一

 前言

　　工業(yè)企業(yè)的生產(chǎn)過程是一個非常復(fù)雜而龐大的系統(tǒng),對于生產(chǎn)過程的控制關(guān)系著企業(yè)的運行效率。近年來,隨著市場競爭的日益激烈以及國家政策的導(dǎo)向作用,制造業(yè)領(lǐng)域?qū)Ξa(chǎn)品的質(zhì)量、生產(chǎn)效率和節(jié)能減排等都提出了越來越高的要求。目前中國正處于由制造大國向制造強國的轉(zhuǎn)變階段,當(dāng)前中國制造業(yè)的增加值占全球的20%左右。為了更好地應(yīng)對來自全球的競爭,需要進一步提高生產(chǎn)效率,提高資源利用率和控制能耗。而精細有效地控制生產(chǎn)過程,無疑會給企業(yè)帶來更高、更穩(wěn)定的經(jīng)濟效益、環(huán)境效益和社會效益,自然成為未來生產(chǎn)企業(yè)所追求的關(guān)鍵目標(biāo)。

　　傳統(tǒng)的計量檢測技術(shù)多以手工檢測和離線檢測為主,需要大量的人力和物力成本,效率低下且輔助時間長。而且在某些領(lǐng)域存在局限性,比如對生產(chǎn)過程中伴隨著生化反應(yīng)、相變轉(zhuǎn)化、能量轉(zhuǎn)移、傳遞等的企業(yè),可能存在高溫、高壓、輻射、易燃易爆、無菌、無塵等特殊環(huán)境,這不僅需要保障檢定人員的安全,還需要減少或避免人員對生產(chǎn)環(huán)境的影響。另外,離線檢測對很多生產(chǎn)過程也并不適用,比如有些生產(chǎn)過程中使用的重要構(gòu)件,如果解體拆卸設(shè)備進行檢測,將大大降低計量的準(zhǔn)確性和設(shè)備狀態(tài)的可靠性。因此,發(fā)展在線實時檢測技術(shù)是非常必要的。

　　在線檢測是指特定的工業(yè)企業(yè)對其生產(chǎn)過程的實時計量方法,在線檢測的主要目的是為工業(yè)生產(chǎn)提供精確實時的過程信息反饋。推動和發(fā)展工業(yè)生產(chǎn)過程在線檢測技術(shù),已經(jīng)是工業(yè)企業(yè)生存發(fā)展和謀求技術(shù)進步的客觀需要。目前,在工業(yè)生產(chǎn)過程中實施在線控制和優(yōu)化的概念已逐漸被越來越多的工業(yè)企業(yè)所接受。通過對生產(chǎn)過程合理高效的監(jiān)測控制,不僅能夠有效地增強生產(chǎn)過程的安全性和可靠性,而且同時能達到改善產(chǎn)品質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率、節(jié)約資源、增加企業(yè)利潤以及降低生產(chǎn)能耗和碳排放的效果。

二

 工業(yè)在線檢測現(xiàn)狀

　　在線檢測的實施方法主要是通過將計量器具安裝在生產(chǎn)線上,再利用軟測量技術(shù)實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的實時檢測和實時反饋,在線檢測突破了原有的傳統(tǒng)計量工作方法,成為實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)過程實時性和整體性的重要基礎(chǔ)。然而,也由于生產(chǎn)過程的實時性、整體性要求,各生產(chǎn)裝置間存在復(fù)雜的耦合、制約關(guān)系,以及受工藝或技術(shù)的限制,同時做到全局協(xié)調(diào),整個生產(chǎn)裝置平穩(wěn)高效運行,這種種復(fù)雜特性使得在生產(chǎn)過程中一些重要的參數(shù)和指標(biāo)很難通過硬件傳感器進行在線檢測,從而無法建立起準(zhǔn)確有效的數(shù)學(xué)模型。目前,在生產(chǎn)過程中通常采用定時離線分析的方法,將采樣數(shù)據(jù)進行人工分析,然后根據(jù)分析值來指導(dǎo)生產(chǎn),這種檢測過程存在明顯的時間滯后性,遠遠不能滿足在線控制的要求。

　　因此,在線檢測技術(shù)的發(fā)展將緊緊圍繞解決生產(chǎn)過程中一些復(fù)雜變量的實時測量和控制問題,利用軟測量技術(shù),把自動控制理論與工業(yè)生產(chǎn)過程有機結(jié)合起來,應(yīng)用計算機和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對難以測量或者暫時不能測量的重要變量,優(yōu)先選擇采集容易測量的變量,通過構(gòu)造以這些易測變量為輸入的數(shù)學(xué)模型來估計難測的主要變量。從而為過程控制、質(zhì)量控制、過程管理與決策等提供支持,也為進一步實現(xiàn)質(zhì)量控制和過程優(yōu)化奠定基礎(chǔ)。

