網(wǎng)絡(luò )化測試技術(shù)淺談

1 引 言

隨著(zhù)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化控制要求的不斷提高，傳統測試系統的缺點(diǎn)越來(lái)越突出。

① 儀器間的匹配問(wèn)題以及儀器間的測量精度使整個(gè)測試系統精度的提高受到限制;

② 傳統測試系統由多臺測量?jì)x器組成，信號的傳輸速度受到限制，給被測信號的實(shí)時(shí)分析帶來(lái)困難，在很多情況下，如果時(shí)間延誤，測得的信號與實(shí)時(shí)信號存在很大差異，自動(dòng)控制難以實(shí)現;

③ 由多臺儀器組成的測試系統相對分散，體積大，不易攜帶，使現場(chǎng)實(shí)測受到限制。對此，傳統測試系統的改造勢在必行。

綜觀(guān)近年來(lái)測試技術(shù)的發(fā)展狀況，現代測試技術(shù)除需要不斷提高靈敏度、精度和可靠性以外，主要向著(zhù)小型化、非接觸化、多功能化(多參數測量)、智能化及網(wǎng)絡(luò )化的方向發(fā)展。近年來(lái)計算機技術(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機和工作站為基礎的網(wǎng)絡(luò )化測試技術(shù)的發(fā)展提供了技術(shù)保障。網(wǎng)絡(luò )化技術(shù)應用于測試系統已成為現代測試技術(shù)發(fā)展的一大趨勢。

2 網(wǎng)絡(luò )化測試技術(shù)的特點(diǎn)

網(wǎng)絡(luò )的最大特點(diǎn)就是可以實(shí)現資源共享，使現有資源得到充分利用，從而實(shí)現多系統、多專(zhuān)家的協(xié)同測試與診斷，它解決了已有總線(xiàn)在儀器臺數上的限制，使一臺機器為更多的用戶(hù)使用，實(shí)現測量信息的共享，實(shí)現整個(gè)測試過(guò)程的高度自動(dòng)化、智能化，同時(shí)減少了硬件的設置，有效降低了測試系統的成本。另外，網(wǎng)絡(luò )可以不受地域的限制，這就決定了網(wǎng)絡(luò )化測試系統可以實(shí)現遠程測控，使測試人員不受時(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 )化測試系統還可以實(shí)現測試設備的遠距離測試與診斷，提高測試效率。正是網(wǎng)絡(luò )化測試系統的這些優(yōu)點(diǎn)，使得網(wǎng)絡(luò )化測試技術(shù)倍受關(guān)注。

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

實(shí)際測試工作極其復雜，整個(gè)測試過(guò)程涉及試驗設計、模型理論、傳感器設計、信號加工處理、誤差處理、控制工程、系統辯識和參數評估等。網(wǎng)絡(luò )化測試不僅需要這些技術(shù)，還需要完備的計算機技術(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 )化測試技術(shù)的產(chǎn)生與應用提供了強大的物質(zhì)支持，而智能檢測儀器儀表的產(chǎn)生加速了測試系統網(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)際測控領(lǐng)域得到了應用。

為適應需要，目前市場(chǎng)上出現的網(wǎng)絡(luò )化儀器都具有標準的上網(wǎng)規范，如VXI總線(xiàn)頒布的TCP/IP儀器協(xié)議和接口變換規范，該規范為開(kāi)發(fā)通用接口實(shí)現網(wǎng)絡(luò )化自動(dòng)測試系統提供了一種方法和標準，標準中規定了此協(xié)議到特定接口的變換，規范的制定使得通過(guò)網(wǎng)絡(luò )直接控制儀器成為可能。傳感器作為測試系統的一部分，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上，把TCP/IP協(xié)議嵌入現場(chǎng)智能傳感器的ROM中，利用局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)，使處于測控點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò )傳感器將測控參數信號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)現場(chǎng)總線(xiàn)的規范也已被制定為國際標準ISO 11898，它已廣泛應用于離散控制系統中。目前市場(chǎng)上還出現了網(wǎng)絡(luò )化示波器以及具有良好用戶(hù)界面、可實(shí)現實(shí)時(shí)遠程測控的網(wǎng)絡(luò )化邏輯分析儀。

