淺談工業(yè)儀表及關(guān)鍵測(cè)試技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用

岳春生 許寶慶

（1.中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江 海鹽 314300；2.哈爾濱藍(lán)山環(huán)境技術(shù)開發(fā)公司，黑龍江 哈爾濱 150090）

1 概述

工業(yè)儀表是為實(shí)現(xiàn)工業(yè)過程自動(dòng)化而進(jìn)行檢測(cè)、顯示、控制、執(zhí)行、報(bào)警等操作的儀表，是一種實(shí)現(xiàn)信息輸入、轉(zhuǎn)換、輸出的“信息機(jī)器”。儀表本身既是具有較完善功能的測(cè)試技術(shù)工具系統(tǒng)，又是整個(gè)自動(dòng)化系統(tǒng)中的一個(gè)子系統(tǒng)。

工業(yè)儀表技術(shù)的發(fā)展過程實(shí)質(zhì)就是測(cè)試技術(shù)的發(fā)展過程。最初的熱工儀表，只能實(shí)現(xiàn)就地檢測(cè)、記錄和簡(jiǎn)單的控制。后來使用了統(tǒng)一的壓力信號(hào)氣動(dòng)儀表，能在二次儀表上重現(xiàn)讀數(shù)，在中心控制室可進(jìn)行檢測(cè)、記錄和控制。相繼出現(xiàn)了電動(dòng)式的動(dòng)圈式毫伏計(jì)、電子電位差計(jì)、電氣機(jī)械式調(diào)節(jié)器和整套的電子管調(diào)節(jié)儀表。組裝式電子綜合控制裝置的應(yīng)用，才將儀表和生產(chǎn)自動(dòng)控制系統(tǒng)有機(jī)地結(jié)合在了一起。以上發(fā)展是跨世紀(jì)的，而測(cè)試系統(tǒng)從各自獨(dú)立的“三大環(huán)節(jié)”到“卡式儀表”再到今天的“虛擬儀器”，只經(jīng)歷了短短十多年時(shí)間。工業(yè)革命和現(xiàn)代化大規(guī)模生產(chǎn)促進(jìn)了新學(xué)科、新技術(shù)的發(fā)展，后來又出現(xiàn)了電子計(jì)算機(jī)和空間技術(shù)等，儀器儀表因而也得到迅速的發(fā)展?，F(xiàn)代儀器儀表已成為測(cè)量、控制和實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化必不可少的技術(shù)工具。

2 測(cè)試系統(tǒng)構(gòu)成

測(cè)試系統(tǒng)的組成見圖1，主要把測(cè)試系統(tǒng)分為三大環(huán)節(jié)來看待，目前常用的測(cè)試系統(tǒng)仍按這一原則來處理。但是，現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)已經(jīng)突破了各個(gè)環(huán)節(jié)之間的界線。如各種智能傳感器/儀表把傳感、信號(hào)轉(zhuǎn)換、信號(hào)采集與處理融入到其內(nèi)部，功能已包含了上述測(cè)試系統(tǒng)的三大環(huán)節(jié)。儀表調(diào)節(jié)技術(shù)的研發(fā)，除一般的比例、積分、微分調(diào)節(jié)規(guī)律外，正在研究前饋、大滯后、非線性、相關(guān)和計(jì)算值調(diào)節(jié)等技術(shù)，以適應(yīng)多回路自動(dòng)化系統(tǒng)的需要?，F(xiàn)代數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)向著能對(duì)百/千計(jì)的參數(shù)測(cè)試、速度更快、準(zhǔn)確性和可靠性更高方向發(fā)展。

圖1 測(cè)試系統(tǒng)框圖

3 儀表關(guān)鍵測(cè)試技術(shù)構(gòu)成

3.1 傳感技術(shù)

傳感技術(shù)不僅是儀器儀表實(shí)現(xiàn)檢測(cè)的基礎(chǔ)，它也是儀器儀表實(shí)現(xiàn)控制的基礎(chǔ)。它包括有用被測(cè)量敏感技術(shù)，涉及各學(xué)科工作原理、遙感遙測(cè)、新材料等技術(shù)；信息融合技術(shù)，涉及傳感器分布，微弱信號(hào)提取（增強(qiáng)），傳感信息融合，成像等技術(shù)。

近年來，開發(fā)的新厡理、新材料、新工藝的新型傳感器成果顯著，如光導(dǎo)纖維傳感器、非接觸式微波傳感器、核輻射傳感器等都投入使用。特殊測(cè)量需求的雙參數(shù)、雙量程、多分力已成為傳感器研究的新課題。

3.2 系統(tǒng)集成技術(shù)

該技術(shù)直接影響儀器儀表和測(cè)量控制科學(xué)技術(shù)的應(yīng)用廣度和水平，特別是對(duì)大工程、大系統(tǒng)、大型裝置的自動(dòng)化程度和效益有決定性影響。系統(tǒng)集成技術(shù)是系統(tǒng)級(jí)層次上的信息融合控制技術(shù)，包括系統(tǒng)的需求分析和建模技術(shù)，物理層配置技術(shù)，系統(tǒng)各部份信息通信轉(zhuǎn)換技術(shù)和應(yīng)用層控制策略實(shí)施技術(shù)等。在操作人員為多種不同崗位的操作群體情況下，還包括各級(jí)操作人員需求分析技術(shù)。

