无纸记录仪在工业物联网时代的发展趋势 拓普瑞

十多年来，对现场关键数据采集、保存的重要性获得前所未有的共识，无纸记录仪的市场获得了长足的发展。随着市场的扩展，无纸记录仪的技术无论在深度和广度上都取得了前所未有的进展，其特征是与高新技术结合，在方法和体系上开始发生很大变化。计算机技术、信息技术、新型开关电源技术等电子、软件领域的渗透与交叉融合，推动了无纸记录仪技术的形成和发展。

1     无纸记录仪早期的技术特征

无纸记录仪的形成，始于石化工业。20世纪90年代前，石化行业在记录现场的流量、温度、压力等参数时，使用有纸记录仪。有纸记录仪的缺点很明显，显示不直观（只有趋势显示），需要定期换纸、更换墨水等耗材。随着电子产业的发展，两项关键技术的突破使得无纸记录仪的开发成为现实。

1.1    液晶显示技术

液晶显示器出现前，业界使用CRT显像管作为电子显示的方式。CRT显像管体积大、功耗高、抗震性差、且需要高压来驱动显示，无法作为工业仪表的显示器。而液晶显示器作为新兴的显示技术，具有重量轻、厚度薄、抗震性好等新特性，使用LED发光二极管或者CCFL作为光源，是工业仪表理想的显示器。

早期液晶显示器均为单色（黄底黑字），分辨率不高（128*64像素），一般自带显示控制器，微控制器使用并行总线与显示控制器连接，可用来显示数字和曲线，并可显示汉字。

1.2    固态电子存储器（闪存）

记录是无纸记录仪的主要功能。基于抗震的考虑，软盘、硬盘等带活动部件的存储技术无法满足工业应用的要求，而EEPROM的存储容量不足以用来作为数据存储器。闪存（Flash memory）是一种电子式可清除数据存储器，允许在操作中被多次擦或写的存储器，由日本东芝公司与1984年发明。

闪存分为Nand Flash和Nor Flash两种类型。Nand Flash具有存储量大，擦写速度快的特点，但是由于生产工业的原因，在存储空间中存在坏块，因此无法用于高可靠性要求的工业数据记录应用。而Nor Flash可靠性高，且能擦写100万次以上，是无纸记录仪数据存储的理想选择。

2     无纸记录仪技术的发展

2.1    万能信号输入技术

无纸记录仪作为模拟信号采集装置，需要接入现场多种传感器信号。早期无纸记录仪使用单类型信号调理模块作为模拟信号转换，热电偶、热电阻、电压、电流等信号需使用不同的信号调理模块，这种信号处理方式给用户带来极大的麻烦。

万能信号输入技术使用光继电器作为不同信号类型的切换开关，同时使用运算放大器和模拟开关辅助切换信号量程，使得各种不同信号类型和不同量程的传感器只需要通过软件组态设置，即可输入仪表。用户再也无需为传感器和信号调理模块的匹配问题而烦恼。

2.2    数字通讯技术

随着工厂信息化程度的提高，现场的传感器数据需要在工厂的信息系统中集中显示，无纸记录仪需要提供通讯接口。通讯接口分为物理链接和通讯协议两部分：

物理链接：RS232和RS485是两种常用的串行通信技术。RS232只能一对一通讯，且通讯距离一般不超过10米。而RS485可以多机通讯，使用差分信号，传输距离超过1000米。因此，RS485是工业现场最常用的通讯方式。

通讯协议：Modbus是Modicon于1979年为使用可编程逻辑控制器（PLC）而发布的。Modbus是工业领域通信协议的业界标准，并且现在是工业电子设备之间最常用的连接方式[1]。Modbus比其他通信协议使用的更广泛的主要原因有：

l   公开发表并且无版税要求；

l   相对容易的工业网络部署（使用RS485）；

l   对生产厂商，修改移动原生的寄存器没有很多限制；

2.3    数据转存

无纸记录仪在仪表内部存储了大量的数据，随着计算机的普及，在仪表上操作查看历史数据显然不如在电脑上查看方便，且计算机提供了数据录入、分析、打印等功能，是仪表上无法实现的。而大量的数据通过串行通讯进行上传，速度慢、时间长、容易传输失败，而且有很多现场并没有将无纸记录仪进行通讯联网。使用优盘和使用SD卡是常用的两种数据转存方式。

