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(shè)制造強國，開展設(shè)計技術(shù)、可靠性技術(shù)、智能儀器儀表、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫和工業(yè)試驗平臺等制造基礎(chǔ)共性技術(shù)研發(fā)，提升制造基礎(chǔ)能力[1]”。作為國民經(jīng)濟重要領(lǐng)域，冶金、化工、船舶等行業(yè)裝備系統(tǒng)具有日益大型化和控制復(fù)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(shù)基礎(chǔ)，相關(guān)產(chǎn)品具有較高的性能和質(zhì)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(shù)，且形成了系統(tǒng)化的行業(yè)可靠性標準體系，能夠有效地指導(dǎo)開展可靠性工作。在金屬材料腐蝕方面，英國伯明翰大學(xué)、法國圖盧茲國立綜合理工學(xué)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(lǐng)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(nèi)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(diào)研分析結(jié)果顯示，惡劣環(huán)境下國產(chǎn)儀表與國外品牌儀表產(chǎn)品的差距主要表現(xiàn)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(shè)計、仿真、試驗及評價等方法是導(dǎo)致國產(chǎn)儀表可靠性不足的主要原因。隨著儀器儀表新技術(shù)的不斷發(fā)展，國產(chǎn)儀表將面臨越來越惡劣的工作環(huán)境及工況。傳統(tǒng)的儀表可靠性設(shè)計、仿真、試驗及評價等方法難以適應(yīng)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(dǎo)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(shù)要點，提出了惡劣環(huán)境模擬裝置的設(shè)計方案，開發(fā)了惡劣環(huán)境下儀表可靠性設(shè)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(xiàn)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(shù)據(jù)采集功能。試驗數(shù)據(jù)需要實時進行采集、記錄，由于溫度較高，對信號采集系統(tǒng)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(shù)監(jiān)測裝置以及應(yīng)力驅(qū)動裝置等試驗驗證平臺關(guān)鍵部件。具體設(shè)計要求如下。

①環(huán)境模擬設(shè)備研制。

平臺根據(jù)不同的行業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，模擬相應(yīng)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(nèi)部的最高溫度不低于1 200 ℃。

②性能參數(shù)采集裝置設(shè)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(guān)系到產(chǎn)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(yīng)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(shè)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(tǒng)。依據(jù)所研究的可靠性試驗方法，設(shè)計儀表性能參數(shù)監(jiān)控、工裝夾具、應(yīng)力驅(qū)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(tǒng)及外殼的惡劣工作環(huán)境，配合數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，將采集的數(shù)據(jù)形成知識庫，以解決傳統(tǒng)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(shè)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(shè)計

為滿足平臺設(shè)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(tǒng)及水冷系統(tǒng)等部分構(gòu)成。

2.1.1 爐體

高溫熔鹽爐爐體結(jié)構(gòu)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(gòu)成[2]。

圖1 高溫熔鹽爐爐體結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)。內(nèi)封頭與外封頭內(nèi)均有循環(huán)冷卻水對裝置內(nèi)外進行冷卻。爐蓋內(nèi)側(cè)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(shè)備。

爐身由鋼骨架根據(jù)力學(xué)原理選用合適、優(yōu)質(zhì)冷軋鋼板，經(jīng)數(shù)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(xiàn)象。

爐體由雙導(dǎo)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(shè)計實現(xiàn)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(chǎn)生，穩(wěn)定可靠。爐體與爐襯之間設(shè)置軟硬接觸式密封結(jié)構(gòu)，即在爐側(cè)將其周邊的纖維密封塊微突于爐體架并做成可調(diào)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(guān)，以保證爐門在打開和關(guān)閉時平穩(wěn)運行。爐體的移動截止檔開關(guān)確保高溫熔鹽爐在生產(chǎn)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(jié)構(gòu)，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(fù)合保溫層，保溫效果好。

加熱元件采用優(yōu)質(zhì)電阻絲，分別安裝在爐膛內(nèi)，由定制模具加工制作。加熱元件的結(jié)構(gòu)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(xiàn)象。爐身設(shè)有3路控溫?zé)犭娕佳b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(tǒng)

