方遠(yuǎn)程

[摘 要]本文闡述了儀表在線分析、單片機(jī)嵌入式技術(shù)、信息處理及計算機(jī)的發(fā)展使軟測量技術(shù)成為智能化儀器儀表的核心技術(shù)，提出用軟測量技術(shù)結(jié)合發(fā)展新型傳感器技術(shù)以及有針對性的采用物性儀表配合波譜、光譜、質(zhì)譜、色譜等分析儀器在線檢測分析儀表行業(yè)的方略。提供了一個軟測量技術(shù)儀表化的研發(fā)方法。特別指出成分在線檢測分析的弱項適合應(yīng)用軟測量技術(shù)的成分濃度儀來加強(qiáng)，

[關(guān)鍵詞]在線；儀表；分析

中圖分類號：TH83 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）06-0387-01

我國上一世紀(jì)八十年代就有這樣的說法：現(xiàn)代化工生產(chǎn)過程自動化的核心目標(biāo)是成分質(zhì)量的控制。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們對大千世界物質(zhì)組成的認(rèn)識越來越深入，以往所用材料的內(nèi)在質(zhì)量及性能要求也越來越高，而對物質(zhì)的正確認(rèn)知使得對科學(xué)檢測和分析手段的需求和依賴性很強(qiáng)，且不講用于生產(chǎn)、建設(shè)的新材料、新物質(zhì)不斷出現(xiàn)，對于舊的物質(zhì)、在生產(chǎn)過程中在線檢測分析手段尤為重要，不言而喻，在線成分檢測分析儀表是實現(xiàn)這一目標(biāo)的關(guān)鍵設(shè)備，恰恰在這方面我們國家的儀表業(yè)界是薄弱的，特別是在自動化程度較高的現(xiàn)代化工—流程工業(yè)，多數(shù)環(huán)保用的工業(yè)檢 測分析儀器儀表是國外高價產(chǎn)品。

計算機(jī)技術(shù)信息處理技術(shù)的高速發(fā)展也必將帶來儀器儀表行業(yè)的技術(shù)深入掘進(jìn)，甚至基于科學(xué)計算的預(yù)測、預(yù)估等等現(xiàn)代人所具有的智力思維功能，信息存儲技術(shù)從機(jī)械式到磁介質(zhì)到光/電式EPROM、E2ROM到今日高速閃存Flash，因為它的功能愈進(jìn)強(qiáng)大，體積、功耗卻愈進(jìn)微小，國家級圖書館的藏書資料全放進(jìn)去綽綽有余；可以記錄上一個月、乃至一年的實時采集數(shù)據(jù)。既然軟測量技術(shù)的內(nèi)核是充分體現(xiàn)計算機(jī)最擅長的科學(xué)計算和信息處理，很難想象現(xiàn)今開發(fā)的儀器儀表內(nèi)沒有單片計算機(jī)技術(shù)介入。一片指甲大小的閃存體可達(dá)幾百M字節(jié)，而且價格越來越低，單片機(jī)的嵌入式應(yīng)用無處不在，一片大小只有5×5mm帶豐富接口及存儲資源的的單片機(jī)MPU，一個香煙盒大小而且薄得多的硬盤存儲量可以到近百G字節(jié)，沒有理由不把軟測量技術(shù)作為智能儀器儀表的核心技術(shù)，發(fā)展了很多代，其趨勢是越來越體積小，存儲量大，讀取速度快，這些軟測量的應(yīng)用都是基于整個生產(chǎn)過程的綜合各種參數(shù)、構(gòu)造復(fù)雜的運算模型，國外的產(chǎn)品價格很昂貴，國內(nèi)有些軟測量技術(shù)的文獻(xiàn)，也多是在計算機(jī)控制系統(tǒng)中。把本來在大型系統(tǒng)內(nèi)應(yīng)用的技術(shù)移植到智能儀器儀表中來，這里又有一個既是常識，我們應(yīng)該說是高速運算和信息處理，目前比較流行的虛擬儀器實際上就是計算機(jī)技術(shù)在電測儀器方面引起的革新發(fā)展，才可稱其為智能儀器儀表。而軟測量技術(shù)正是這種儀器儀表的智能內(nèi)核。所謂軟測量技術(shù)是把常規(guī)檢測手段與計算機(jī)信息處理，以軟測量實現(xiàn)回歸變量選擇、樣本預(yù)處理、一致性回歸的研究分析，所謂萬億次計算機(jī)實際是指每秒鐘進(jìn)行的簡單運算，而且單片機(jī)嵌入式的功能已能充分的運算快、體積小，軟測量技術(shù)并沒有在儀器儀表的研發(fā)上應(yīng)用，還指其處理信息量的速度，所有這一切的發(fā)展給儀器儀表的應(yīng)用發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，計算機(jī)的采集、存儲、數(shù)據(jù)處理，那么在過程控制領(lǐng)域，軟測量技術(shù)也就應(yīng)運而生，分析過程機(jī)理、確定主導(dǎo)變量和輔助變量，控制機(jī)理學(xué)習(xí)的間接檢測技術(shù)。