使用优盘或SD卡时，需在仪表上增加USB或SD接口[2]。使用传统的8051处理器无法满足USB或SD接口的高速数据传输需求，而32位的ARM高速处理器可以实现USB接口等功能。优盘和SD卡具有高抗震性，支持热插拔，存储容量大等特点，一个优盘或一张SD卡即可存储几百台无纸记录仪的存储数据，用户可一次备份多台仪表，统一在电脑上查看数据，方便抄表使用。

由于SD卡具有体积小、功耗低的特点，可作为无纸记录仪的扩展存储器，利用无纸记录仪的自动备份功能，使仪表的连续存储时间成倍增加。

3     无纸记录仪技术的发展趋势

3.1    以太网、无线通讯、物联网技术

基于数据传输量的增加和通讯速度的要求，传统的串行通讯已经无法满足未来的通讯需求。工业以太网及基于以太网的无线通讯技术的普及对无纸记录仪提出了新的通讯需求。

国外厂商在多年前就已经提供了以太网的产品，而国内厂商由于技术积累薄弱和市场需求疲软等原因，基本没有提供此类功能。

l   以太网（Ethernet）是一种计算机局域网组网技术，通常使用TCP/IP通讯协议。基于TCP/IP通讯协议，可实现多种无纸记录仪需要的功能[3]。

l   实时数据传输：使用MODBUS/TCP协议，可实现与基于RS485的MODBUS-RTU相同的实时数据通讯功能。

l   历史数据传输：使用FTP协议，可实现计算机直接读取仪表内的记录数据，速度快，且可直接使用浏览器访问，无需专用软件。

l   时间同步功能：由于硬件时钟运行时间长后，总会存在误差，而时间是记录数据准确的一个重要维度。使用SNTP（简单网络时间协议），可实现网络内无纸记录仪的时间同步，使记录数据更准确。

l   浏览器访问功能：仪表内构件一个HTML服务器，用户通过浏览器远程访问无纸记录仪，即可看到与记录仪显示一样的画面，且可进行在记录仪上相同的操作。

而在即将到来的物联网浪潮中，无纸记录仪将由一个的模拟信号与数字传输之间的转换设备，转换为传统的模拟传感器与新兴的物联网连接的一座桥梁，既降低用户部署新型互联的技术难度，同时也保护了用户现有的操作习惯。

3.2    高分辨率显示与触摸交互技术

智能手机和平板电脑的流行使用户对工业仪表的显示与操作提出了更高的要求。传统的无纸记录仪由于技术与成本的原因，并没有使用高分辨率显示屏，显示不清晰，颜色效果差。在操作方面，由于仪表面板体积受限，使得仪表的按键数量较少，用户在操作时相当麻烦，尤其是历史曲线查询、组态设置等操作。

高分辨率显示需要使用新型的液晶显示控制器、大容量的显示缓冲以及高速数据传输总线才能实现。液晶显示控制器分为MCU自带控制器、专用液晶显示控制器、使用CPLD/FPGA自行开发三种。目前的工业MCU自带的控制器和专用液晶显示控制器能驱动的显示分辨率在640*480以下，不适用与高分辨率液晶的驱动。因此，实现高分辨率显示需使用CPLD/FPGA自行开发。

触摸屏使得传统的按键式操作相形见绌，滑动移动曲线、双指缩放曲线、全字母键盘点击输入等功能令人神往。触摸屏的技术难度不在硬件而在软件。触摸屏操作必须结合良好的UI才能获得良好的体验。