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

4 網(wǎng)絡(luò )化測試技術(shù)中的現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)

現場(chǎng)總線(xiàn)既是新型的自動(dòng)化系統，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)內部網(wǎng)(Intranet)相連，且位于生產(chǎn)控制和網(wǎng)絡(luò )結構的低層，因此被稱(chēng)為低層網(wǎng)。它作為網(wǎng)絡(luò )系統最顯著(zhù)的特征是具有開(kāi)放統一的通訊協(xié)議，肩負著(zhù)生產(chǎn)運行一線(xiàn)測量控制的統一任務(wù)。

現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)具有以下技術(shù)特點(diǎn)：

① 系統的開(kāi)放性：開(kāi)放系統是指通訊協(xié)議公開(kāi)，各不同廠(chǎng)家的設備之間可進(jìn)行互連并實(shí)現信息交換，現場(chǎng)總線(xiàn)開(kāi)發(fā)者就是要致力于建立統一的工廠(chǎng)底層網(wǎng)絡(luò )的開(kāi)放系統。這里的開(kāi)放是指對相關(guān)標準的一致、公開(kāi)性，強調對標準的公識與遵從。一個(gè)開(kāi)放系統，它可以與任何遵守相同標準的其它設備或系統相連。一個(gè)具有總線(xiàn)功能的現場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )系統必須是開(kāi)放的，開(kāi)放系統把系統集成的權利交給了用戶(hù)，用戶(hù)可按自己的需求和對象把來(lái)自不同供應商的產(chǎn)品組成大小隨意的系統。

②互可操作性與互用性：這里的可互操作性，是指實(shí)現互連設備間、系統間的信息傳遞與溝通，可實(shí)行點(diǎn)對點(diǎn)、一點(diǎn)對多點(diǎn)的數字通訊;而互用性則意味著(zhù)不同生產(chǎn)廠(chǎng)家的性能類(lèi)似的設備可進(jìn)行互換，實(shí)現互用。

③現場(chǎng)設備的智能化與功能自治性：它將傳感測量、補償計算、工程量處理與控制等功能分散到現場(chǎng)設備中完成，僅靠現場(chǎng)設備即可完成自動(dòng)控制的基本功能，并可隨時(shí)診斷設備的運行狀態(tài)。

④系統結構的高度分散性：由于現場(chǎng)設備本身已可完成自動(dòng)控制的基本功能，使得現場(chǎng)總線(xiàn)已構成一種新的全分布式控制系統的體系結構，從根本上改變了現有DCS集中與分散相結合的集散控制系統體系，簡(jiǎn)化了系統結構，提高了可靠性。

⑤對現場(chǎng)環(huán)境的適應性：工作在現場(chǎng)設備前端，作為工廠(chǎng)網(wǎng)絡(luò )底層的現場(chǎng)總線(xiàn)，是專(zhuān)為在現場(chǎng)環(huán)境工作而設計的，它可支持雙膠線(xiàn)、同軸電纜、光纜、射頻、紅外線(xiàn)、電力線(xiàn)等，具有較強的抗干擾能力，能采用兩線(xiàn)制實(shí)現送電與通信，并可滿(mǎn)足本質(zhì)安全防爆要求等。

正因為如此，特別是現場(chǎng)總線(xiàn)系統結構的簡(jiǎn)化，使得整個(gè)網(wǎng)絡(luò )化測試系統從設計、安裝、投運到正常生產(chǎn)運行及其檢修維護都體現出極大的優(yōu)越性，其優(yōu)越性主要體現以下幾個(gè)方面：

① 節省硬件數量與投資：由于現場(chǎng)總線(xiàn)系統中分散在設備前端的智能設備能直接執行多種傳感、控制、報警和計算功能，因而可減少變送器的數量，不再需要單獨的控制器、計算單元等，也不再需要DCS系統的信號處理、轉換、防腐技術(shù)等功能單元及其復雜接線(xiàn)，還可以用工控PC機作為操作站，從而節省了一大筆硬件投資，由于控制設備的減少，還可減少控制室的占地面積。