水冷系統(tǒng)由設(shè)備進水管、出水管閥門及壓力表等元器件構(gòu)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(nèi)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(shè)定值時，控制系統(tǒng)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(tǒng)

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(xiàn)電壓的平滑調(diào)節(jié)，從而達到自動控制設(shè)備功率的目的。電爐的功率在觸摸屏上展示，可完成數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)輸出等操作，也可使用外接大容量存儲設(shè)備進行復(fù)制、移出與備份操作，對數(shù)據(jù)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(shè)置、更直觀地監(jiān)控各部分設(shè)備的運行狀態(tài)。觸摸屏中對于電爐內(nèi)部的參數(shù)設(shè)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(tǒng)設(shè)計

2.2.1 硬件架構(gòu)設(shè)計

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

圖3 采集系統(tǒng)工作原理

此系統(tǒng)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(wǎng)完成通信連接。整個系統(tǒng)將220 V的交流電輸入PLC電源模塊[10]，再轉(zhuǎn)換成24 V的直流電輸出給其余模塊。

現(xiàn)場由溫度儀表/變送器傳輸來的信號被分別對應(yīng)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(wǎng)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(xiàn)。

模擬量模塊可用于測試變化的參數(shù)：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(tǒng)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(wǎng)傳遞至觸控一體機中的組態(tài)界面。數(shù)據(jù)采集過程中，通過記錄的歷史數(shù)據(jù)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(jù)電流編制控制圖，在控制圖中預(yù)設(shè)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?？刂平缦薷鶕?jù)標準的統(tǒng)計原則，通過標準的統(tǒng)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(tǒng)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(shè)備，長時間的波動曲線偏移是不允許的。系統(tǒng)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(shè)置的上下控制界限與規(guī)格界限的數(shù)值，以實時調(diào)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(zhuǎn)換成對應(yīng)量程界限的實際數(shù)值后，通過傳輸控制協(xié)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(shù)據(jù)[12]?？紤]到實際功能操作的便捷性，故預(yù)先在下位機中內(nèi)置了算法。同時，在下位機中設(shè)置短時間的可被接受的波動時間，將處理好的數(shù)據(jù)同上下控制界限與規(guī)格界限作比較。如果數(shù)值在正常范圍內(nèi)，則在上位機中正常顯示該傳感器的數(shù)值；如果數(shù)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(yù)，同時記錄報警日志，以便事后的復(fù)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(yù)留給上位機展示的傳感器實際數(shù)值接口、上下控制界限與規(guī)格界限的設(shè)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(qū)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(shù)進行監(jiān)控與設(shè)置。同時，對這些數(shù)據(jù)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(jù)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(jù)上述方法搭建平臺，依據(jù)設(shè)計時的接線圖紙，用信號發(fā)生器對AI模塊內(nèi)的第一通道進行信號發(fā)射。設(shè)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(shè)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(shè)置為0、100，規(guī)格界限分別設(shè)置為-10、110。

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

3.3 試驗結(jié)果

試驗數(shù)據(jù)記錄如表1所示。

表1 試驗數(shù)據(jù)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(shù)值變?yōu)榭偭砍痰?500，與PLC模塊的功能相符，數(shù)據(jù)也相對應(yīng)。此為正確現(xiàn)象。但表1記錄的試驗數(shù)據(jù)與換算得到的實際數(shù)據(jù)略有偏差。究其原因，是整個平臺未進行物理接地，電路內(nèi)部產(chǎn)生感應(yīng)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(shù)據(jù)信號的影響。至此，試驗平臺的集成與調(diào)試工作完成。

4 結(jié)論

本文通過分析國產(chǎn)儀表與國外品牌儀表產(chǎn)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(xiàn)導(dǎo)致國產(chǎn)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(shè)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(xiàn)狀，本文設(shè)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(shè)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(yīng)用，提供系統(tǒng)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(chǔ)，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(xiàn)了平臺在試驗過程中的不足。后續(xù)仍可根據(jù)需求繼續(xù)開展平臺的升級完善等研究工作。