一

 前言

　　工業(yè)企業(yè)的生產(chǎn)過(guò)程是一個(gè)非常復(fù)雜而龐大的系統(tǒng),對(duì)于生產(chǎn)過(guò)程的控制關(guān)系著企業(yè)的運(yùn)行效率。近年來(lái),隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的日益激烈以及國(guó)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(lái)越高的要求。目前中國(guó)正處于由制造大國(guó)向制造強(qiáng)國(guó)的轉(zhuǎn)變階段,當(dāng)前中國(guó)制造業(yè)的增加值占全球的20%左右。為了更好地應(yīng)對(duì)來(lái)自全球的競(jìng)爭(zhēng),需要進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率,提高資源利用率和控制能耗。而精細(xì)有效地控制生產(chǎn)過(guò)程,無(wú)疑會(huì)給企業(yè)帶來(lái)更高、更穩(wěn)定的經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益和社會(huì)效益,自然成為未來(lái)生產(chǎn)企業(yè)所追求的關(guān)鍵目標(biāo)。

　　傳統(tǒng)的計(jì)量檢測(cè)技術(shù)多以手工檢測(cè)和離線檢測(cè)為主,需要大量的人力和物力成本,效率低下且輔助時(shí)間長(zhǎng)。而且在某些領(lǐng)域存在局限性,比如對(duì)生產(chǎn)過(guò)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(wú)菌、無(wú)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(duì)生產(chǎn)環(huán)境的影響。另外,離線檢測(cè)對(duì)很多生產(chǎn)過(guò)程也并不適用,比如有些生產(chǎn)過(guò)程中使用的重要構(gòu)件,如果解體拆卸設(shè)備進(jìn)行檢測(cè),將大大降低計(jì)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(shí)時(shí)檢測(cè)技術(shù)是非常必要的。

　　在線檢測(cè)是指特定的工業(yè)企業(yè)對(duì)其生產(chǎn)過(guò)程的實(shí)時(shí)計(jì)量方法,在線檢測(cè)的主要目的是為工業(yè)生產(chǎn)提供精確實(shí)時(shí)的過(guò)程信息反饋。推動(dòng)和發(fā)展工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程在線檢測(cè)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(jìn)步的客觀需要。目前,在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中實(shí)施在線控制和優(yōu)化的概念已逐漸被越來(lái)越多的工業(yè)企業(yè)所接受。通過(guò)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程合理高效的監(jiān)測(cè)控制,不僅能夠有效地增強(qiáng)生產(chǎn)過(guò)程的安全性和可靠性,而且同時(shí)能達(dá)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(rùn)以及降低生產(chǎn)能耗和碳排放的效果。

二

 工業(yè)在線檢測(cè)現(xiàn)狀

　　在線檢測(cè)的實(shí)施方法主要是通過(guò)將計(jì)量器具安裝在生產(chǎn)線上,再利用軟測(cè)量技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的實(shí)時(shí)檢測(cè)和實(shí)時(shí)反饋,在線檢測(cè)突破了原有的傳統(tǒng)計(jì)量工作方法,成為實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程實(shí)時(shí)性和整體性的重要基礎(chǔ)。然而,也由于生產(chǎn)過(guò)程的實(shí)時(shí)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(shí)做到全局協(xié)調(diào),整個(gè)生產(chǎn)裝置平穩(wěn)高效運(yùn)行,這種種復(fù)雜特性使得在生產(chǎn)過(guò)程中一些重要的參數(shù)和指標(biāo)很難通過(guò)硬件傳感器進(jìn)行在線檢測(cè),從而無(wú)法建立起準(zhǔn)確有效的數(shù)學(xué)模型。目前,在生產(chǎn)過(guò)程中通常采用定時(shí)離線分析的方法,將采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行人工分析,然后根據(jù)分析值來(lái)指導(dǎo)生產(chǎn),這種檢測(cè)過(guò)程存在明顯的時(shí)間滯后性,遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足在線控制的要求。

