浅谈基于GIS的仪表自控系统

摘要： 本文阐述了浅谈基于gis的仪表自控系统的重要性；描述了GIS在信息时代的大规模运用；论述了仪表自控系统的设计原则；分析了系统的总体流程图；剖析了系统在钢铁公司的各方面运用，在现阶段具有一定的理论与实践意义。

关键词：仪表自控， GIS，钢铁公司

中图分类号：P634文献标识码： A

由于计算机与GIS技术的发展，使微计算机控制与GIS技术在仪表自控的应用愈来愈普遍。GIS控制过程可归纳为实时数据采集、实时决策和实时控制三个步骤。这三个步骤不断地重复进行就会使整个系统按照给定的规律进行控制、调节。同时，也对被控参数及设备运行状态、故障等进行监测、超限报警和保护，记录历史数据等。实际证明，GIS控制在控制功能如精度、实时性、可靠性等方面是模拟控制所无法比拟的，更为重要的是，由于GIS的引入而带来的管理功能(如报警管理，历史记录等)的增强更是模拟控制器根本无法实现的。因此，基于GIS的仪表自控系统在大中型钢铁公司的自动控制中已经具有无可替代的主要作用[1-2]。

本文主要是在开发基于GIS的仪表自控系统过程中的一些认识和体会， 阐述基于GIS的仪表自控系统及其在钢铁公司行业的应用前景，希望能给广大同行带来一定的借鉴意义。

1 GIS技术

地理信息系统（GIS，Geographic Information System）是一门综合性学科，结合地理学与地图学以及遥感和计算机科学，已经广泛的应用在不同的领域，是用于输入、存储、查询、分析和显示地理数据的计算机系统，随着GIS的发展，也有称GIS为“地理信息科学”（Geographic Information Science），近年来，也有称GIS为"地理信息服务"（Geographic Information service）。GIS是一种基于计算机的工具，它可以对空间信息进行分析和处理（简而言之，是对地球上存在的现象和发生的事件进行成图和分析）。 GIS 技术把地图这种独特的视觉化效果和地理分析功能与一般的数据库操作（例如查询和统计分析等）集成在一起。GIS与其他信息系统最大的区别是对空间信息的存储管理分析，从而使其在广泛的公众和个人企事业单位中解释事件、预测结果、规划战略等中具有实用价值。GIS可以分为以下五部分：

(1) 人员，是GIS中最重要的组成部分。开发人员必须定义GIS中被执行的各种任务，开发处理程序。 熟练的操作人员通常可以克服GIS软件功能的不足，但是相反的情况就不成立。最好的软件也无法弥补操作人员对GIS的一无所知所带来的负作用。

(2) 数据，精确的可用的数据可以影响到查询和分析的结果。

(3) 硬件，硬件的性能影响到软件对数据的处理速度，使用是否方便及可能的输出方式。

(4) 软件，不仅包含GIS软件，还包括各种数据库，绘图、统计、影像处理及其它程序。

(5) 过程，GIS 要求明确定义，一致的方法来生成正确的可验证的结果。

2设计原则

基于GIS的仪表自控系统最基本的设计原则有5条，分别是：单一职责原则、开放封闭原则、依赖倒置原则、接口隔离原则和Liskov替换原则[3]。

(1) 单一职责原则

对于单一职责原则，其核心思想为：一个类，最好只做一件事，只有一个引起它的变化。单一职责原则可以看做是低耦合、高内聚在面向对象原则上的引申，将职责定义为引起变化的原因，以提高内聚性来减少引起变化的原因。职责过多，可能引起它变化的原因就越多，这将导致职责依赖，相互之间就产生影响，从而大大损伤其内聚性和耦合度。通常意义下的单一职责，就是指只有一种单一功能，不要为类实现过多的功能点，以保证实体只有一个引起它变化的原因。

(2) 开放封闭原则

对于开放封闭原则，它是面向对象所有原则的核心，软件设计说到底追求的目标就是封装变化、降低耦合，而开放封闭原则就是这一目标的最直接体现。开放封闭原则，其核心思想是：软件实体应该是可扩展的，而不可修改的。也就是，对扩展开放，对修改封闭的。

