網(wǎng)絡(luò)化測(cè)試技術(shù)淺談

1 引 言

隨著生產(chǎn)過程自動(dòng)化控制要求的不斷提高，傳統(tǒng)測(cè)試系統(tǒng)的缺點(diǎn)越來越突出。

① 儀器間的匹配問題以及儀器間的測(cè)量精度使整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)精度的提高受到限制;

② 傳統(tǒng)測(cè)試系統(tǒng)由多臺(tái)測(cè)量?jī)x器組成，信號(hào)的傳輸速度受到限制，給被測(cè)信號(hào)的實(shí)時(shí)分析帶來困難，在很多情況下，如果時(shí)間延誤，測(cè)得的信號(hào)與實(shí)時(shí)信號(hào)存在很大差異，自動(dòng)控制難以實(shí)現(xiàn);

③ 由多臺(tái)儀器組成的測(cè)試系統(tǒng)相對(duì)分散，體積大，不易攜帶，使現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)受到限制。對(duì)此，傳統(tǒng)測(cè)試系統(tǒng)的改造勢(shì)在必行。

綜觀近年來測(cè)試技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r，現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)除需要不斷提高靈敏度、精度和可靠性以外，主要向著小型化、非接觸化、多功能化(多參數(shù)測(cè)量)、智能化及網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展。近年來計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)、通訊技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅猛發(fā)展，為以PC機(jī)和工作站為基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)化測(cè)試技術(shù)的發(fā)展提供了技術(shù)保障。網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)應(yīng)用于測(cè)試系統(tǒng)已成為現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)發(fā)展的一大趨勢(shì)。

2 網(wǎng)絡(luò)化測(cè)試技術(shù)的特點(diǎn)

網(wǎng)絡(luò)的最大特點(diǎn)就是可以實(shí)現(xiàn)資源共享，使現(xiàn)有資源得到充分利用，從而實(shí)現(xiàn)多系統(tǒng)、多專家的協(xié)同測(cè)試與診斷，它解決了已有總線在儀器臺(tái)數(shù)上的限制，使一臺(tái)機(jī)器為更多的用戶使用，實(shí)現(xiàn)測(cè)量信息的共享，實(shí)現(xiàn)整個(gè)測(cè)試過程的高度自動(dòng)化、智能化，同時(shí)減少了硬件的設(shè)置，有效降低了測(cè)試系統(tǒng)的成本。另外，網(wǎng)絡(luò)可以不受地域的限制，這就決定了網(wǎng)絡(luò)化測(cè)試系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程測(cè)控，使測(cè)試人員不受時(shí)間和空間的限制，隨時(shí)隨地獲取所需信息，同時(shí)網(wǎng)絡(luò)化測(cè)試系統(tǒng)還可以實(shí)現(xiàn)測(cè)試設(shè)備的遠(yuǎn)距離測(cè)試與診斷，提高測(cè)試效率。正是網(wǎng)絡(luò)化測(cè)試系統(tǒng)的這些優(yōu)點(diǎn)，使得網(wǎng)絡(luò)化測(cè)試技術(shù)倍受關(guān)注。

3 網(wǎng)絡(luò)化測(cè)試的技術(shù)支持及網(wǎng)絡(luò)化儀器

實(shí)際測(cè)試工作極其復(fù)雜，整個(gè)測(cè)試過程涉及試驗(yàn)設(shè)計(jì)、模型理論、傳感器設(shè)計(jì)、信號(hào)加工處理、誤差處理、控制工程、系統(tǒng)辯識(shí)和參數(shù)評(píng)估等。網(wǎng)絡(luò)化測(cè)試不僅需要這些技術(shù)，還需要完備的計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)、通訊技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等，這些技術(shù)的完備為網(wǎng)絡(luò)化測(cè)試技術(shù)的產(chǎn)生與應(yīng)用提供了強(qiáng)大的物質(zhì)支持，而智能檢測(cè)儀器儀表的產(chǎn)生加速了測(cè)試系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化的進(jìn)程。各種可直接接入網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)化儀器已在實(shí)際測(cè)控領(lǐng)域得到了應(yīng)用。

