第五章現(xiàn)代檢測技術(shù)

1、化學(xué)工業(yè)出版社第一節(jié)第一節(jié) 軟測量技術(shù)軟測量技術(shù)第二節(jié)第二節(jié) 虛擬儀器技術(shù)虛擬儀器技術(shù)什么是軟測量？l基于多個可測變量的實時測量值基于多個可測變量的實時測量值,應(yīng)用數(shù)學(xué)模應(yīng)用數(shù)學(xué)模型去估計某種沒有直接測量的變量的值。型去估計某種沒有直接測量的變量的值。l又稱多傳感器的信息融合。又稱多傳感器的信息融合。l軟測量用于解決生產(chǎn)過程無法直接測量或直軟測量用于解決生產(chǎn)過程無法直接測量或直接測量困難的關(guān)鍵變量的估計問題。接測量困難的關(guān)鍵變量的估計問題。問題的提出l生產(chǎn)過程中許多關(guān)鍵的變量如煉油過程油品的質(zhì)量生產(chǎn)過程中許多關(guān)鍵的變量如煉油過程油品的質(zhì)量、反應(yīng)過程的轉(zhuǎn)化率、聚合過程產(chǎn)品質(zhì)量、分離過、反應(yīng)過程的

2、轉(zhuǎn)化率、聚合過程產(chǎn)品質(zhì)量、分離過程精餾塔產(chǎn)品的組份、裂解過程產(chǎn)物收率和裂解深程精餾塔產(chǎn)品的組份、裂解過程產(chǎn)物收率和裂解深度等，有些是無法直接測量，有些是在線分析儀表度等，有些是無法直接測量，有些是在線分析儀表價格昂貴，不易維護(hù)，而且存在較大滯后。這些變價格昂貴，不易維護(hù)，而且存在較大滯后。這些變量往往是評價生產(chǎn)的關(guān)鍵指標(biāo)，所以提出實時軟測量往往是評價生產(chǎn)的關(guān)鍵指標(biāo)，所以提出實時軟測量的迫切需求。量的迫切需求。lDCS的廣泛應(yīng)用，每時每刻都產(chǎn)生大量的生產(chǎn)過程的廣泛應(yīng)用，每時每刻都產(chǎn)生大量的生產(chǎn)過程狀態(tài)的實時數(shù)據(jù)，為軟測量的實現(xiàn)提供了可能。狀態(tài)的實時數(shù)據(jù)，為軟測量的實現(xiàn)提供了可能。 以上就是軟測量

3、技術(shù)產(chǎn)生的背景。以上就是軟測量技術(shù)產(chǎn)生的背景。軟測量技術(shù)軟測量軟測量就是依據(jù)可測、易測的過程變量就是依據(jù)可測、易測的過程變量(稱為輔助變量稱為輔助變量)與難以直接檢測的待測變量與難以直接檢測的待測變量(稱為主導(dǎo)變量稱為主導(dǎo)變量)的數(shù)學(xué)關(guān)的數(shù)學(xué)關(guān)系，根據(jù)某種最優(yōu)準(zhǔn)則，采用各種計算方法，用軟件系，根據(jù)某種最優(yōu)準(zhǔn)則，采用各種計算方法，用軟件實現(xiàn)對待測變量的測量或估計。實現(xiàn)對待測變量的測量或估計。軟測量技術(shù)主要包括四個方面：軟測量技術(shù)主要包括四個方面： (1)輔助變量的選??；輔助變量的選??； (2)數(shù)據(jù)處理；數(shù)據(jù)處理； (3)軟測量模型的建立；軟測量模型的建立； (4)軟測量模型的在線校正。軟測量模型

4、的在線校正。上一頁下一頁返 回1. 1. 變量類型的選擇變量類型的選擇2. 2. 變量數(shù)目的選擇變量數(shù)目的選擇3. 3. 測點位置的選擇測點位置的選擇上一頁下一頁返 回l選擇的方法往往從間接質(zhì)量指標(biāo)出發(fā)。選擇的方法往往從間接質(zhì)量指標(biāo)出發(fā)。l例如：例如： 精餾塔產(chǎn)品的軟測量一般采用塔板溫度，精餾塔產(chǎn)品的軟測量一般采用塔板溫度， 化工反應(yīng)器中產(chǎn)品的軟測量采用反應(yīng)器管壁化工反應(yīng)器中產(chǎn)品的軟測量采用反應(yīng)器管壁溫度。溫度。 上一頁下一頁返 回l從過程機(jī)理入手分析，從影響被估計變從過程機(jī)理入手分析，從影響被估計變量的變量中去挑選主要因素，因為全部量的變量中去挑選主要因素，因為全部引入既不可能也沒必要。引入

