摘要：可靠性分析与设计是智能仪表系统开发过程中极为重要的环节。根据现场环境的需要，分析了影响仪表正常工作的主要因素，并提出了几种有效的设计方法。作者以电机保护仪设计为例，重点介绍了该仪表系统的结构和设计方法，同时给出了实现方法。通过多种场合设计及应用试验，效果良好，值得推广。
关键词：智能仪表：可靠性；系统设计
单片机的出现促使仪表行业一次革命。基于单片机开发的仪表系统有许多传统无法比拟的有点，如测量精度高、调试简便、数显灵活、仪器体积小，维护和扩充简单等。然而，随着智能仪表广泛应用，人们对智能仪表系统在设计开发和实用方面的可靠性和抗感染能力都有了更高的要求，尤其是在现场环境很恶劣的情况下，用于过程监控的仪表系统更是如此。
近年来，我国一些智能仪表生产厂家已经意识到产品可靠性的重要性，针对各自的产品对可靠性进行了研究。例如，长沙威胜、浙江顺舟、上海协同等仪表厂家在设计可靠性、工艺可靠性和元器件失效机理分析等方面持续投入并取得了较好的成效。然而，在提高产品质量可靠性的同时，又出现了另外一个问题．那就是为了使产品获得较高的可靠性指标．往往要额外增加大量的生产成本，进而造成产品的市场销售价格居高不下，在与国外同类产品竞争时处于劣势。因此，在满足智能仪表产品质量可靠性的同时，如何精细化控制生产成本，成了众多智能仪表生产厂家最亟待解决的一大难题。本文面向智能仪表生产领域，研究智能仪表的可靠性优化设计方法。解决产品可靠性与生产成本优化调控的问题。
1、智能仪表常规电路设计及其工作原理
1.1 基本结构
实现一套智能仪表电路一般应包括：单片机、程序存储器（EPROM）、动态存储器、数据采集电路、控制电路、显示电路、隔离电路、电源系统、掉电保护系统、键盘面板及机壳等。由于EPROM和长时间保持的动态/静态RAM以及NVRAM等闲篇的普及使得智能仪表更具新的活力。
1.2 影响智能仪表系统设计的几个关键问题
（1）环境温度
除机壳等部件外，环境温度影响仪表系统的几乎所有部件，包括电路部分、面板及传感器等，一般情况下，无须特殊设计，仪表均在0-45C能正常工作，若使用环境超出这个范围，则需综合考虑。
（2）振动、冲击
由于现场环境的不确定性，时常会出现对仪表系统的振动与冲击现象。机械振动与冲击会使一些内部有缺陷的元件加速失效，从而造成灾难性故障；机械振动还会使焊点、压线点发生松动而导致接触不良。
（3）强电磁场
数字集成电路具有三态特性，高阻态时，引脚或芯片内部电路容易受电磁干扰而损害或工作不确定，造成逻辑错误；而对线性电路模块，则因强电磁干扰会造成失真，误差增大。
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2、智能仪表可靠性优化设计方法
2.1智能仪表可靠性评价方法
智能仪表可靠性评价是对智能仪表产品或其组成部分的可靠性所达到的水平进行定量分析和预测的过程，是可靠性工程的核心内容之一。本文采用寿命分布分析与统计推断方法，对智能仪表的可靠性进行评价，主要包括以下方面：一是根据产品的组成结构。建立产品的可靠性结构模型与寿命预测模型：二是对试验数据和现场使用数据等进行收集与整理，使用数理统计方法得到产品的寿命分布，并进行拟合优度检验：三是根据数理统计的基本原理，对产品寿命分布参数进行计算；四是由寿命分布与可靠性参数的关系，计算产品可靠性参数（故障率、平均寿命、可靠度等）。
2.2智能仪表可靠性优化设计建模
笔者采用“以优化设计方法为基础框架，将可靠性设计准则作为约束条件”的可靠性优化设计建模方法。首先，根据优化目标准则，建立智能仪表产品的生产成本目标函数：其次，根据智能仪表可靠性设计中得到的电子元器件选型标准，建立电子元器件的选型边界约束条件；第三，根据智能仪表可靠性评价方法中得到的可靠性参数计算方法，建立产品的可靠性性能约束条件；第四，综合其他常规约束条件和设计变量，建立智能仪表可靠性优化设计的数学模型。
2.3智能仪表可靠性优化设计算法
在建立了数学模型之后，还需要选择合适的优化算法进行求解计算。智能仪表可靠性优化设计问题的实质是：在满足产品可靠性要求的前提之下，寻求产品结构中各个电子元器件的最佳组合。因此，该问题属于典型的NP组合优化问题，为此，本文采用蚁群算法对其进行优化计算。具体步骤如下：第一步，建立蚂蚁-元器件选择图模型；第二步，按照算法要求与优化模型的特点，分别建立蚂蚁路径矩阵、元器件信息素矩阵、路径选择矩阵、成本矩阵、全局最优路径向量、算法迭代收敛矩阵及元器件可选择状态矩阵等用；第三步，根据节点转移概率准则和轮盘赌准则，研究元器件的随机选择方法：第四步，根据产品可靠性的性能约束条件，建立可靠性指标的校核计算函数；第五步，按照成本最小的优化目标要求，建立蚂蚁行走路径的成本计算函数；第六步，结合元器件信息素更新规则、启发式因子与信息素相对权重值设置方法等，建立智能仪表的元器件选择优化算法。
3、智能仪表可靠性优化设计软件实现
基于上述方法与技术，开发了智能仪表可靠性优化设计软件，对本文研究的方法与技术进行实例验证。该软件包括电子元器件管理模块、仪表可靠性设计模块、可靠性试验数据分析模块、可靠性评价模块、仪表可靠性优化设计模块、设计结果仿真模块等，采用面向对象的c#作为程序设计语言，VisualStudio2012作为软件开发环境，Matlab作为优化算法运算平台，SQLServer2010作为系统数据库。该软件可以完成智能仪表与电子元器件的相关信息管理，并根据设计要求自动完成智能仪表的可靠性优化设计工作。
4、结语
在产品质量与可靠性问题的困扰下，很多智能仪表生产企业都采取了相应的可靠性设计方法，但随之而来的高投入、高成本和低利润却让企业难以承受。本文提出的可靠性优化设计方法能够适用于各种类型的智能仪表，设计出的智能仪表具有高可靠性、低成本等优点，可增强企业的行业竞争力和市场占有率，具有明显的社会效益。
参考文献：
[1]孙涵芳等著.MCS-51单片计算机原理与应用.北京航空航天大学出版社，1998
[2]何立民等著.MCS-51系列单片机应用系统设计.北京航空航天大学出版社，2000
论文作者:刁志伟
论文发表刊物:《电力设备》2018年第8期
论文发表时间:2018/8/13
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