　　因此,在線檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展將緊緊圍繞解決生產(chǎn)過(guò)程中一些復(fù)雜變量的實(shí)時(shí)測(cè)量和控制問(wèn)題,利用軟測(cè)量技術(shù),把自動(dòng)控制理論與工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程有機(jī)結(jié)合起來(lái),應(yīng)用計(jì)算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)難以測(cè)量或者暫時(shí)不能測(cè)量的重要變量,優(yōu)先選擇采集容易測(cè)量的變量,通過(guò)構(gòu)造以這些易測(cè)變量為輸入的數(shù)學(xué)模型來(lái)估計(jì)難測(cè)的主要變量。從而為過(guò)程控制、質(zhì)量控制、過(guò)程管理與決策等提供支持,也為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)質(zhì)量控制和過(guò)程優(yōu)化奠定基礎(chǔ)。

　　在線連續(xù)檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)是現(xiàn)代流程工業(yè)和過(guò)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(dòng)在線質(zhì)量控制和各種先進(jìn)控制策略的實(shí)施,使生產(chǎn)過(guò)程控制得更加理想。近年來(lái),我國(guó)在軟測(cè)量技術(shù)、產(chǎn)業(yè)、應(yīng)用等方面取得了積極的進(jìn)展,從技術(shù)引進(jìn)吸收到擁有自主產(chǎn)權(quán)專利,從半自動(dòng)化發(fā)展到完全自動(dòng)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(jìn)工業(yè)在線計(jì)量檢測(cè)發(fā)展的技術(shù)儲(chǔ)備和產(chǎn)業(yè)化基礎(chǔ)。

三

 在線檢測(cè)技術(shù)系統(tǒng)組成和運(yùn)行方式

　　在線檢測(cè)系統(tǒng)主要包括:待檢設(shè)備、標(biāo)準(zhǔn)器、傳感器(信號(hào)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(gè)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(jìn)的傳感技術(shù),獲得不同物理量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信號(hào),然后將獲得的信號(hào)進(jìn)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(kù),并對(duì)不同類型的數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)分類和統(tǒng)計(jì)分析,最后做出評(píng)估。智能控制系統(tǒng)則可根據(jù)檢測(cè)評(píng)估結(jié)果對(duì)設(shè)備運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)控和修正,從而達(dá)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(jiǎn)要分析工業(yè)在線檢測(cè)技術(shù)系統(tǒng)的一般組成和基本運(yùn)行方式。

　　1.示例:扭矩在線校準(zhǔn)

　　扭矩作為一個(gè)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(duì)扭矩校準(zhǔn)和測(cè)試準(zhǔn)確度的要求越來(lái)越高。由于其在線校準(zhǔn)溯源過(guò)程嚴(yán)謹(jǐn)、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(chǎng)狀況的不同而對(duì)測(cè)量結(jié)果造成的影響,因此受到了越來(lái)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(cè)系統(tǒng)的方法來(lái)進(jìn)行在線校準(zhǔn),在需裝配的工件與相應(yīng)裝配的扭矩計(jì)之間同軸串接一個(gè)高精度的扭矩傳感器,通過(guò)模擬工況的方法得到被校準(zhǔn)扭矩計(jì)的扭矩值,與該扭矩計(jì)相應(yīng)的顯示值進(jìn)行比對(duì)計(jì)算,從而判斷其計(jì)量性能。測(cè)試系統(tǒng)包括:加載平臺(tái)、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(tái)的功能是提供穩(wěn)定的扭矩值,同時(shí)在標(biāo)準(zhǔn)扭矩傳感器串入安裝時(shí)提供多自由度的調(diào)整空間。標(biāo)準(zhǔn)扭矩測(cè)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(tái)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(cè)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(duì)不同位置和距離的扭矩值傳遞問(wèn)題。

　　根據(jù)扭矩檢測(cè)的需求和實(shí)際使用情況來(lái)看,該方法相對(duì)高效、準(zhǔn)確。首先,參考傳感器定量已知,所以準(zhǔn)確度等級(jí)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(dòng)加載,易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(jiàn)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(duì)溫度進(jìn)行測(cè)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(duì)溫度傳感器的檢定是基于人工手動(dòng)操作,檢定過(guò)程中需要手工記錄大量的數(shù)據(jù)數(shù)值,針對(duì)原始記錄的誤差計(jì)算過(guò)程處理復(fù)雜,容易出錯(cuò)。因此,在線式溫度傳感器檢定系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。