5、既不可能也沒必要。l如果缺乏機(jī)理知識，則可用回歸分析的如果缺乏機(jī)理知識，則可用回歸分析的方法找出影響被估計變量的主要因素，方法找出影響被估計變量的主要因素，這需要大量的觀測數(shù)據(jù)。這需要大量的觀測數(shù)據(jù)。l需要指出，受系統(tǒng)自由度的限制，輔助需要指出，受系統(tǒng)自由度的限制，輔助變量的個數(shù)不能小于被估計變量的個數(shù)。變量的個數(shù)不能小于被估計變量的個數(shù)。上一頁下一頁返 回l對于許多工業(yè)過程，輔助變量的檢測點的選擇對于許多工業(yè)過程，輔助變量的檢測點的選擇是十分重要的，因為可供選擇的檢測點很多。是十分重要的，因為可供選擇的檢測點很多。l檢測點的選擇方法：檢測點的選擇方法： 采用奇異值分解的確定，采用奇異值分解的

6、確定， 采用工業(yè)控制仿真軟件確定。采用工業(yè)控制仿真軟件確定。l確定的檢測點往往需要在實際應(yīng)用中加以調(diào)整。確定的檢測點往往需要在實際應(yīng)用中加以調(diào)整。上一頁下一頁返 回 靈敏性：靈敏性：能對過程輸出能對過程輸出(或不可測擾動或不可測擾動)作出快作出快速反應(yīng)。速反應(yīng)。 特異性：特異性：能對過程輸出能對過程輸出(或不可測擾動或不可測擾動)之外的之外的干擾不敏感。干擾不敏感。 工程適應(yīng)性：工程適應(yīng)性：工程上易于獲得并達(dá)到一定的測工程上易于獲得并達(dá)到一定的測量精度。量精度。 精確性：精確性：構(gòu)成的估計器達(dá)到要求的精度。構(gòu)成的估計器達(dá)到要求的精度。 魯棒性：魯棒性：構(gòu)成的估計器對模型誤差不敏感。構(gòu)成的估計器

7、對模型誤差不敏感。 上一頁下一頁返 回建模方法主要有兩大類：建模方法主要有兩大類：機(jī)理建模方法機(jī)理建模方法 非機(jī)理建模（即基于過程數(shù)據(jù)建模）：包括回非機(jī)理建模（即基于過程數(shù)據(jù)建模）：包括回歸分析、狀態(tài)估計、模式識別、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)歸分析、狀態(tài)估計、模式識別、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 等等等等上一頁下一頁返 回軟測量技術(shù)的核心是建立待測變量和可直接獲取軟測量技術(shù)的核心是建立待測變量和可直接獲取變量之間的數(shù)學(xué)模型，這個模型的好壞直接關(guān)系變量之間的數(shù)學(xué)模型，這個模型的好壞直接關(guān)系到軟測量的計算結(jié)果。到軟測量的計算結(jié)果。 建立在對過程工藝機(jī)理的深刻認(rèn)識的基礎(chǔ)上，建立在對過程工藝機(jī)理的深刻認(rèn)識的基礎(chǔ)上，運用物料平衡、

8、熱量平衡和化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)等運用物料平衡、熱量平衡和化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)等原理，找出不可測主導(dǎo)變量與可測輔助變量之原理，找出不可測主導(dǎo)變量與可測輔助變量之間的關(guān)系。間的關(guān)系。 對于過程機(jī)理較為清楚的工業(yè)過程，基于機(jī)理模型對于過程機(jī)理較為清楚的工業(yè)過程，基于機(jī)理模型可以構(gòu)造良好的軟儀表?？梢詷?gòu)造良好的軟儀表。 對復(fù)雜工業(yè)過程，其內(nèi)在機(jī)理往往不十分清楚，完對復(fù)雜工業(yè)過程，其內(nèi)在機(jī)理往往不十分清楚，完全依賴機(jī)理分析建模比較困難，通常要選用其它方全依賴機(jī)理分析建模比較困難，通常要選用其它方法，結(jié)合機(jī)理知識構(gòu)造軟儀表。法，結(jié)合機(jī)理知識構(gòu)造軟儀表。上一頁下一頁返 回 辨識方法辨識方法是將輔助變量和主導(dǎo)變量組成的系