② 節省安裝費用：現場(chǎng)總線(xiàn)系統的接線(xiàn)十分簡(jiǎn)單，由于一對雙膠線(xiàn)或一條電纜上通?？蓲旖佣鄠€(gè)設備，因而電纜、端子、槽盒、橋架的用量大大減少，連接設計與接頭校對的工作量也大為減少。當需要增加現場(chǎng)控制設備時(shí)，無(wú)須增加新的電纜，可就近連接在原有的的電纜上，既節省了投資，也減少了設計、安裝的工作量。據有關(guān)典型試驗工程的預算資料，可節省安裝費用60%以上。

③ 節省維護開(kāi)銷(xiāo)：由于現場(chǎng)控制設備具有自診斷與簡(jiǎn)單故障處理的能力，并通過(guò)數字通訊將相關(guān)的診斷維護信息送往控制室，用戶(hù)可以查詢(xún)所有設備的運行、診斷維護信息，以便早期分析故障原因并快速排除?？s短了維護停工時(shí)間，同時(shí)由于系統結構簡(jiǎn)化，連線(xiàn)簡(jiǎn)單而減少了維護工作量。

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

⑤ 提高了系統的準確性與可靠性：由于現場(chǎng)總線(xiàn)設備的智能化、數字化，與模擬信號相比，它從根本上提高了測量與控制的準確度，減少了傳送誤差，同時(shí)由于系統的結構簡(jiǎn)化，設備與連線(xiàn)減少，現場(chǎng)儀表內部功能加強，減少了信號的往返傳輸，提高了系統的工作可靠性。此外，由于它的設備標準化和功能模塊化，因而還具有設計簡(jiǎn)單、易于重構等優(yōu)點(diǎn)。

現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)適應了網(wǎng)絡(luò )化測試系統的要求，并在其中得到了廣泛的應用。

5 網(wǎng)絡(luò )化測試系統的總體設計方案

實(shí)際測試過(guò)程要求我們從測試方案考慮，最大限度地激發(fā)所需信息，并以較明顯的信息形式表現出來(lái)，用最敏捷、最合理的方法取得最有用的、表現性強的有關(guān)信息，以有效的實(shí)驗方法進(jìn)行設計與實(shí)施。一般測試系統的組成如圖1所示。

圖1 一般測試系統的結構框圖

網(wǎng)絡(luò )化測試系統面對的是空間位置分散、測試任務(wù)復雜且信息交換量大的測試系統，整個(gè)測試系統應同時(shí)具有綜合信息采集、信息處理、存儲、傳輸和控制以及數據的分析功能。要組建一個(gè)功能強大、完整的網(wǎng)絡(luò )化測試系統必須考慮并重點(diǎn)解決以下幾方面的問(wèn)題：

① 為使現有資源充分利用，檢測系統的測量裝置可重定義;

② 數據采集是網(wǎng)絡(luò )化測試過(guò)程中的重要環(huán)節，因此常用的數據采集硬件必須兼容;

③ 數據的分析、信號的處理是測試過(guò)程的最后一個(gè)環(huán)節，也是整個(gè)測試過(guò)程中較關(guān)鍵的一步，因此測試分析系統的信號處理過(guò)程必須可重定義;

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

一個(gè)功能齊全的網(wǎng)絡(luò )化測試系統的開(kāi)放性和互操作性也很重要，系統還應遵循可擴充性、安全性及服務(wù)器分布性原則。據此，網(wǎng)絡(luò )化測試系統的基本框圖如圖2所示。

