惡劣環(huán)境試驗驗證平臺的設計與實現

周 勛

(上海工業(yè)自動化儀表研究院有限公司，上海 200233)

0 引言

《“十三五”國家科技創(chuàng)新規(guī)劃》指出“圍繞建設制造強國，開展設計技術、可靠性技術、智能儀器儀表、基礎數據庫和工業(yè)試驗平臺等制造基礎共性技術研發(fā)，提升制造基礎能力[1]”。作為國民經濟重要領域，冶金、化工、船舶等行業(yè)裝備系統具有日益大型化和控制復雜化等特點，對自動控制和長周期連續(xù)穩(wěn)定運行要求越來越高。由于行業(yè)的自然/工況環(huán)境條件十分惡劣(高溫、高壓、高腐蝕性)，故而對儀表可靠性提出了更高要求。國外美歐日等發(fā)達國家和地區(qū)較早對儀表可靠性保障進行了研究，積累了深厚的技術基礎，相關產品具有較高的性能和質量可靠性水平，市場競爭力強。國際上，如美國羅斯蒙特公司、霍尼韋爾公司和日本橫河機電公司以及德國西門子公司、ABB 公司、恩德斯豪斯公司等行業(yè)巨頭，均建有完善的可靠性工作體系，具備成熟的可靠性保障技術，且形成了系統化的行業(yè)可靠性標準體系，能夠有效地指導開展可靠性工作。在金屬材料腐蝕方面，英國伯明翰大學、法國圖盧茲國立綜合理工學院對材料老化、腐蝕特性曲線、失效模型等方向有深入研究。美國海軍在壽命評估領域研究了儀表的壽命評估、加速試驗等方法，為高可靠儀表提供了高效的壽命評估方法。

國內儀器儀表可靠性研究起步較晚，目前已出版了JB/T 6843、JB/T 6182、JB/T 6214、JB/T 6183 等一系列可靠性行業(yè)標準，先后研制了三十余種儀表耐腐蝕合金。儀表行業(yè)調研分析結果顯示，惡劣環(huán)境下國產儀表與國外品牌儀表產品的差距主要表現在使用壽命短、可靠性低等方面。缺乏針對惡劣工況/環(huán)境條件的可靠性設計、仿真、試驗及評價等方法是導致國產儀表可靠性不足的主要原因。隨著儀器儀表新技術的不斷發(fā)展，國產儀表將面臨越來越惡劣的工作環(huán)境及工況。傳統的儀表可靠性設計、仿真、試驗及評價等方法難以適應我國儀表行業(yè)的發(fā)展速度。目前，亟需適用于惡劣環(huán)境下的儀表可靠性驗證平臺，以及指導儀表行業(yè)全壽命周期可靠性工作的保障體系。

本文通過討論惡劣環(huán)境下儀表的可靠性和惡劣環(huán)境試驗驗證平臺的技術要點，提出了惡劣環(huán)境模擬裝置的設計方案，開發(fā)了惡劣環(huán)境下儀表可靠性設計與試驗分析軟件，并進行了平臺仿真試驗。

1 試驗驗證平臺需求分析

惡劣環(huán)境試驗驗證平臺包含了兩個方面的功能。首先是惡劣環(huán)境模擬功能，主要實現高溫熔鹽環(huán)境模擬。因氯化物熔鹽價廉易得，常用于580～1 000 ℃溫區(qū)，所以本平臺主要選取氯化物熔鹽作為試驗環(huán)境。其次是試驗數據采集功能。試驗數據需要實時進行采集、記錄，由于溫度較高，對信號采集系統的要求也相對較高。本平臺硬件部分包括惡劣環(huán)境模擬裝置、性能參數監(jiān)測裝置以及應力驅動裝置等試驗驗證平臺關鍵部件。具體設計要求如下。

①環(huán)境模擬設備研制。

平臺根據不同的行業(yè)應用領域，模擬相應的惡劣環(huán)境。在溫度方面，要求高溫爐裝置必須滿足溫度控制，內部的最高溫度不低于1 200 ℃。

②性能參數采集裝置設計。

工業(yè)用儀表采用1～5 V、4～20 mA 的標準信號。由于可靠性試驗是長期試驗，儀表性能的好壞直接關系到產品的可靠性，在可靠性驗證試驗過程中需要定期采集電壓或電流信號。對此，試驗人員需要改進或者研發(fā)相應的性能檢測裝置，包括電流和電壓采集電路等。

