一

 前言

　　工業企業的生產過程是一個非常復雜而龐大的系統,對于生產過程的控制關系著企業的運行效率。近年來,隨著市場競爭的日益激烈以及國家政策的導向作用,制造業領域對產品的質量、生產效率和節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變階段,當前中國制造業的增加值占的20%左右。為了更好地應對來自的競爭,需要進一步提高生產效率,提高資源利用率和控制能耗。而精細有效地控制生產過程,無疑會給企業帶來更高、更穩定的經濟效益、環境效益和社會效益,自然成為未來生產企業所追求的關鍵目標。

　　傳統的計量檢測技術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。而且在某些領域存在局限性,比如對生產過程中伴隨著生化反應、相變轉化、能量轉移、傳遞等的企業,可能存在高溫、高壓、輻射、易燃易爆、無菌、無塵等特殊環境,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環境的影響。另外,離線檢測對很多生產過程也并不適用,比如有些生產過程中使用的重要構件,如果解體拆卸設備進行檢測,將大大降低計量的準確性和設備狀態的可靠性。因此,發展在線實時檢測技術是非常必要的。

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

二

 工業在線檢測現狀

　　在線檢測的實施方法主要是通過將計量器具安裝在生產線上,再利用軟測量技術實現對生產過程的實時檢測和實時反饋,在線檢測突破了原有的傳統計量工作方法,成為實現工業生產過程實時性和整體性的重要基礎。然而,也由于生產過程的實時性、整體性要求,各生產裝置間存在復雜的耦合、制約關系,以及受工藝或技術的限制,同時做到全局協調,整個生產裝置平穩高效運行,這種種復雜特性使得在生產過程中一些重要的參數和指標很難通過硬件傳感器進行在線檢測,從而無法建立起準確有效的數學模型。目前,在生產過程中通常采用定時離線分析的方法,將采樣數據進行人工分析,然后根據分析值來指導生產,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,在線檢測技術的發展將緊緊圍繞解決生產過程中一些復雜變量的實時測量和控制問題,利用軟測量技術,把自動控制理論與工業生產過程有機結合起來,應用計算機和互聯網技術對難以測量或者暫時不能測量的重要變量,優先選擇采集容易測量的變量,通過構造以這些易測變量為輸入的數學模型來估計難測的主要變量。從而為過程控制、質量控制、過程管理與決策等提供支持,也為進一步實現質量控制和過程優化奠定基礎。

　　在線連續檢測技術已經是現代流程工業和過程控制領域的關鍵技術之一,它的成功應用將極大地推動在線質量控制和各種控制策略的實施,使生產過程控制得更加理想。近年來,我國在軟測量技術、產業、應用等方面取得了積極的進展,從技術引進吸收到擁有自主產權,從半自動化發展到自動化和信息化,從小規模生產逐步發展到形成支柱產業,已經具備了加快推進工業在線計量檢測發展的技術儲備和產業化基礎。

三

 在線檢測技術系統組成和運行方式

　　在線檢測系統主要包括:待檢設備、標準器、傳感器(信號變送)、信息采集系統、信息傳輸系統和數據處理系統,各個設備和系統之間的交互關系如圖1所示。將傳感器與設備、標準器連接,利用的傳感技術,獲得不同物理量的實時監測信號,然后將獲得的信號進行預處理(比如數據換算)后借助傳輸設備傳送到控制中心,終端將數據存放到數據庫,并對不同類型的數據進行科學分類和統計分析,最后做出評估。智能控制系統則可根據檢測評估結果對設備運行參數進行實時調控和修正,從而達到大幅提高生產效率、降低單位產品能耗和有效控制生產成本的目的。

　　以下分別以扭矩在線校準系統和溫度傳感器在線檢定系統為例,簡要分析工業在線檢測技術系統的一般組成和基本運行方式。

　　1.示例:扭矩在線校準

　　扭矩作為一個重要的力值參數廣泛應用于各類制造行業,隨著精密制造業的迅速發展,相應地對扭矩校準和測試準確度的要求越來越高。由于其在線校準溯源過程嚴謹、工作效率高并能限度地減小安裝條件及操作方式與現場狀況的不同而對測量結果造成的影響,因此受到了越來越多的關注。

