最常用的通訊方式。
通訊協(xié)議：Modbus是Modicon于1979年為使用可編程邏輯控制器（PLC）而發(fā)布的。Modbus是工業(yè)領(lǐng)域通信協(xié)議的業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)，并且現(xiàn)在是工業(yè)電子設(shè)備之間最常用的連接方式[1]。Modbus比其他通信協(xié)議使用的更廣泛的主要原因有：
l 公開(kāi)發(fā)表并且無(wú)版稅要求；
l 相對(duì)容易的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)部署（使用RS485）；
l 對(duì)生產(chǎn)廠商，修改移動(dòng)原生的寄存器沒(méi)有很多限制；
2.3 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存
無(wú)紙記錄儀在儀表內(nèi)部存儲(chǔ)了大量的數(shù)據(jù)，隨著計(jì)算機(jī)的普及，在儀表上操作查看歷史數(shù)據(jù)顯然不如在電腦上查看方便，且計(jì)算機(jī)提供了數(shù)據(jù)錄入、分析、打印等功能，是儀表上無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。而大量的數(shù)據(jù)通過(guò)串行通訊進(jìn)行上傳，速度慢、時(shí)間長(zhǎng)、容易傳輸失敗，而且有很多現(xiàn)場(chǎng)并沒(méi)有將無(wú)紙記錄儀進(jìn)行通訊聯(lián)網(wǎng)。使用優(yōu)盤(pán)和使用SD卡是常用的兩種數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存方式。
使用優(yōu)盤(pán)或SD卡時(shí)，需在儀表上增加USB或SD接口[2]。使用傳統(tǒng)的8051處理器無(wú)法滿(mǎn)足USB或SD接口的高速數(shù)據(jù)傳輸需求，而32位的ARM高速處理器可以實(shí)現(xiàn)USB接口等功能。優(yōu)盤(pán)和SD卡具有高抗震性，支持熱插拔，存儲(chǔ)容量大等特點(diǎn)，一個(gè)優(yōu)盤(pán)或一張SD卡即可存儲(chǔ)幾百臺(tái)無(wú)紙記錄儀的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，用戶(hù)可一次備份多臺(tái)儀表，統(tǒng)一在電腦上查看數(shù)據(jù)，方便抄表使用。
由于SD卡具有體積小、功耗低的特點(diǎn)，可作為無(wú)紙記錄儀的擴(kuò)展存儲(chǔ)器，利用無(wú)紙記錄儀的自動(dòng)備份功能，使儀表的連續(xù)存儲(chǔ)時(shí)間成倍增加。
無(wú)紙記錄儀
3 無(wú)紙記錄儀技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)
3.1 以太網(wǎng)、無(wú)線通訊、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)
基于數(shù)據(jù)傳輸量的增加和通訊速度的要求，傳統(tǒng)的串行通訊已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足未來(lái)的通訊需求。工業(yè)以太網(wǎng)及基于以太網(wǎng)的無(wú)線通訊技術(shù)的普及對(duì)無(wú)紙記錄儀提出了新的通訊需求。
國(guó)外廠商在多年前就已經(jīng)提供了以太網(wǎng)的產(chǎn)品，而國(guó)內(nèi)廠商由于技術(shù)積累薄弱和市場(chǎng)需求疲軟等原因，基本沒(méi)有提供此類(lèi)功能。
l 以太網(wǎng)（Ethernet）是一種計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)，通常使用TCP/IP通訊協(xié)議。基于TCP/IP通訊協(xié)議，可實(shí)現(xiàn)多種無(wú)紙記錄儀需要的功能[3]。
l 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸：使用MODBUS/TCP協(xié)議，可實(shí)現(xiàn)與基于RS485的MODBUS-RTU相同的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通訊功能。