2 試驗驗證平臺的設計

惡劣環(huán)境試驗驗證平臺由兩部分組成，即惡劣環(huán)境模擬裝置與信號采集系統。依據所研究的可靠性試驗方法，設計儀表性能參數監(jiān)控、工裝夾具、應力驅動等裝置，建立惡劣環(huán)境下的儀表可靠性驗證硬件平臺。平臺模擬儀表傳感器、電路系統及外殼的惡劣工作環(huán)境，配合數據采集系統，將采集的數據形成知識庫，以解決傳統儀表可靠性驗證試驗局限于常規(guī)條件的問題，并拓展儀表行業(yè)的可靠性前期設計與后期試驗驗證的適用范圍。

2.1 惡劣環(huán)境模擬裝置設計

為滿足平臺設計要求，惡劣環(huán)境模擬裝置主要由爐體本體、電器控制系統及水冷系統等部分構成。

2.1.1 爐體

高溫熔鹽爐爐體結構如圖1所示。爐體本體由爐蓋、爐身、移動裝置、爐膽、爐膛和加熱元件等構成[2]。

圖1 高溫熔鹽爐爐體結構圖

爐蓋是由封頭進行雙層處理后與法蘭盤焊接形成，本身為雙層夾壁的結構。內封頭與外封頭內均有循環(huán)冷卻水對裝置內外進行冷卻。爐蓋內側的封頭為不銹鋼板定制。爐蓋整體和爐體本體為鉸鏈連接的方式。爐蓋的打開方式為從上部開蓋。在爐蓋上，還有放氣閥、加料口及爐蓋壓緊等安裝設備。

爐身由鋼骨架根據力學原理選用合適、優(yōu)質冷軋鋼板，經數控激光切割加工而成。 所有折彎處無焊縫、氣孔、夾渣等缺陷。爐身外觀橫平豎直、環(huán)保美觀，沒有褶皺、高低不平等現象。

爐體由雙導軌制造，使爐體在長時間使用過程中穩(wěn)定可靠，也可以用此特殊設計實現急冷急熱的功能。爐體采用電動絲桿左右移動，確保爐體運行時無慣性產生，穩(wěn)定可靠。爐體與爐襯之間設置軟硬接觸式密封結構，即在爐側將其周邊的纖維密封塊微突于爐體架并做成可調整的形式[3]。爐體開啟與合攏后由彈簧搭扣鎖定。爐體具有移動截止檔開關，以保證爐門在打開和關閉時平穩(wěn)運行。爐體的移動截止檔開關確保高溫熔鹽爐在生產過程中始終處于良好的閉合狀態(tài)，杜絕了熱氣外溢，改善了工作環(huán)境，并增強了節(jié)能效果[4]。測樣法蘭距爐底約 400 mm，45°均布。這樣的布局使每件樣品的受熱溫度基本一致。密封環(huán)為三高石墨。高溫熔鹽爐爐膽與熱元件如圖2所示。

圖2 高溫熔鹽爐爐膽與熱元件示意圖

爐膛采用半形結構，以高純度氧化鋁纖維為材料。纖維最高耐溫1 500 ℃。 襯體制作完成后，將高溫固化劑噴在其表面，以形成隔熱墻。噴射的高溫固化劑不僅可提升襯體面的強度與熱輻射性能，而且可將襯體蓄熱的損失降至最低，并將快速升溫效果發(fā)揮至最大，從而使高溫熔巖爐的熱效率得到最大限度的提升。因此，高溫熔巖爐具有良好的節(jié)能效果[5]。保溫材料由髙鋁纖維超硬板、含鋯髙鋁針刺毯、髙純氧化鋁耐火纖維制品組成，形成了復合保溫層，保溫效果好。

加熱元件采用優(yōu)質電阻絲，分別安裝在爐膛內，由定制模具加工制作。加熱元件的結構形式簡單，安裝方便，不會與爐外殼形成熱短路，從而避免引起爐外殼局部過熱現象。爐身設有3路控溫熱電偶裝置，分別為上路加熱、中路加熱、下路加熱裝置。