3.3    实时操作系统、超大容量存储及文件系统技术

以太网通讯、无线通讯、高分辨率显示、触摸交互，这些技术如果没有操作系统和文件系统的支撑是无法实现的，而工业现场的要求使得这个操作系统必须是一个实时操作系统。

现有的实时操作系统很多，主要由WinCE、VXWorks、uC/OS-II、FreeRTOS、eCOS等[4]。各厂商可根据实际应用选择适合的操作系统。

现有的无纸记录仪的存储容量普遍在100MB以下，这是由两方面的原因造成的。一是工业级的固态存储器普遍容量不高，二是在1GB以上的存储方式下，没有文件系统无法实现空间的有效管理，而现有的文件系统无法适应在频繁掉电下工作。

工业级宽温SLC Nand Flash能很好的适应各种严酷的场合，同时容量已经可以做到32GB，可以作为无纸记录仪的理想存储介质。

无纸记录仪文件系统要实现掉电不丢失数据，需要在硬件上提供掉电通知和掉电延迟时间，在接到掉电通知后，利用掉电延迟时间，将未保存的数据保存至文件系统中，同时加入有效的纠错功能，才能保证文件系统的稳定可靠。

3.4    电子签名技术及相关软件

无纸记录仪作为有纸记录仪的替代者，通过良好的显示界面和方便的操作特性基本上已经将有纸记录仪赶出了历史舞台。但是在食品加工和医药加工行业，由于文件防篡改和可追溯性的要求，有纸记录仪尚有生存空间。

电子签名，是解决无纸记录仪记录数据的可靠性的解决方案。所谓电子签名，是指数据电文中以电子形式所含、所附用于识别签名人身份并表明签名人认可其中内容的数据。美国的FDA使用21 CFR Part 11认证来确认电子记录的有效性[5]，中国的GMP认证也将电子签名作为电子记录有效性的保证。

无纸记录仪的电子签名技术是食品和医药加工行业记录数据电子化的必然选择。

3.5    创新的仪表结构与模块化信号输入输出技术

目前的无纸记录仪，信号输入输出板卡一般都内置在仪表内部。这样的设计有几个问题：

l   模拟信号经过连接器多次转接，精度受损，且容易受到干扰。

l   板卡损坏后更换不方便。

l   板卡数量受限。

l   仪表体积较大，安装不方便。

将信号输入输出板卡模块化后，模拟信号直接进入模块，连接可靠，信号受干扰最少。同时由于信号模块独立，使得各种专用模块（如高速信号采集、电量、化学电信号、加热控制、运动控制等）同时与无纸记录仪连接成为可能。

模块与仪表之间可通过各种标准现场总线进行灵活连接，可支持多种安装方式（如仪表装在仪表柜面板上，模块装在导轨上）。由于模块可以分离，使得仪表可连接的模块数量可大幅增加，输入信号数量不再受仪表体积限制。

未来，无纸记录仪与PLC、DCS的硬件将趋于同质化，他们之间的界限将变得模糊，用户可以选用到更适合自己的产品。

3.6    高抗扰开关电源技术

模拟电源的高可靠性一直是开关电源不能比拟的，但开关电源的体积小、重量轻、效率高、运行温度低、电压适应范围宽等特性也十分突出。

工业现场对仪表的干扰主要是两种：浪涌和群脉冲。其中群脉冲干扰仪表运行，而浪涌直接导致仪表损坏。目前，无纸记录仪对群脉冲的干扰已经基本克服，绝大多数场合下均能正常使用，而浪涌则一直是未能克服的障碍。

实现抗浪涌干扰的突破，对仪表的可靠性将有极大的提高。

4     结束语

无纸记录仪作为一种传统电子仪表，已经经历了20年的风雨历程，技术是无纸记录仪产生、发展的源泉。紧跟技术发展的脚步，无纸记录仪将始终在工业自动化领域占有一席之地！