　　目前,國(guó)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(cè)儀表、掃描開(kāi)關(guān)和用于數(shù)據(jù)處理的計(jì)算機(jī)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(shí),計(jì)算機(jī)在測(cè)試軟件的控制下,與低熱電勢(shì)多路數(shù)據(jù)采集裝置、溫度控制器通信,將計(jì)算機(jī)與溫控器連接,采集控溫傳感器的信號(hào),然后判斷檢定爐內(nèi)溫度是否穩(wěn)定在溫度設(shè)定點(diǎn)附近。如果爐內(nèi)實(shí)際溫度不滿足檢定條件,計(jì)算機(jī)調(diào)節(jié)溫控器直至溫度穩(wěn)定,當(dāng)溫度滿足要求時(shí),電測(cè)儀器測(cè)量被檢傳感器和標(biāo)準(zhǔn)傳感器的模擬信號(hào)輸出值,根據(jù)溫度傳感器的分度算法,計(jì)算出被檢傳感器和標(biāo)準(zhǔn)傳感器在當(dāng)前檢定點(diǎn)的誤差,待系統(tǒng)依次完成各點(diǎn)的檢定后,對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總和分析處理。

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

　　檢測(cè)控制是測(cè)量工作的基礎(chǔ),這其中涉及檢測(cè)人員、檢測(cè)設(shè)備儀器及器材、檢測(cè)工藝、檢測(cè)環(huán)境和安全、檢測(cè)記錄和標(biāo)識(shí)、檢測(cè)過(guò)程監(jiān)督和檢測(cè)后處理。

　　信號(hào)采集是從傳感器和其他待測(cè)設(shè)備單元中采集信息的過(guò)程,是結(jié)合基于計(jì)算機(jī)的測(cè)量軟硬件產(chǎn)品來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

　　數(shù)據(jù)分析則是用適當(dāng)?shù)慕y(tǒng)計(jì)分析方法對(duì)收集到的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)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(lái),工業(yè)在線檢測(cè)領(lǐng)域已經(jīng)取得了很多重要進(jìn)展,在線計(jì)量檢測(cè)與各工業(yè)領(lǐng)域的融合發(fā)展愈來(lái)愈體現(xiàn)出了廣闊的前景和無(wú)限的潛力,已然成為不可阻擋的計(jì)量時(shí)代潮流,但距離在線檢測(cè)技術(shù)的廣泛應(yīng)用仍有很多問(wèn)題亟待解決。“中國(guó)制造2025”是今后一個(gè)時(shí)期推進(jìn)中國(guó)工業(yè)化進(jìn)程的主要任務(wù),智能制造和綠色發(fā)展必然成為制造強(qiáng)國(guó)建設(shè)的主攻方向,而這一目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)必然需要在線計(jì)量技術(shù)的有力支撐。隨著在線檢測(cè)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(shí)現(xiàn)在線檢測(cè)在工業(yè)領(lǐng)域的規(guī)模化應(yīng)用突破。加快推動(dòng)在線計(jì)量檢測(cè)領(lǐng)域的發(fā)展,積極探索在線計(jì)量檢測(cè)的有效方式和手段,對(duì)充分發(fā)揮在線計(jì)量檢測(cè)對(duì)提升計(jì)量檢測(cè)系統(tǒng)整體能力、促進(jìn)產(chǎn)業(yè)發(fā)展水平、增強(qiáng)整個(gè)計(jì)量檢測(cè)行業(yè)的創(chuàng)新能力、推動(dòng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展有著至關(guān)重要的作用。工業(yè)在線計(jì)量技術(shù)將計(jì)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(dòng)傳統(tǒng)制造業(yè)加快轉(zhuǎn)型升級(jí)的步伐。在線計(jì)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(jì)量與控制系統(tǒng)與生產(chǎn)制造過(guò)程的深度集成,將實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備參數(shù)、原材料配比等生產(chǎn)過(guò)程參數(shù)高度優(yōu)化配置,實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、高效能、低排放生產(chǎn)。

　　總之,在線計(jì)量是未來(lái)工業(yè)的大勢(shì)所趨,是實(shí)現(xiàn)更精確的控制和更高效的生產(chǎn),并推動(dòng)我國(guó)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(wú)疑將對(duì)中國(guó)工業(yè)產(chǎn)生重大影響,將助推中國(guó)從工業(yè)大國(guó)到工業(yè)強(qiáng)國(guó)的跨越與蛻變,實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展,甚至彎道超車。