2.1.2 水冷系統

水冷系統由設備進水管、出水管閥門及壓力表等元器件構成[6]。

冷卻水從總進水管進入，分流至各分進水管并最終進入爐蓋內部，使用完畢后從出水管排出[7]。進水管上存有電接點壓力表。當總進水壓力小于設定值時，控制系統會有聲光報警并能自動截斷加熱器電源[8]。進水管上都裝有閥門，可以對某一路的冷卻水流量進行單點控制[9]。

2.1.3 溫度控制系統

電加熱爐的功率控制采用可控硅功率控制器?？刂破鞑捎靡苿酉辔坏姆绞綄崿F電壓的平滑調節(jié)，從而達到自動控制設備功率的目的。電爐的功率在觸摸屏上展示，可完成數據存儲、數據輸出等操作，也可使用外接大容量存儲設備進行復制、移出與備份操作，對數據可進行長期的保存。同時，顯示屏可實時展示電爐的功率曲線、更快捷地進行程序設置、更直觀地監(jiān)控各部分設備的運行狀態(tài)。觸摸屏中對于電爐內部的參數設定和操作均為圖文界面，操作簡潔、淺顯易懂、更易上手。

2.2 信號采集系統設計

2.2.1 硬件架構設計

硬件架構設計參照第1節(jié)中對于性能參數采集裝置的設計要求。為使采集的數據更加精準、可靠，需要改進或者研發(fā)相應的性能檢測裝置，包括電流和電壓采集電路等。采集系統工作原理如圖3所示。

圖3 采集系統工作原理

此系統使用AB 1769系列可編程邏輯控制器(programmable logic controller，PLC)搭載1794系列輸入/輸出(input/output，I/O)模塊進行測試。其中， 中央處理器(central processing unit，CPU)與I/O模塊通過以太網完成通信連接。整個系統將220 V的交流電輸入PLC電源模塊[10]，再轉換成24 V的直流電輸出給其余模塊。

現場由溫度儀表/變送器傳輸來的信號被分別對應輸入至PLC不同的模擬量輸入(analog input，AI)模塊通道中。通過CPU將收到的信號與參照信號進行對比，如果發(fā)生偏差，則發(fā)出報警通知并記錄。

PLC采集的信號以及輸出的報警通過以太網模塊傳輸至工控機，由上位機軟件展示出來。其中，報警可以采用聲光報警的形式，以便及時發(fā)現。

模擬量模塊可用于測試變化的參數：通過PLC改變測試的溫度/壓力值，將需要測試的溫度/壓力值通過模擬量輸出(analog output，AO)模塊輸出1～5 V或4～20 mA的信號至模擬裝置。模擬裝置將此輸出信號發(fā)送給溫度儀表/變送器。

2.2.2 工作原理

性能測試采集系統主要用于監(jiān)控被測儀表在試驗工況下的狀態(tài)。本次試驗過程是由傳感器通過硬接線將4～20 mA電流信號傳入PLC的模擬量輸入模塊，通過CPU運算后由以太網傳遞至觸控一體機中的組態(tài)界面。數據采集過程中，通過記錄的歷史數據形成算法，以判斷監(jiān)控傳感器處于何種狀態(tài)。例如，可根據電流編制控制圖，在控制圖中預設規(guī)格上限和下限反映可允許的最大值和最小值。上下控制界限不同于規(guī)格界限。控制界限根據標準的統計原則，通過標準的統計計算確定，代表一個穩(wěn)定過程的自然波動范圍。電流波動控制如圖4所示。

圖4 電流波動控制圖

由圖4可知，試驗人員用突變的維持時間來判斷試驗裝置是否發(fā)生損壞，同時由系統自動監(jiān)測波動曲線[11]，以及時報警并提醒試驗人員進行檢查。曲線的變化趨勢可以用于補償一些硬件的不足。短時間的波動是允許的。但為了保護試驗設備，長時間的波動曲線偏移是不允許的。系統可對傳感器的瞬時量進行監(jiān)測。如果發(fā)生長時間的波動，將及時報警，提醒試驗人員對試驗過程進行干涉。