為適應(yīng)需要，目前市場(chǎng)上出現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)化儀器都具有標(biāo)準(zhǔn)的上網(wǎng)規(guī)范，如VXI總線頒布的TCP/IP儀器協(xié)議和接口變換規(guī)范，該規(guī)范為開發(fā)通用接口實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)提供了一種方法和標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了此協(xié)議到特定接口的變換，規(guī)范的制定使得通過網(wǎng)絡(luò)直接控制儀器成為可能。傳感器作為測(cè)試系統(tǒng)的一部分，它的網(wǎng)絡(luò)化非常重要，網(wǎng)絡(luò)化傳感器是在智能傳感器的基礎(chǔ)上，把TCP/IP協(xié)議嵌入現(xiàn)場(chǎng)智能傳感器的ROM中，利用局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)，使處于測(cè)控點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)傳感器將測(cè)控參數(shù)信號(hào)加以必要的處理后送入網(wǎng)絡(luò)。另外，控制局域網(wǎng)絡(luò)(CAN)現(xiàn)場(chǎng)總線的規(guī)范也已被制定為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 11898，它已廣泛應(yīng)用于離散控制系統(tǒng)中。目前市場(chǎng)上還出現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)化示波器以及具有良好用戶界面、可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程測(cè)控的網(wǎng)絡(luò)化邏輯分析儀。

這些網(wǎng)絡(luò)化儀器的出現(xiàn)，加快了網(wǎng)絡(luò)化測(cè)試技術(shù)的發(fā)展，通用性更強(qiáng)、功能更完備的新一代網(wǎng)絡(luò)化測(cè)試儀器還將不斷涌現(xiàn)市場(chǎng)。

4 網(wǎng)絡(luò)化測(cè)試技術(shù)中的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)

現(xiàn)場(chǎng)總線既是新型的自動(dòng)化系統(tǒng)，又是低帶寬的低層控制網(wǎng)絡(luò)，它可以與因特網(wǎng)(Internet)、企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)(Intranet)相連，且位于生產(chǎn)控制和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的低層，因此被稱為低層網(wǎng)。它作為網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)最顯著的特征是具有開放統(tǒng)一的通訊協(xié)議，肩負(fù)著生產(chǎn)運(yùn)行一線測(cè)量控制的統(tǒng)一任務(wù)。

現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)具有以下技術(shù)特點(diǎn)：

① 系統(tǒng)的開放性：開放系統(tǒng)是指通訊協(xié)議公開，各不同廠家的設(shè)備之間可進(jìn)行互連并實(shí)現(xiàn)信息交換，現(xiàn)場(chǎng)總線開發(fā)者就是要致力于建立統(tǒng)一的工廠底層網(wǎng)絡(luò)的開放系統(tǒng)。這里的開放是指對(duì)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的一致、公開性，強(qiáng)調(diào)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的公識(shí)與遵從。一個(gè)開放系統(tǒng)，它可以與任何遵守相同標(biāo)準(zhǔn)的其它設(shè)備或系統(tǒng)相連。一個(gè)具有總線功能的現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)必須是開放的，開放系統(tǒng)把系統(tǒng)集成的權(quán)利交給了用戶，用戶可按自己的需求和對(duì)象把來自不同供應(yīng)商的產(chǎn)品組成大小隨意的系統(tǒng)。

②互可操作性與互用性：這里的可互操作性，是指實(shí)現(xiàn)互連設(shè)備間、系統(tǒng)間的信息傳遞與溝通，可實(shí)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的數(shù)字通訊;而互用性則意味著不同生產(chǎn)廠家的性能類似的設(shè)備可進(jìn)行互換，實(shí)現(xiàn)互用。

③現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的智能化與功能自治性：它將傳感測(cè)量、補(bǔ)償計(jì)算、工程量處理與控制等功能分散到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中完成，僅靠現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備即可完成自動(dòng)控制的基本功能，并可隨時(shí)診斷設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。

④系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散性：由于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備本身已可完成自動(dòng)控制的基本功能，使得現(xiàn)場(chǎng)總線已構(gòu)成一種新的全分布式控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，從根本上改變了現(xiàn)有DCS集中與分散相結(jié)合的集散控制系統(tǒng)體系，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了可靠性。