3.3 智能控制技術(shù)

該技術(shù)是人類以接近最佳方式，通過測(cè)控系統(tǒng)以接近最佳方式監(jiān)控智能化工具、裝備、系統(tǒng)達(dá)到既定目標(biāo)的技術(shù)，是直接涉及測(cè)控，系統(tǒng)的效益發(fā)揮的技術(shù)，是從信息技術(shù)向知識(shí)經(jīng)濟(jì)技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵。智能控制技術(shù)是測(cè)控系統(tǒng)中最重要和最關(guān)鍵的軟件資源，當(dāng)前，軟件價(jià)格超過系統(tǒng)硬件價(jià)格就是例證。智能控制目標(biāo)由實(shí)現(xiàn)過程工藝參數(shù)的穩(wěn)定運(yùn)行發(fā)展為以最優(yōu)質(zhì)量為指標(biāo)的最優(yōu)控制。智能控制技術(shù)包括仿人的特征提取技、目標(biāo)自動(dòng)辨識(shí)、知識(shí)的自學(xué)習(xí)、環(huán)境的自適應(yīng)及最佳決策技術(shù)等。

3.4 人機(jī)界面技術(shù)

該技術(shù)主要為方便儀器儀表操作人員操作儀器儀表或主設(shè)備、主系統(tǒng)服務(wù)。儀器儀表、甚至配有儀器儀表的主設(shè)備、主系統(tǒng)的可操作性、可維護(hù)性主要由人機(jī)界面技術(shù)完成。人機(jī)友好界面技術(shù)包括顯示技術(shù)、硬拷貝技術(shù)、人機(jī)對(duì)話技術(shù)、故障人工干預(yù)技術(shù)等。隨著儀器儀表的系統(tǒng)化、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展，人機(jī)友好界面技術(shù)正向人機(jī)大系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展；識(shí)別特定操作人員、防止非操作人員的介入技術(shù)也日益受到重視。

3.5 可靠性技術(shù)

儀器儀表和測(cè)控系統(tǒng)技術(shù)特別是在諸如核工業(yè)設(shè)施、電力、大型工程和工業(yè)生產(chǎn)中一旦出現(xiàn)故障，將導(dǎo)致災(zāi)難性的后果。其可靠性、安全性、可維性顯得特別重要。像2003年8月15日美國(guó)、加拿大大面積停電的事故，就是由部分設(shè)備故障而擴(kuò)展造成！如用于航天器的儀器儀表，可靠性已達(dá)到0.995～0.9998，連續(xù)工作無故障時(shí)間（10～50）×103h。

4 卡式儀表與虛擬儀器技術(shù)

“卡式儀表”是把信號(hào)調(diào)節(jié)電路和顯示記錄儀制成卡式模塊，并與計(jì)算機(jī)總線相連，使各儀器得到大大簡(jiǎn)化，并能通過計(jì)算機(jī)來操作各模塊的功能，進(jìn)行監(jiān)測(cè)?！疤摂M儀器”是在卡式儀表的基礎(chǔ)上，利用計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大資源，使卡式儀表與軟件充分融合，達(dá)到測(cè)量與控制的功能?！疤摂M儀器”的特點(diǎn)是根據(jù)不同的被測(cè)對(duì)象和需求，用戶自由選擇各種功能組合，靈活性充分，使用便捷。這也是近30年來始終引領(lǐng)工業(yè)自動(dòng)化儀表發(fā)展趨勢(shì)的原因所在。但是，只有同時(shí)擁有高效的軟件、模塊化I/O硬件和用于集成的軟硬件平臺(tái)這三大組成部分，才能充分發(fā)揮虛擬儀器技術(shù)的性能高、擴(kuò)展性強(qiáng)、開發(fā)時(shí)間短，以及出色的集成這四大優(yōu)勢(shì)。

結(jié)語

相對(duì)歐美、韓日等發(fā)達(dá)國(guó)家，我國(guó)工業(yè)自動(dòng)化程度在各行業(yè)、領(lǐng)域間發(fā)展極不平衡。如在電力、冶金等壟斷的基建領(lǐng)域已經(jīng)走在世界前沿；汽車、制藥等產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用目前正在進(jìn)一步深化中；而眾多傳統(tǒng)制造行業(yè)，則仍處于剛起步階段。當(dāng)前，中國(guó)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)方式正在從粗放向集約、產(chǎn)品制造向產(chǎn)品服務(wù)、技術(shù)創(chuàng)新型轉(zhuǎn)變。該轉(zhuǎn)變也勢(shì)必給工業(yè)儀表行業(yè)帶來一系列的深刻影響。我國(guó)工業(yè)儀表及其測(cè)試技術(shù)的發(fā)展，在面向世界前沿技術(shù)的同時(shí)，還應(yīng)著重國(guó)內(nèi)的需求特點(diǎn)，有針對(duì)性的研發(fā)、選用新技術(shù)新產(chǎn)品。

[1]韓建海.機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2010.

[2]張智賢.自動(dòng)化儀表與過程控制[M].北京:中國(guó)電力出版社，2009.