3 仿真試驗

3.1 試驗環(huán)境搭建

本次試驗環(huán)境的搭建是在SIMATIC IPC377E工業(yè)平板電腦上使用FactoryTalk View Studio Edition來展示上位機的畫面，同時使用Studio 5000作為下位機ABB ControlLogix 系列的1769-L3系列 CPU的軟件進行編程。

本次試驗主要是收集4～20 mA的電流信號，同時需反饋上位機中設置的上下控制界限與規(guī)格界限的數值，以實時調整不同情況下不同傳感器的界限。這可以將收集的4～20 mA的電流信號轉換成對應量程界限的實際數值后，通過傳輸控制協議(transmission control protocol,TCP)上傳至上位機中，再通過FactoryTalk View Studio Edition來展示實際數據[12]?？紤]到實際功能操作的便捷性，故預先在下位機中內置了算法。同時，在下位機中設置短時間的可被接受的波動時間，將處理好的數據同上下控制界限與規(guī)格界限作比較。如果數值在正常范圍內，則在上位機中正常顯示該傳感器的數值；如果數值超出規(guī)格界限，則在上位機中及時報警，提醒試驗人員進行干預，同時記錄報警日志，以便事后的復盤分析。

在使用ABB下位機ControlLogix的1769-L3系列的CPU軟件完成編程后，將預留給上位機展示的傳感器實際數值接口、上下控制界限與規(guī)格界限的設置接口，以用于過程控制的對象連接與嵌入(object linking and emedding for process control,OPC)驅動連接至FactoryTalk View Studio Edition中。試驗人員即可在觸摸屏上對這些參數進行監(jiān)控與設置。同時，對這些數據進行采集、收集與存儲，以形成每個傳感器的歷史趨勢[13]。試驗人員可根據展示的歷史曲線對傳感器進行判斷與觀察。試驗驗證平臺全流程如圖5所示。

圖5 試驗驗證平臺全流程

3.2 試驗過程

根據上述方法搭建平臺，依據設計時的接線圖紙，用信號發(fā)生器對AI模塊內的第一通道進行信號發(fā)射。設定發(fā)射信號分別為4 mA、8 mA、12 mA、16 mA、20 mA。同時，在上位機FactoryTalk View Studio Edition的畫面中設置上下控制界限與規(guī)格界限，并分別定義試驗情景。

情景1：上下控制界限分別設置為0、100，規(guī)格界限分別設置為-10、110。

情景2：上下控制界限分別設置為500、1 000，規(guī)格界限分別設置為400、1 200。

3.3 試驗結果

試驗數據記錄如表1所示。

表1 試驗數據記錄表

在撤出信號發(fā)生器后，信號源消失，畫面上顯示的數值變?yōu)榭偭砍痰?500，與PLC模塊的功能相符，數據也相對應。此為正確現象。但表1記錄的試驗數據與換算得到的實際數據略有偏差。究其原因，是整個平臺未進行物理接地，電路內部產生感應串擾，造成電流值部分損失。因此，在后續(xù)試驗中需要對試驗平臺進行物理接地，以減少電流串擾對數據信號的影響。至此，試驗平臺的集成與調試工作完成。

4 結論

本文通過分析國產儀表與國外品牌儀表產品的可靠性差距，研究了惡劣環(huán)境下高溫、高壓、高腐蝕性等對儀表可靠性的影響，發(fā)現導致國產儀表可靠性不足的主要原因是缺乏針對惡劣工況/環(huán)境條件的可靠性設計、仿真、試驗及評價等，從而大大影響儀表在愈加惡劣的工作環(huán)境中的可靠使用。

基于該現狀，本文設計了惡劣環(huán)境模擬裝置，并開發(fā)了惡劣環(huán)境下儀表可靠性設計與試驗分析軟件。惡劣環(huán)境下儀表的可靠性驗證平臺的研發(fā)，一方面用于可靠性指標評價的開展；另一方面為儀表在其他惡劣環(huán)境中的應用，提供系統性的可靠性解決方案，同時為儀表的可靠性試驗提供軟、硬件基礎，提升了儀表行業(yè)的可靠性水平。通過試驗驗證平臺的仿真試驗，發(fā)現了平臺在試驗過程中的不足。后續(xù)仍可根據需求繼續(xù)開展平臺的升級完善等研究工作。