⑤對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的適應(yīng)性：工作在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備前端，作為工廠網(wǎng)絡(luò)底層的現(xiàn)場(chǎng)總線，是專為在現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境工作而設(shè)計(jì)的，它可支持雙膠線、同軸電纜、光纜、射頻、紅外線、電力線等，具有較強(qiáng)的抗干擾能力，能采用兩線制實(shí)現(xiàn)送電與通信，并可滿足本質(zhì)安全防爆要求等。

正因?yàn)槿绱?，特別是現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化，使得整個(gè)網(wǎng)絡(luò)化測(cè)試系統(tǒng)從設(shè)計(jì)、安裝、投運(yùn)到正常生產(chǎn)運(yùn)行及其檢修維護(hù)都體現(xiàn)出極大的優(yōu)越性，其優(yōu)越性主要體現(xiàn)以下幾個(gè)方面：

① 節(jié)省硬件數(shù)量與投資：由于現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)中分散在設(shè)備前端的智能設(shè)備能直接執(zhí)行多種傳感、控制、報(bào)警和計(jì)算功能，因而可減少變送器的數(shù)量，不再需要單獨(dú)的控制器、計(jì)算單元等，也不再需要DCS系統(tǒng)的信號(hào)處理、轉(zhuǎn)換、防腐技術(shù)等功能單元及其復(fù)雜接線，還可以用工控PC機(jī)作為操作站，從而節(jié)省了一大筆硬件投資，由于控制設(shè)備的減少，還可減少控制室的占地面積。

② 節(jié)省安裝費(fèi)用：現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)的接線十分簡(jiǎn)單，由于一對(duì)雙膠線或一條電纜上通?？蓲旖佣鄠€(gè)設(shè)備，因而電纜、端子、槽盒、橋架的用量大大減少，連接設(shè)計(jì)與接頭校對(duì)的工作量也大為減少。當(dāng)需要增加現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備時(shí)，無須增加新的電纜，可就近連接在原有的的電纜上，既節(jié)省了投資，也減少了設(shè)計(jì)、安裝的工作量。據(jù)有關(guān)典型試驗(yàn)工程的預(yù)算資料，可節(jié)省安裝費(fèi)用60%以上。

③ 節(jié)省維護(hù)開銷：由于現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備具有自診斷與簡(jiǎn)單故障處理的能力，并通過數(shù)字通訊將相關(guān)的診斷維護(hù)信息送往控制室，用戶可以查詢所有設(shè)備的運(yùn)行、診斷維護(hù)信息，以便早期分析故障原因并快速排除?？s短了維護(hù)停工時(shí)間，同時(shí)由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，連線簡(jiǎn)單而減少了維護(hù)工作量。

④ 用戶具有高度的系統(tǒng)集成主動(dòng)權(quán)：用戶可以自由選擇不同廠商所提供的設(shè)備來集成系統(tǒng)，避免因選擇了某一品牌的產(chǎn)品被“框死”了設(shè)備的選擇范圍，不會(huì)為系統(tǒng)集成中不兼容的協(xié)議、接口而一籌莫展，使系統(tǒng)集成過程中的主動(dòng)權(quán)完全掌握在用戶手中。

⑤ 提高了系統(tǒng)的準(zhǔn)確性與可靠性：由于現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備的智能化、數(shù)字化，與模擬信號(hào)相比，它從根本上提高了測(cè)量與控制的準(zhǔn)確度，減少了傳送誤差，同時(shí)由于系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，設(shè)備與連線減少，現(xiàn)場(chǎng)儀表內(nèi)部功能加強(qiáng)，減少了信號(hào)的往返傳輸，提高了系統(tǒng)的工作可靠性。此外，由于它的設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化和功能模塊化，因而還具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、易于重構(gòu)等優(yōu)點(diǎn)。

現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)適應(yīng)了網(wǎng)絡(luò)化測(cè)試系統(tǒng)的要求，并在其中得到了廣泛的應(yīng)用。