　　在線連續(xù)檢測技術(shù)已經(jīng)是現(xiàn)代流程工業(yè)和過程控制領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)之一,它的成功應(yīng)用將極大地推動在線質(zhì)量控制和各種先進控制策略的實施,使生產(chǎn)過程控制得更加理想。近年來,我國在軟測量技術(shù)、產(chǎn)業(yè)、應(yīng)用等方面取得了積極的進展,從技術(shù)引進吸收到擁有自主產(chǎn)權(quán)專利,從半自動化發(fā)展到完全自動化和信息化,從小規(guī)模生產(chǎn)逐步發(fā)展到形成支柱產(chǎn)業(yè),已經(jīng)具備了加快推進工業(yè)在線計量檢測發(fā)展的技術(shù)儲備和產(chǎn)業(yè)化基礎(chǔ)。

三

 在線檢測技術(shù)系統(tǒng)組成和運行方式

　　在線檢測系統(tǒng)主要包括:待檢設(shè)備、標(biāo)準(zhǔn)器、傳感器(信號變送)、信息采集系統(tǒng)、信息傳輸系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng),各個設(shè)備和系統(tǒng)之間的交互關(guān)系如圖1所示。將傳感器與設(shè)備、標(biāo)準(zhǔn)器連接,利用先進的傳感技術(shù),獲得不同物理量的實時監(jiān)測信號,然后將獲得的信號進行預(yù)處理(比如數(shù)據(jù)換算)后借助傳輸設(shè)備傳送到控制中心,終端將數(shù)據(jù)存放到數(shù)據(jù)庫,并對不同類型的數(shù)據(jù)進行科學(xué)分類和統(tǒng)計分析,最后做出評估。智能控制系統(tǒng)則可根據(jù)檢測評估結(jié)果對設(shè)備運行參數(shù)進行實時調(diào)控和修正,從而達到大幅提高生產(chǎn)效率、降低單位產(chǎn)品能耗和有效控制生產(chǎn)成本的目的。

　　以下分別以扭矩在線校準(zhǔn)系統(tǒng)和溫度傳感器在線檢定系統(tǒng)為例,簡要分析工業(yè)在線檢測技術(shù)系統(tǒng)的一般組成和基本運行方式。

　　1.示例:扭矩在線校準(zhǔn)

　　扭矩作為一個重要的力值參數(shù)廣泛應(yīng)用于各類制造行業(yè),隨著精密制造業(yè)的迅速發(fā)展,相應(yīng)地對扭矩校準(zhǔn)和測試準(zhǔn)確度的要求越來越高。由于其在線校準(zhǔn)溯源過程嚴謹、工作效率高并能最大限度地減小安裝條件及操作方式與現(xiàn)場狀況的不同而對測量結(jié)果造成的影響,因此受到了越來越多的關(guān)注。

　　在工業(yè)生產(chǎn)流水線上,一般采用將參考扭矩傳感器接入被測系統(tǒng)的方法來進行在線校準(zhǔn),在需裝配的工件與相應(yīng)裝配的扭矩計之間同軸串接一個高精度的扭矩傳感器,通過模擬工況的方法得到被校準(zhǔn)扭矩計的扭矩值,與該扭矩計相應(yīng)的顯示值進行比對計算,從而判斷其計量性能。測試系統(tǒng)包括:加載平臺、標(biāo)準(zhǔn)扭矩傳感器、工裝接頭組件和扭力延伸桿,如圖2所示。

　　加載平臺的功能是提供穩(wěn)定的扭矩值,同時在標(biāo)準(zhǔn)扭矩傳感器串入安裝時提供多自由度的調(diào)整空間。標(biāo)準(zhǔn)扭矩測試儀由顯示儀表和高準(zhǔn)確度的扭矩傳感器組成,和加載平臺一起構(gòu)成可知定量的扭矩輸出源。工裝接頭組件是為了保證被測設(shè)備和標(biāo)準(zhǔn)扭矩傳感器可靠連接。扭力延伸桿用于應(yīng)對不同位置和距離的扭矩值傳遞問題。

　　根據(jù)扭矩檢測的需求和實際使用情況來看,該方法相對高效、準(zhǔn)確。首先,參考傳感器定量已知,所以準(zhǔn)確度等級較高。其次,加載系統(tǒng)和參考傳感器可構(gòu)成一套反饋系統(tǒng),用于自動加載,易于實現(xiàn)自動化。另外,參考傳感器與被校設(shè)備同軸,受外部影響小。

　　2.示例:溫度傳感器的在線檢定

　　在工業(yè)生產(chǎn)和科研工作中最常見的溫度傳感器有熱電偶和熱電阻兩種,它是利用轉(zhuǎn)換元件的電參量隨溫度變化的物理特性對溫度進行測量轉(zhuǎn)換的部件。溫度傳感器的種類繁多,所依據(jù)的檢定規(guī)程和校準(zhǔn)規(guī)范各有不同。傳統(tǒng)的對溫度傳感器的檢定是基于人工手動操作,檢定過程中需要手工記錄大量的數(shù)據(jù)數(shù)值,針對原始記錄的誤差計算過程處理復(fù)雜,容易出錯。因此,在線式溫度傳感器檢定系統(tǒng)應(yīng)運而生。