關(guān)于成分在線檢測分析，世界上科學(xué)界關(guān)于物質(zhì)內(nèi)成分構(gòu)成有兩種研究路線，一種是從內(nèi)部打開物質(zhì)的內(nèi)核，甚至再深入到中子、質(zhì)子微粒子的運動、形成物質(zhì)的結(jié)構(gòu)，卻是把很多學(xué)科的理論和方法應(yīng)用到物質(zhì)的成分研究，對這種高深莫測的研究本文不想過多妄談。另一種是從外部研究物質(zhì)的各種特性以及對周圍的相互作用、影響。比如：發(fā)熱、熔點、燃點、呈酸性、呈堿性等等，典型的手段類似電化學(xué)方法；超聲波方法；熱力學(xué)方法；稱重力學(xué)方法等等，這種研究看似片面，局限很大，但對某些特性較強(qiáng)、作用性較明顯，起什么變化等等物理的化學(xué)的特性、作用。這種研究不能講是從純應(yīng)用科學(xué)的角度，無非就是根據(jù)物質(zhì)的表觀特性判斷、研究其本質(zhì)，從復(fù)雜的混合體分離成單純的個體物質(zhì)，且人們在長期接觸實踐中對其性能較為認(rèn)知的物質(zhì)確是很實用的。分析的工作是人的判斷性思維伴以計算，顯然也可以是智能儀器儀表的“思維”計算。這種方式被公認(rèn)為分析儀器的主要代表。我們再談“分析”，所謂分析，當(dāng)然不僅要知其質(zhì)，還要知其量。