5 網(wǎng)絡(luò)化測(cè)試系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案

實(shí)際測(cè)試過程要求我們從測(cè)試方案考慮，最大限度地激發(fā)所需信息，并以較明顯的信息形式表現(xiàn)出來，用最敏捷、最合理的方法取得最有用的、表現(xiàn)性強(qiáng)的有關(guān)信息，以有效的實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)與實(shí)施。一般測(cè)試系統(tǒng)的組成如圖1所示。

圖1 一般測(cè)試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖

網(wǎng)絡(luò)化測(cè)試系統(tǒng)面對(duì)的是空間位置分散、測(cè)試任務(wù)復(fù)雜且信息交換量大的測(cè)試系統(tǒng)，整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)應(yīng)同時(shí)具有綜合信息采集、信息處理、存儲(chǔ)、傳輸和控制以及數(shù)據(jù)的分析功能。要組建一個(gè)功能強(qiáng)大、完整的網(wǎng)絡(luò)化測(cè)試系統(tǒng)必須考慮并重點(diǎn)解決以下幾方面的問題：

① 為使現(xiàn)有資源充分利用，檢測(cè)系統(tǒng)的測(cè)量裝置可重定義;

② 數(shù)據(jù)采集是網(wǎng)絡(luò)化測(cè)試過程中的重要環(huán)節(jié)，因此常用的數(shù)據(jù)采集硬件必須兼容;

③ 數(shù)據(jù)的分析、信號(hào)的處理是測(cè)試過程的最后一個(gè)環(huán)節(jié)，也是整個(gè)測(cè)試過程中較關(guān)鍵的一步，因此測(cè)試分析系統(tǒng)的信號(hào)處理過程必須可重定義;

④ 對(duì)于整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)，其基本的功能單元必須智能化，帶有本地微處理器和存儲(chǔ)器，并且具有網(wǎng)絡(luò)化接口。

一個(gè)功能齊全的網(wǎng)絡(luò)化測(cè)試系統(tǒng)的開放性和互操作性也很重要，系統(tǒng)還應(yīng)遵循可擴(kuò)充性、安全性及服務(wù)器分布性原則。據(jù)此，網(wǎng)絡(luò)化測(cè)試系統(tǒng)的基本框圖如圖2所示。

圖2 網(wǎng)絡(luò)化測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)可分為兩個(gè)基本的功能結(jié)構(gòu)單元，即設(shè)備的測(cè)試部分和數(shù)據(jù)信號(hào)的分析處理部分。測(cè)試部分主要完成現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的必要信息的檢測(cè)，將被測(cè)系統(tǒng)的非電量信息轉(zhuǎn)換成所需的電量信息，然后通過網(wǎng)絡(luò)送入數(shù)據(jù)處理中心，對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析處理。整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)以PC技術(shù)為基礎(chǔ)，具有成本低、控制靈活、通用性強(qiáng)的特點(diǎn)，因此以高性能的PC技術(shù)為基礎(chǔ)開發(fā)的網(wǎng)絡(luò)化測(cè)試系統(tǒng)已得到廣泛應(yīng)用。另外，對(duì)于整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的軟硬件平臺(tái)的選擇，在考慮其通用性的同時(shí)，又要兼顧成本，應(yīng)選擇目前技術(shù)比較成熟的軟硬件開發(fā)平臺(tái)。

由于網(wǎng)絡(luò)自身具有靈活性，因此在實(shí)際工作中，可以根據(jù)不同的需要組建網(wǎng)絡(luò)化測(cè)試系統(tǒng)：在被測(cè)系統(tǒng)不很復(fù)雜但相對(duì)分散的情況下，可采用單用戶測(cè)試系統(tǒng);在被測(cè)系統(tǒng)較復(fù)雜，需要多方協(xié)調(diào)測(cè)試的情況下，可采用局域網(wǎng)下的多用戶測(cè)試系統(tǒng);在被測(cè)系統(tǒng)復(fù)雜且相當(dāng)分散的情況下，可采用廣域網(wǎng)下的遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)化測(cè)試系統(tǒng)。

6 網(wǎng)絡(luò)化測(cè)試技術(shù)存在的難點(diǎn)問題

網(wǎng)絡(luò)化測(cè)試技術(shù)雖然得到相當(dāng)程度的發(fā)展，但是還不十分成熟，仍然存在著很多需要解決的難點(diǎn)問題，需要在實(shí)踐中逐步完善，主要有以下幾點(diǎn)：