9、統(tǒng)是將輔助變量和主導(dǎo)變量組成的系統(tǒng)看成看成“黑箱黑箱”，以輔助變量為輸入，主導(dǎo)變量，以輔助變量為輸入，主導(dǎo)變量為輸出，通過現(xiàn)場采集、流程模擬或?qū)嶒灉y試，為輸出，通過現(xiàn)場采集、流程模擬或?qū)嶒灉y試，獲得過程輸入、輸出數(shù)據(jù)，以此為依據(jù)建立軟獲得過程輸入、輸出數(shù)據(jù)，以此為依據(jù)建立軟儀表模型。儀表模型。上一頁下一頁返 回由于裝置操作條件及原料性質(zhì)都會隨時間而變化，軟測量模由于裝置操作條件及原料性質(zhì)都會隨時間而變化，軟測量模型只適用于一定的操作范圍，因而需要不定期地對模型型只適用于一定的操作范圍，因而需要不定期地對模型進(jìn)行修正，以適應(yīng)工況的變化。進(jìn)行修正，以適應(yīng)工況的變化。通常對軟儀表的在線修正僅修正模型

10、的參數(shù)通常對軟儀表的在線修正僅修正模型的參數(shù) 具體方法具體方法：自適應(yīng)法、增量法等。：自適應(yīng)法、增量法等。 對模型結(jié)構(gòu)的修正需要大量的樣本數(shù)據(jù)和耗費較長時間，對模型結(jié)構(gòu)的修正需要大量的樣本數(shù)據(jù)和耗費較長時間，在線進(jìn)行有困難。這可采用短期學(xué)習(xí)和長期學(xué)習(xí)的思路在線進(jìn)行有困難。這可采用短期學(xué)習(xí)和長期學(xué)習(xí)的思路來解決。來解決。 短期學(xué)習(xí)短期學(xué)習(xí)是指以某輔助變量的采樣化驗分析值與軟測量值之差為是指以某輔助變量的采樣化驗分析值與軟測量值之差為依據(jù)，采用建模方法，修改模型系數(shù)。依據(jù)，采用建模方法，修改模型系數(shù)。 長期學(xué)習(xí)長期學(xué)習(xí)是指當(dāng)軟測量模型在線運行一段時間后，逐步積累了足是指當(dāng)軟測量模型在線運行一段時間

11、后，逐步積累了足夠的新樣本時，根據(jù)新樣本，采用建模方法，重建軟測量模型。夠的新樣本時，根據(jù)新樣本，采用建模方法，重建軟測量模型。上一頁下一頁返 回第二節(jié)第二節(jié) 虛擬儀器技術(shù)虛擬儀器技術(shù)l虛擬儀器的概念、產(chǎn)生和現(xiàn)狀 l虛擬儀器的軟硬件體系結(jié)構(gòu)l虛擬儀器的開發(fā)系統(tǒng)l虛擬儀器的產(chǎn)品及其應(yīng)用1.3 1.3 虛擬儀器的現(xiàn)狀虛擬儀器的現(xiàn)狀1.4 1.4 虛擬儀器的特點虛擬儀器的特點傳統(tǒng)儀器虛擬儀器與其他儀器設(shè)備的連結(jié)十分有限可方便地與網(wǎng)絡(luò)外設(shè)等連接功能由儀器廠商定義功能由用戶自己定義圖形界面小，人工讀數(shù)，信息量小圖形界面，計算機(jī)讀數(shù)，分析處理數(shù)據(jù)無法編輯數(shù)據(jù)可編輯，存儲，打印硬件是關(guān)鍵部分軟件是關(guān)鍵部分價

12、格昂貴價格低廉系統(tǒng)封閉，功能固定，擴(kuò)展性低與計算機(jī)技術(shù)同步發(fā)展，開放性好開發(fā)和維護(hù)費用高基于軟件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，大大節(jié)省開發(fā)維護(hù)費用技術(shù)更新慢技術(shù)更新快多為實驗室所擁有個人可擁有一個實驗室GPIBSerialDAQ測試對象測試對象VXIImage AcquisitionMotionControlPXI虛擬儀器軟件虛擬儀器軟件硬件硬件& 驅(qū)動軟件驅(qū)動軟件NetworkNetwork加窗濾波加窗濾波插值擬合插值擬合時域分析時域分析頻域分析頻域分析時頻分析時頻分析圖形顯示圖形顯示報表報表網(wǎng)絡(luò)傳輸網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)發(fā)布數(shù)據(jù)發(fā)布信號信號Plug-In DAQ BoardsIEEE 488 (GPIB)RS