圖2 網(wǎng)絡(luò )化測試系統結構框圖

系統可分為兩個(gè)基本的功能結構單元，即設備的測試部分和數據信號的分析處理部分。測試部分主要完成現場(chǎng)設備的必要信息的檢測，將被測系統的非電量信息轉換成所需的電量信息，然后通過(guò)網(wǎng)絡(luò )送入數據處理中心，對信號進(jìn)行分析處理。整個(gè)測試系統以PC技術(shù)為基礎，具有成本低、控制靈活、通用性強的特點(diǎn)，因此以高性能的PC技術(shù)為基礎開(kāi)發(fā)的網(wǎng)絡(luò )化測試系統已得到廣泛應用。另外，對于整個(gè)測試系統的軟硬件平臺的選擇，在考慮其通用性的同時(shí)，又要兼顧成本，應選擇目前技術(shù)比較成熟的軟硬件開(kāi)發(fā)平臺。

由于網(wǎng)絡(luò )自身具有靈活性，因此在實(shí)際工作中，可以根據不同的需要組建網(wǎng)絡(luò )化測試系統：在被測系統不很復雜但相對分散的情況下，可采用單用戶(hù)測試系統;在被測系統較復雜，需要多方協(xié)調測試的情況下，可采用局域網(wǎng)下的多用戶(hù)測試系統;在被測系統復雜且相當分散的情況下，可采用廣域網(wǎng)下的遠程網(wǎng)絡(luò )化測試系統。

6 網(wǎng)絡(luò )化測試技術(shù)存在的難點(diǎn)問(wèn)題

網(wǎng)絡(luò )化測試技術(shù)雖然得到相當程度的發(fā)展，但是還不十分成熟，仍然存在著(zhù)很多需要解決的難點(diǎn)問(wèn)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 )化測試過(guò)程的實(shí)時(shí)性問(wèn)題與時(shí)間的確定性問(wèn)題

對某些測量過(guò)程，往往要根據測量結果對被測對象、測量條件、測量狀態(tài)進(jìn)行控制，這就需要對被測信號邊測量邊處理，根據處理結果對后序測量過(guò)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)現數據的同步傳輸，使測試受到延誤，從而造成不必要的損失。因此，網(wǎng)絡(luò )化測試過(guò)程的實(shí)時(shí)性問(wèn)題與時(shí)間的確定性問(wèn)題的解決至關(guān)重要。

② 網(wǎng)絡(luò )化測試系統的成本與通用性協(xié)調問(wèn)題

在網(wǎng)絡(luò )化測試系統的建造過(guò)程中，既要考慮成本，又要考慮系統的通用性，成本盡可能低而通用性盡可能強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，如果為了節約成本而犧牲測試系統的通用性，則減小了系統的使用范圍，就使得建造的測試系統發(fā)揮不了應有的作用;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 )化測試系統的過(guò)程中，成本與通用性的協(xié)調問(wèn)題應予以高度重視。

③ 網(wǎng)絡(luò )化測試系統的安全性與穩定性問(wèn)題

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

④ 網(wǎng)絡(luò )化測試系統中的總線(xiàn)技術(shù)和標準問(wèn)題

網(wǎng)絡(luò )測試要求現場(chǎng)總線(xiàn)具有實(shí)時(shí)性，并實(shí)現可互操作性與信息處理的現場(chǎng)化，這就要求在實(shí)際測試中要慎重選擇現場(chǎng)總線(xiàn)。目前由于現場(chǎng)總線(xiàn)沒(méi)有一個(gè)統一的標準，而現存現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統又各具優(yōu)點(diǎn)，它們都在各自的領(lǐng)域形成了獨特的優(yōu)勢，因此，必須根據實(shí)際需要，選擇具有開(kāi)放性、可擴展性、兼容性強的現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統。

7 結束語(yǔ)

隨著(zhù)測試設備智能化程度的不斷提高，現代測試水平進(jìn)入了一個(gè)嶄新的階段。網(wǎng)絡(luò )化測試技術(shù)作為一種新的測試手段還將隨著(zhù)計算機技術(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 )化測試中所使用的設備又比較昂貴，因此測試設備的軟件化，且軟件能升級以適應技術(shù)上的平滑過(guò)渡，來(lái)適應更新的網(wǎng)絡(luò )化測試系統的要求已成為一種趨勢。