　　目前,國內(nèi)外研制的熱工溫度傳感器檢定系統(tǒng)種類很多,但其組成設(shè)備大多是由高溫檢定爐、高精度爐溫控制器、電測儀表、掃描開關(guān)和用于數(shù)據(jù)處理的計算機這幾部分組成的。典型結(jié)構(gòu)如圖3所示。檢定系統(tǒng)根據(jù)用戶要求設(shè)置檢定參數(shù),系統(tǒng)工作時,計算機在測試軟件的控制下,與低熱電勢多路數(shù)據(jù)采集裝置、溫度控制器通信,將計算機與溫控器連接,采集控溫傳感器的信號,然后判斷檢定爐內(nèi)溫度是否穩(wěn)定在溫度設(shè)定點附近。如果爐內(nèi)實際溫度不滿足檢定條件,計算機調(diào)節(jié)溫控器直至溫度穩(wěn)定,當(dāng)溫度滿足要求時,電測儀器測量被檢傳感器和標(biāo)準(zhǔn)傳感器的模擬信號輸出值,根據(jù)溫度傳感器的分度算法,計算出被檢傳感器和標(biāo)準(zhǔn)傳感器在當(dāng)前檢定點的誤差,待系統(tǒng)依次完成各點的檢定后,對數(shù)據(jù)進行匯總和分析處理。

　　通過上述例證可知,在線檢測技術(shù)的核心主要包括三個方面:檢測控制、信息采集和數(shù)據(jù)分析,這三部分各自獨立的同時又存在交集,相互影響和制約。如圖4所示。

　　檢測控制是測量工作的基礎(chǔ),這其中涉及檢測人員、檢測設(shè)備儀器及器材、檢測工藝、檢測環(huán)境和安全、檢測記錄和標(biāo)識、檢測過程監(jiān)督和檢測后處理。

　　信號采集是從傳感器和其他待測設(shè)備單元中采集信息的過程,是結(jié)合基于計算機的測量軟硬件產(chǎn)品來實現(xiàn)的。

　　數(shù)據(jù)分析則是用適當(dāng)?shù)慕y(tǒng)計分析方法對收集到的大量數(shù)據(jù)進行詳細地研究和分析,概括總結(jié),最終形成結(jié)論。數(shù)據(jù)分析是質(zhì)量體系的支撐,根據(jù)數(shù)據(jù)分析做出判斷。

四

 總結(jié)與展望

　　 近年來,工業(yè)在線檢測領(lǐng)域已經(jīng)取得了很多重要進展,在線計量檢測與各工業(yè)領(lǐng)域的融合發(fā)展愈來愈體現(xiàn)出了廣闊的前景和無限的潛力,已然成為不可阻擋的計量時代潮流,但距離在線檢測技術(shù)的廣泛應(yīng)用仍有很多問題亟待解決?！爸袊圃?025”是今后一個時期推進中國工業(yè)化進程的主要任務(wù),智能制造和綠色發(fā)展必然成為制造強國建設(shè)的主攻方向,而這一目標(biāo)的實現(xiàn)必然需要在線計量技術(shù)的有力支撐。隨著在線檢測及其相關(guān)學(xué)科研究的深入,以及更多新理論和新技術(shù)的出現(xiàn),有望實現(xiàn)在線檢測在工業(yè)領(lǐng)域的規(guī)?；瘧?yīng)用突破。加快推動在線計量檢測領(lǐng)域的發(fā)展,積極探索在線計量檢測的有效方式和手段,對充分發(fā)揮在線計量檢測對提升計量檢測系統(tǒng)整體能力、促進產(chǎn)業(yè)發(fā)展水平、增強整個計量檢測行業(yè)的創(chuàng)新能力、推動經(jīng)濟社會發(fā)展有著至關(guān)重要的作用。工業(yè)在線計量技術(shù)將計量技術(shù)與信息技術(shù)和現(xiàn)代制造業(yè)深度融合,將有力地推動傳統(tǒng)制造業(yè)加快轉(zhuǎn)型升級的步伐。在線計量技術(shù)向制造業(yè)的全面嵌入,將顛覆傳統(tǒng)的生產(chǎn)流程、生產(chǎn)模式和管理方式;在線計量與控制系統(tǒng)與生產(chǎn)制造過程的深度集成,將實現(xiàn)對設(shè)備參數(shù)、原材料配比等生產(chǎn)過程參數(shù)高度優(yōu)化配置,實現(xiàn)大規(guī)模、高效能、低排放生產(chǎn)。

　　總之,在線計量是未來工業(yè)的大勢所趨,是實現(xiàn)更精確的控制和更高效的生產(chǎn),并推動我國制造業(yè)健康、可持續(xù)發(fā)展的必由之路,是破解資源、能源、環(huán)境瓶頸制約的關(guān)鍵所在,無疑將對中國工業(yè)產(chǎn)生重大影響,將助推中國從工業(yè)大國到工業(yè)強國的跨越與蛻變,實現(xiàn)跨越式發(fā)展,甚至彎道超車。