13、-232PXIVXI分析分析數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)采集控制控制呈現(xiàn)呈現(xiàn)lGPIB（IEEE488，General Purpose Interface Bus） lPXI (PCI eXtension for Instrumentation )lVXI (VMEbus eXtension for Instrumentation )lPC-DAQ ISA PCI USB IEEE-1394RS系列(RS232、RS485)lLXI GPIBVXI PCDAQPXI/CompactPCI 傳輸位寬 (位) 8 8, 16, 32 8, 16 (ISA) ；8, 16, 32, 64 (PCI) 8, 16,

14、32, 64 吞吐率 (Mb/s) 1 or 8 (HS488) 40 80 (VME64) 1-2 (ISA) 132-264 (PCI)132-264 定時和同步無有定義有有定義可用產(chǎn)品 10,000 1000 10,000 1000 尺寸大 中 小-中小-中標(biāo)準(zhǔn)軟件框架 無 VXI plug&play 有定義無 有定義模塊化 否是否 是 EMI 防護(hù)可選有定義視具體板卡而定 視具體模塊而定 系統(tǒng)成本高 中-高低 低-中DAQ CardIMAQ CardField PointMotion Control CardPXIDaq112Daq112數(shù)據(jù)采集卡數(shù)據(jù)采集卡aq40Maq40M

15、數(shù)字存儲示波卡數(shù)字存儲示波卡Daq112PCIDaq112PCI數(shù)據(jù)采集卡數(shù)據(jù)采集卡USB302USB302數(shù)據(jù)采集器數(shù)據(jù)采集器Daq216PCIDaq216PCI數(shù)據(jù)采集卡數(shù)據(jù)采集卡QLV-UQLV-U便攜式數(shù)據(jù)采集器便攜式數(shù)據(jù)采集器lVISA (Virtual Instrumentation software Architecture )lIVI (Interchangeable Virtual Instrument )2.4.1 VISA2.4.1 VISA體系結(jié)構(gòu)體系結(jié)構(gòu)自動測試系統(tǒng)應(yīng)用程序自動測試系統(tǒng)應(yīng)用程序儀器儀器驅(qū)動程序驅(qū)動程序VISA庫庫儀器儀器驅(qū)動程序驅(qū)動程序VXI儀器儀器G

16、PIB儀器儀器PXI儀器儀器2.4.2 IVI2.4.2 IVI體系結(jié)構(gòu)體系結(jié)構(gòu) 3.2 3.2 LabViewLabView開發(fā)系統(tǒng)開發(fā)系統(tǒng)l信號源 QLVG-2虛擬式信號發(fā)生器 QLVSP-2型虛擬式掃頻儀l記憶示波器 QLVSC-3單通道記憶示波器 QLVSC-4雙通道記憶示波器 QLVC-OSC1型記憶示波器 QLV-V型記憶示波器l顯示與記錄儀 QLV-V型無紙記錄儀 QLVC-SC1型波形顯示數(shù)據(jù)記錄儀l動態(tài)信號分析儀 QLV-V頻譜分析儀 QLVDSA-1動態(tài)信號分析儀 QLVC-SA1型FFT頻譜分析儀 QLVC-2SA1型傳遞相干分析儀l時頻分析儀 QLVC-WT1型小波變換

17、分析儀 QLVSC小波信號分析儀 QLVC-TF1型時頻分析儀l聲學(xué)分析儀 QLVC-NA1型噪聲分析儀 QLVC-SI1型聲強(qiáng)分析儀 QLVC-AF1型音頻分析儀l機(jī)械參數(shù)測試分析儀 QLVC-MT1型多通道溫度測試儀 QLVC-NJ1型扭矩轉(zhuǎn)速測試儀 QLV應(yīng)力應(yīng)變測試儀 l監(jiān)測診斷儀 QLVC-XZ1型旋轉(zhuǎn)機(jī)械階比分析儀 QLVC-A01型軸心軌跡分析儀 QLVPM預(yù)測維修分析儀 模態(tài)分析儀 l便攜式儀器 手持式小波變換分析儀 手持式數(shù)據(jù)記錄儀 手持式FFT分析儀 手持式實時溫度監(jiān)測儀l虛擬式醫(yī)電儀 QLVECG-1虛擬式心電圖儀 QLVEEG-1腦電圖記錄分析儀 l虛擬儀器實驗室l網(wǎng)絡(luò)化狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷PC,portablePC,portable computer,Pocketcomputer,Pocket pc, pc,智能設(shè)備智能設(shè)備SQL Server數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)庫 數(shù)據(jù)獲取組件數(shù)據(jù)獲取組件界面組件界面組件遠(yuǎn)程調(diào)用遠(yuǎn)程調(diào)用分析組件分析組件管理組件管理組件Windows Form Web FormWindows ServiceDAQ儀器平臺