l 歷史數(shù)據(jù)傳輸：使用FTP協(xié)議，可實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)直接讀取儀表內(nèi)的記錄數(shù)據(jù)，速度快，且可直接使用瀏覽器訪問(wèn)，無(wú)需專(zhuān)用軟件。
l 時(shí)間同步功能：由于硬件時(shí)鐘運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)后，總會(huì)存在誤差，而時(shí)間是記錄數(shù)據(jù)準(zhǔn)確的一個(gè)重要維度。使用SNTP（簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議），可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)無(wú)紙記錄儀的時(shí)間同步，使記錄數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確。
l 瀏覽器訪問(wèn)功能：儀表內(nèi)構(gòu)件一個(gè)HTML服務(wù)器，用戶(hù)通過(guò)瀏覽器遠(yuǎn)程訪問(wèn)無(wú)紙記錄儀，即可看到與記錄儀顯示一樣的畫(huà)面，且可進(jìn)行在記錄儀上相同的操作。
而在即將到來(lái)的物聯(lián)網(wǎng)浪潮中，無(wú)紙記錄儀將由一個(gè)的模擬信號(hào)與數(shù)字傳輸之間的轉(zhuǎn)換設(shè)備，轉(zhuǎn)換為傳統(tǒng)的模擬傳感器與新興的物聯(lián)網(wǎng)連接的一座橋梁，既降低用戶(hù)部署新型互聯(lián)的技術(shù)難度，同時(shí)也保護(hù)了用戶(hù)現(xiàn)有的操作習(xí)慣。
3.2 高分辨率顯示與觸摸交互技術(shù)
智能手機(jī)和平板電腦的流行使用戶(hù)對(duì)工業(yè)儀表的顯示與操作提出了更高的要求。傳統(tǒng)的無(wú)紙記錄儀由于技術(shù)與成本的原因，并沒(méi)有使用高分辨率顯示屏，顯示不清晰，顏色效果差。在操作方面，由于儀表面板體積受限，使得儀表的按鍵數(shù)量較少，用戶(hù)在操作時(shí)相當(dāng)麻煩，尤其是歷史曲線查詢(xún)、組態(tài)設(shè)置等操作。
高分辨率顯示需要使用新型的液晶顯示控制器、大容量的顯示緩沖以及高速數(shù)據(jù)傳輸總線才能實(shí)現(xiàn)。液晶顯示控制器分為MCU自帶控制器、專(zhuān)用液晶顯示控制器、使用CPLD/FPGA自行開(kāi)發(fā)三種。目前的工業(yè)MCU自帶的控制器和專(zhuān)用液晶顯示控制器能驅(qū)動(dòng)的顯示分辨率在640*480以下，不適用與高分辨率液晶的驅(qū)動(dòng)。因此，實(shí)現(xiàn)高分辨率顯示需使用CPLD/FPGA自行開(kāi)發(fā)。
觸摸屏使得傳統(tǒng)的按鍵式操作相形見(jiàn)絀，滑動(dòng)移動(dòng)曲線、雙指縮放曲線、全字母鍵盤(pán)點(diǎn)擊輸入等功能令人神往。觸摸屏的技術(shù)難度不在硬件而在軟件。觸摸屏操作必須結(jié)合良好的UI才能獲得良好的體驗(yàn)。
3.3 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)、超大容量存儲(chǔ)及文件系統(tǒng)技術(shù)
以太網(wǎng)通訊、無(wú)線通訊、高分辨率顯示、觸摸交互，這些技術(shù)如果沒(méi)有操作系統(tǒng)和文件系統(tǒng)的支撐是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的，而工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的要求使得這個(gè)操作系統(tǒng)必須是一個(gè)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。
現(xiàn)有的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)很多，主要由WinCE、VXWorks、uC/OS-II、FreeRTOS、eCOS等[4]。各廠商可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用選擇適合的操作系統(tǒng)。
現(xiàn)有的無(wú)紙記錄儀的存儲(chǔ)容量普遍在100MB以下，這是由兩方面的原因造成的。一是工業(yè)級(jí)的固態(tài)存儲(chǔ)器普遍容量不高，二是在1GB以上的存儲(chǔ)方式下，沒(méi)有文件系統(tǒng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)空間的有效管理，而現(xiàn)有的文件系統(tǒng)無(wú)法適應(yīng)在頻繁掉電下工作。