　　在工業生產流水線上,一般采用將參考扭矩傳感器接入被測系統的方法來進行在線校準,在需裝配的工件與相應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扭矩計的扭矩值,與該扭矩計相應的顯示值進行比對計算,從而判斷其計量性能。測試系統包括:加載平臺、標準扭矩傳感器、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定的扭矩值,同時在標準扭矩傳感器串入安裝時提供多自由度的調整空間。標準扭矩測試儀由顯示儀表和高準確度的扭矩傳感器組成,和加載平臺一起構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備和標準扭矩傳感器可靠連接。扭力延伸桿用于應對不同位置和距離的扭矩值傳遞問題。

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

　　2.示例:溫度傳感器的在線檢定

　　在工業生產和科研工作中見的溫度傳感器有熱電偶和熱電阻兩種,它是利用轉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換的部件。溫度傳感器的種類繁多,所依據的檢定規程和校準規范各有不同。傳統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據數值,針對原始記錄的誤差計算過程處理復雜,容易出錯。因此,在線式溫度傳感器檢定系統應運而生。

　　目前,國內外研制的熱工溫度傳感器檢定系統種類很多,但其組成設備大多是由高溫檢定爐、高精度爐溫控制器、電測儀表、掃描開關和用于數據處理的計算機這幾部分組成的。典型結構如圖3所示。檢定系統根據用戶要求設置檢定參數,系統工作時,計算機在測試軟件的控制下,與低熱電勢多路數據采集裝置、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,然后判斷檢定爐內溫度是否穩定在溫度設定點附近。如果爐內實際溫度不滿足檢定條件,計算機調節溫控器直至溫度穩定,當溫度滿足要求時,電測儀器測量被檢傳感器和標準傳感器的模擬信號輸出值,根據溫度傳感器的分度算法,計算出被檢傳感器和標準傳感器在當前檢定點的誤差,待系統依次完成各點的檢定后,對數據進行匯總和分析處理。

　　通過上述例證可知,在線檢測技術的核心主要包括三個方面:檢測控制、信息采集和數據分析,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,這其中涉及檢測人員、檢測設備儀器及器材、檢測工藝、檢測環境和安全、檢測記錄和標識、檢測過程監督和檢測后處理。

　　信號采集是從傳感器和其他待測設備單元中采集信息的過程,是結合基于計算機的測量軟硬件產品來實現的。

　　數據分析則是用適當的統計分析方法對收集到的大量數據進行詳細地研究和分析,概括總結,最終形成結論。數據分析是質量體系的支撐,根據數據分析做出判斷。

四

 總結與展望

　　 近年來,工業在線檢測領域已經取得了很多重要進展,在線計量檢測與各工業領域的融合發展愈來愈體現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的廣泛應用仍有很多問題亟待解決。“中國制造2025”是今后一個時期推進中國工業化進程的主要任務,智能制造和綠色發展必然成為制造強國建設的主攻方向,而這一目標的實現必然需要在線計量技術的有力支撐。隨著在線檢測及其相關學科研究的深入,以及更多新理論和新技術的出現,有望實現在線檢測在工業領域的規模化應用突破。加快推動在線計量檢測領域的發展,積極探索在線計量檢測的有效方式和手段,對充分發揮在線計量檢測對提升計量檢測系統整體能力、促進產業發展水平、增強整個計量檢測行業的創新能力、推動經濟社會發展有著至關重要的作用。工業在線計量技術將計量技術與信息技術和現代制造業深度融合,將有力地推動傳統制造業加快轉型升級的步伐。在線計量技術向制造業的全面嵌入,將傳統的生產流程、生產模式和管理方式;在線計量與控制系統與生產制造過程的深度集成,將實現對設備參數、原材料配比等生產過程參數高度優化配置,實現大規模、高效能、低排放生產。

　　總之,在線計量是未來工業的大勢所趨,是實現更精確的控制和更高效的生產,并推動我國制造業健康、可持續發展的必由之路,是破解資源、能源、環境瓶頸制約的關鍵所在,無疑將對中國工業產生重大影響,將助推中國從工業大國到工業強國的跨越與蛻變,實現跨越式發展,甚至彎道超車。