世界上任何復(fù)雜的事物都是由各種因素，依據(jù)各種聯(lián)系來構(gòu)成。由生產(chǎn)實踐中產(chǎn)生的理論模型，再到生產(chǎn)實踐中檢驗的科學(xué)思想方法。我們通常不太可能把所有因素、分析出來，而在各種復(fù)雜的因素、主要性質(zhì)的方面。基于工藝機(jī)理、條件、研究變量間的關(guān)系，構(gòu)建數(shù)學(xué)模型—研究規(guī)律性的數(shù)學(xué)表達(dá)，根據(jù)數(shù)學(xué)模型或經(jīng)驗?zāi)Ｐ陀嬎愠鱿喈?dāng)于“分析”出的結(jié)果，當(dāng)然我們并不是說在線檢測不需精度，相反越貼近現(xiàn)場、越貼近工藝條件，越能檢測準(zhǔn)確。還要進(jìn)行在線校正，軟測量技術(shù)的本質(zhì)就是研究生產(chǎn)工藝規(guī)律，物質(zhì)成分變化與各種參數(shù)，是及時改正操作與控制的根據(jù)，在線檢測指生產(chǎn)的中間過程的檢定，軟測量技術(shù)正是必須要實時的結(jié)合生產(chǎn)工藝條件，既要把檢測分析結(jié)果及時回饋控制，又要根據(jù)控制工藝條件預(yù)測檢測分析結(jié)果，在生產(chǎn)過程中完成檢測分析，因此比較適合這后一種物質(zhì)成分分析研究路線。這種控制類的檢測儀表的基本條件必須是適應(yīng)現(xiàn)場工業(yè)環(huán)境條件的，不是生產(chǎn)最終結(jié)果的檢驗，用于控制類儀表，而不是質(zhì)檢儀器儀表。質(zhì)檢儀器儀表在實驗室條件，軟測量還有一個基本出發(fā)點就是間接測量，在工業(yè)現(xiàn)場存在很多參數(shù)難以或根本無法用常規(guī)儀表手段直接檢測，不必長時間工作，可以離線等待式的操作，不牽連生產(chǎn)工藝情況的分析檢測，其精確性是最主要的。軟測量技術(shù)與控制過程是密不可分的。而軟測量技術(shù)可以綜合各種常規(guī)參數(shù)，也需要用模型計算、繪出譜峰曲線來。研究與成分有因果關(guān)系的主要幾種，根據(jù)機(jī)理分析，測算甚至預(yù)估出成分的變化，軟測量建模是研究分析物質(zhì)關(guān)系的必然結(jié)果。

工藝設(shè)備及條件對于成分形成的作用，熟練工人的操作經(jīng)驗和習(xí)慣以及化驗室取樣分析的手段，藝參數(shù)如何影響成分的形成，控制過程的規(guī)律，即正向/反向施以控制操作對成分形成的影響，把這些參數(shù)的傳感器裝好，并把信號接入特制的單片機(jī)嵌入式采集器接上，采集器把采集參數(shù)按時間存儲，把數(shù)據(jù)傳入計算機(jī)或智能儀表，在此基礎(chǔ)最重要的是找出特別能決定成分變化的一個主要參數(shù)，并且知道這個主要參數(shù)是可測、可控的，如果沒有現(xiàn)成的安裝好的傳感器，也要能夠制造出這個參數(shù)的檢測傳感器，這樣還省卻了上述的專用數(shù)據(jù)采集器，縮短了研發(fā)周期，節(jié)省了研發(fā)費用。這種數(shù)學(xué)建模和經(jīng)驗建模就是綜合了工藝機(jī)理，找到了檢測變量與成分的內(nèi)在聯(lián)系即規(guī)律性關(guān)系。同樣也把在采集器采集時間段的分次取樣到化驗室用色譜儀智能儀表，為了求解系數(shù)矩陣得到唯一確定解，還需要根據(jù)具體工藝設(shè)備、條件、以及操作經(jīng)驗，用儀表上人機(jī)對話面板、功能按鍵在線修改系數(shù)以便進(jìn)行在線校正。輸入各種初始條件或邊界條件數(shù)值，同樣可以根據(jù)大面積采集存貯實時的、歷史的數(shù)據(jù)，以及人機(jī)對話輸入的化驗室分析的目標(biāo)值，最好把對應(yīng)與高限和低限工藝參數(shù)的不合格的成分結(jié)果也輸入。也可以根據(jù)長期操作經(jīng)驗找出經(jīng)驗?zāi)Ｐ?。這種智能檢測分析儀應(yīng)該可在現(xiàn)場與化驗室分析結(jié)果進(jìn)行比對，隨著計算機(jī)數(shù)學(xué)及圖形軟件的發(fā)展，就可以在自己選擇的高性能MPU單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)中移植進(jìn)先進(jìn)的數(shù)學(xué)建模仿真工具，我們就可以把智能儀表的功能換代性的提高，自動撮合，在線進(jìn)行仿真建模和自動校正，這種技術(shù)方法和工藝路線，可以擴(kuò)展到很多化工成分濃度在線分析檢測。