工業(yè)級(jí)寬溫SLC Nand Flash能很好的適應(yīng)各種嚴(yán)酷的場(chǎng)合，同時(shí)容量已經(jīng)可以做到32GB，可以作為無(wú)紙記錄儀的理想存儲(chǔ)介質(zhì)。
無(wú)紙記錄儀文件系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)掉電不丟失數(shù)據(jù)，需要在硬件上提供掉電通知和掉電延遲時(shí)間，在接到掉電通知后，利用掉電延遲時(shí)間，將未保存的數(shù)據(jù)保存至文件系統(tǒng)中，同時(shí)加入有效的糾錯(cuò)功能，才能保證文件系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠。
3.4 電子簽名技術(shù)及相關(guān)軟件
無(wú)紙記錄儀作為有紙記錄儀的替代者，通過(guò)良好的顯示界面和方便的操作特性基本上已經(jīng)將有紙記錄儀趕出了歷史舞臺(tái)。但是在食品加工和醫(yī)藥加工行業(yè)，由于文件防篡改和可追溯性的要求，有紙記錄儀尚有生存空間。
電子簽名，是解決無(wú)紙記錄儀記錄數(shù)據(jù)的可靠性的解決方案。所謂電子簽名，是指數(shù)據(jù)電文中以電子形式所含、所附用于識(shí)別簽名人身份并表明簽名人認(rèn)可其中內(nèi)容的數(shù)據(jù)。美國(guó)的FDA使用21 CFR Part 11認(rèn)證來(lái)確認(rèn)電子記錄的有效性[5]，中國(guó)的GMP認(rèn)證也將電子簽名作為電子記錄有效性的保證。
無(wú)紙記錄儀的電子簽名技術(shù)是食品和醫(yī)藥加工行業(yè)記錄數(shù)據(jù)電子化的必然選擇。
3.5 創(chuàng)新的儀表結(jié)構(gòu)與模塊化信號(hào)輸入輸出技術(shù)
目前的無(wú)紙記錄儀，信號(hào)輸入輸出板卡一般都內(nèi)置在儀表內(nèi)部。這樣的設(shè)計(jì)有幾個(gè)問(wèn)題：
l 模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)連接器多次轉(zhuǎn)接，精度受損，且容易受到干擾。
l 板卡損壞后更換不方便。
l 板卡數(shù)量受限。
l 儀表體積較大，安裝不方便。
將信號(hào)輸入輸出板卡模塊化后，模擬信號(hào)直接進(jìn)入模塊，連接可靠，信號(hào)受干擾最少。同時(shí)由于信號(hào)模塊獨(dú)立，使得各種專(zhuān)用模塊（如高速信號(hào)采集、電量、化學(xué)電信號(hào)、加熱控制、運(yùn)動(dòng)控制等）同時(shí)與無(wú)紙記錄儀連接成為可能。
模塊與儀表之間可通過(guò)各種標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)場(chǎng)總線進(jìn)行靈活連接，可支持多種安裝方式（如儀表裝在儀表柜面板上，模塊裝在導(dǎo)軌上）。由于模塊可以分離，使得儀表可連接的模塊數(shù)量可大幅增加，輸入信號(hào)數(shù)量不再受儀表體積限制。
未來(lái)，無(wú)紙記錄儀與PLC、DCS的硬件將趨于同質(zhì)化，他們之間的界限將變得模糊，用戶(hù)可以選用到更適合自己的產(chǎn)品。
3.6 高抗擾開(kāi)關(guān)電源技術(shù)
模擬電源的高可靠性一直是開(kāi)關(guān)電源不能比擬的，但開(kāi)關(guān)電源的體積小、重量輕、效率高、運(yùn)行溫度低、電壓適應(yīng)范圍寬等特性也十分突出。
工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)儀表的干擾主要是兩種：浪涌和群脈沖。其中群脈沖干擾儀表運(yùn)行，而浪涌直接導(dǎo)致儀表?yè)p壞。目前，無(wú)紙記錄儀對(duì)群脈沖的干擾已經(jīng)基本克服，絕大多數(shù)場(chǎng)合下均能正常使用，而浪涌則一直是未能克服的障礙。
實(shí)現(xiàn)抗浪涌干擾的突破，對(duì)儀表的可靠性將有極大的提高。
4 結(jié)束語(yǔ)
無(wú)紙記錄儀作為一種傳統(tǒng)電子儀表，已經(jīng)經(jīng)歷了20年的風(fēng)雨歷程，技術(shù)是無(wú)紙記錄儀產(chǎn)生、發(fā)展的源泉。緊跟技術(shù)發(fā)展的腳步，無(wú)紙記錄儀將始終在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域占有一席之地！