① 網(wǎng)絡(luò)化測(cè)試過程的實(shí)時(shí)性問題與時(shí)間的確定性問題

對(duì)某些測(cè)量過程，往往要根據(jù)測(cè)量結(jié)果對(duì)被測(cè)對(duì)象、測(cè)量條件、測(cè)量狀態(tài)進(jìn)行控制，這就需要對(duì)被測(cè)信號(hào)邊測(cè)量邊處理，根據(jù)處理結(jié)果對(duì)后序測(cè)量過程進(jìn)行選擇與控制，然而目前所廣泛采用的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的同步傳輸，使測(cè)試受到延誤，從而造成不必要的損失。因此，網(wǎng)絡(luò)化測(cè)試過程的實(shí)時(shí)性問題與時(shí)間的確定性問題的解決至關(guān)重要。

② 網(wǎng)絡(luò)化測(cè)試系統(tǒng)的成本與通用性協(xié)調(diào)問題

在網(wǎng)絡(luò)化測(cè)試系統(tǒng)的建造過程中，既要考慮成本，又要考慮系統(tǒng)的通用性，成本盡可能低而通用性盡可能強(qiáng)大是我們追求的最理想的狀態(tài)，但是在實(shí)際中兩者往往只能兼顧其一，如果為了節(jié)約成本而犧牲測(cè)試系統(tǒng)的通用性，則減小了系統(tǒng)的使用范圍，就使得建造的測(cè)試系統(tǒng)發(fā)揮不了應(yīng)有的作用;相反一味追求通用性而不顧成本，又不實(shí)際。所以，在組建網(wǎng)絡(luò)化測(cè)試系統(tǒng)的過程中，成本與通用性的協(xié)調(diào)問題應(yīng)予以高度重視。

③ 網(wǎng)絡(luò)化測(cè)試系統(tǒng)的安全性與穩(wěn)定性問題

這是每個(gè)測(cè)試工作者都比較關(guān)心的問題，它是測(cè)試能否順利進(jìn)行的保障。現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)雖已相當(dāng)成熟，但由于網(wǎng)絡(luò)自身的局限性，一旦網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行中出現(xiàn)故障，將會(huì)使整個(gè)測(cè)試陷入癱瘓狀態(tài)。因此，網(wǎng)絡(luò)的安全與穩(wěn)定在網(wǎng)絡(luò)化測(cè)試中顯得異常重要。

④ 網(wǎng)絡(luò)化測(cè)試系統(tǒng)中的總線技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)問題

網(wǎng)絡(luò)測(cè)試要求現(xiàn)場(chǎng)總線具有實(shí)時(shí)性，并實(shí)現(xiàn)可互操作性與信息處理的現(xiàn)場(chǎng)化，這就要求在實(shí)際測(cè)試中要慎重選擇現(xiàn)場(chǎng)總線。目前由于現(xiàn)場(chǎng)總線沒有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，而現(xiàn)存現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)又各具優(yōu)點(diǎn)，它們都在各自的領(lǐng)域形成了獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，因此，必須根據(jù)實(shí)際需要，選擇具有開放性、可擴(kuò)展性、兼容性強(qiáng)的現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)。

7 結(jié)束語(yǔ)

隨著測(cè)試設(shè)備智能化程度的不斷提高，現(xiàn)代測(cè)試水平進(jìn)入了一個(gè)嶄新的階段。網(wǎng)絡(luò)化測(cè)試技術(shù)作為一種新的測(cè)試手段還將隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)、通訊技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展而發(fā)展。但是，往往由于這些技術(shù)發(fā)展迅速，使一種新技術(shù)剛剛付諸使用，更新的技術(shù)就已推出，而在網(wǎng)絡(luò)化測(cè)試中所使用的設(shè)備又比較昂貴，因此測(cè)試設(shè)備的軟件化，且軟件能升級(jí)以適應(yīng)技術(shù)上的平滑過渡，來適應(yīng)更新的網(wǎng)絡(luò)化測(cè)試系統(tǒng)的要求已成為一種趨勢(shì)。