(3) 依赖倒置原则

对于依赖倒置原则，其核心思想是：依赖于抽象。具体而言就是高层模块不依赖于底层模块，二者都同依赖于抽象；抽象不依赖于具体，具体依赖于抽象。

(4) 接口隔离原则

对于接口隔离原则，其核心思想是：使用多个小的专门的接口，而不要使用一个大的总接口。具体而言，接口隔离原则体现在：接口应该是内聚的，应该避免“胖”接口。一个类对另外一个类的依赖应该建立在最小的接口上，不要强迫依赖不用的方法，这是一种接口污染。

(5) Liskov替换原则

对于Liskov替换原则，其核心思想是：子类必须能够替换其基类。这一思想体现为对继承机制的约束规范，只有子类能够替换基类时，才能保证系统在运行期内识别子类，这是保证继承复用的基础。在父类和子类的具体行为中，必须严格把握继承层次中的关系和特征，将基类替换为子类，程序的行为不会发生任何变化。同时，这一约束反过来则是不成立的，子类可以替换基类，但是基类不一定能替换子类。

3 系统流程图

基于GIS的仪表自控系统流程图如图1所示。

图1 基于GIS的仪表自控系统流程图

4系统组成与应用

自动化检测仪表是基于GIS的仪表自控系统中关键的子系统之一。一般的自动化检测仪表主要由三个部分组成：①传感器，利用各种信号检测被测模拟量；②变送器，将传感器所测量的模拟信号转变为4 ~20mA 的电流信号，并送到可编程序控制器中；③显示器，将测量结果直观地显示出来，提供结果。

基于GIS的仪表自控系统自动化仪表主要有温度仪表、压力仪表、物位仪表、流量仪表及一些过程分析仪表等。

(1)温度仪表

石化现场设备或管道内介质温度一般都需要指示控制，最常用的是热电阻、热电偶。特殊热电阻有油罐平均温度计等；特殊热电偶有耐磨热电偶、表面热电偶、多点式热电偶、防爆热电偶等。

(2)压力仪表

压力表分液柱式、弹性式、活塞式。作为压力调节系统除采用压力变送器将信号送至DCS或其它调节器外，位移平衡式基地式调节器仍常用于现场。

(3)物料仪表

物料仪表没有通用产品，按测量方式分为直读式、浮力式、静压式、电接触式、电容式、超声波式等等，其中雷达式、磁致伸缩式以及矩阵涡流式液位计精度高。

(4)流量仪表

流量，不是一般的流速，是单位时间内流经有效截面的流体的体积和质量，另外还需要求知管道中一段时间内流过的累积流体的体积和质量。

(5)在线过程分析仪

从工艺上看，生产过程中对温度、压力、流量、液位等工艺参数的保证，只是间接保证最终产品或中间产品的质量合格，所以对过程中物料成分的直接分析和对最终产品的成分分析是非常重要的。

基于GIS的仪表自控系统在选定控制算法后，系统可以用简单的程序予以联接， 而实现各种复杂的控制功能。诸如；多参数控制、程序曲线控制、采样控制、非线性控制、前馈控制、带各种联锁的控制、延时时间补偿控制、自适应增益控制及最优控制等等。

5 小 结

总之，本文所述的基于GIS的仪表自控系统仍处于一个探索阶段，在某些发达城市试点运行以来，运行情况良好，管理简捷，创造了较好的经济与社会效益，基于GIS的仪表自控系统具有广阔的发展情景。

参考文献

[1] 陶永华．新型PID控制及其应用[M]．北京：机械工业出版社，2006

[2] 付晓军，冯邦军．基于MATLAB仿真平台的《自动控制技术》课程教

学改革研究[J]．新课程研究：职业教育，2013.2．

[3] 张智杰．PLC控制系统设计[J]．电气传动自动化，2002。24(6)：50―55．