造紙儀器的發(fā)展

一 造紙儀器發(fā)展回顧

造紙工業(yè)是與國民經濟息息相關的行業(yè)，其發(fā)展直接反映了一個地區(qū)或經濟發(fā)展的水平。造紙檢測儀器作為質量控制的基礎在其中占有重要位置。在過去的一個世紀里，隨著傳感器技術、機械加工技術、信息技術的發(fā)展，傳統(tǒng)造紙檢測儀器的發(fā)展大致經歷了純機械儀器、模擬儀器、數(shù)字化儀器和智能儀器等幾個階段。
機械儀器：我國代造紙檢測儀器，如早期的紙板撕裂度儀就是由純機械機構組成的；模擬儀器：測量技術主要是模擬測量，此類儀器的基本結構是在機械機構基礎上，采用機電一體化控制，用指針來顯示測量結果；數(shù)字化儀器：大規(guī)模集成電路的發(fā)展，使電測部分由模擬技術逐步演化為數(shù)字技術，如數(shù)顯耐折度儀；智能儀器：隨著微電子技術、微計算機技術的迅速發(fā)展，嵌入式微機的運用，使儀器具有控制、存儲、運算、邏輯判斷以及自動操作等智能特征，并在測量的度、靈敏度、可靠性、自動化程度、運用能力及解決測量技術問題的深度和廣度等方面均取得重大進步。

二 儀器的智能化

隨著生產和科學技術的發(fā)展，檢測、數(shù)據(jù)處理的工作量越來越大，因此對檢測儀器的檢測速度、度、測量功能等方面提出了更高的要求。計算機技術、自動控制技術及器件、設備的發(fā)展，標準接口的普及和應用，推動了智能化檢測儀器的發(fā)展。目前，基于嵌入式計算機的檢測儀器已經應用于造紙工業(yè)產品的質量檢測，其中傳統(tǒng)測量部分完成對化學、物理等參數(shù)的檢測，嵌入式計算機進行測量過程的控制和對參數(shù)的智能處理，兩者相互交叉，相輔相成。智能測試儀器應具備如下特點：
(1) 實現(xiàn)檢測的自動化 包括自動檢測、自動校準、自動故障診斷、自動數(shù)據(jù)運算和處理。
(2) 顯著提高信息的度 測試系統(tǒng)實現(xiàn)了自動校準零點、自動非線性校準、儀器的內外校準。高速多次采樣后的數(shù)字濾波處理，減少了噪聲干擾。
(3) 實現(xiàn)多功能、多參數(shù)測量 智能儀器的發(fā)展使多功能、多參數(shù)同時測量成為可能，達到對測量對象的**分析和評價。
(4) 提高了儀器的可靠性 由于計算機的運用，許多工作由軟件代替了硬件，減少了儀器成本、體積和功耗，同時大大提高了儀器的可靠性。
(5) 簡化操作，提高測量速度 可以預先編程控制整個測量過程，提高測量速度和工作效率?？蛇M行動態(tài)測量，對測量對象進行實時監(jiān)測。
(6) 縮短儀器的設計研制周期 智能儀器不再是各種硬件的組合，而變成了由微處理器和微控制器控制的多功能系統(tǒng)。
儀器的智能化反映了傳統(tǒng)儀器設計技術的革新。輕工業(yè)自動化研究所研制的智能紙張拉力儀就是儀器智能化的一例設計，比較傳統(tǒng)機械式拉力儀，它的優(yōu)點是不言而喻的。智能儀器結構如圖1所示。

 

圖1 智能儀器結構圖
計算技術、通信技術和自動化技術在各自發(fā)展了幾十年之后，正在走向集成并綜合應用于檢測設備，使之能夠處理規(guī)模更大，要求更高、更復雜的系統(tǒng)。測量儀器及檢測技術正日益向數(shù)字化、智能化、模塊化、軟件化和自動測試系統(tǒng)的方向發(fā)展。目前，國內先進的造紙儀器正是這種集成技術反映的結果。造紙儀器往往是采用光、機、電、計算機技術綜合運用設計的。例如，以往測試設備采用異步電機定速或多級變速驅動，現(xiàn)在應用變頻調速、微步進驅動技術實現(xiàn)無級變速驅動；傳統(tǒng)鹵鎢燈作為光源的色度檢測探頭也逐漸被脈沖氙燈所代替。微電子技術、計算技術、自動化技術和多媒體技術的融合，極大的豐富了智能儀器的內涵。

三 虛擬儀器

智能儀器初的設計是基于嵌入式微處理器，往往是一機專用，智能化的造紙儀器也是如此。由于儀器類型的不斷推陳出新，研制過程中要投入大量的人力物力，而其中的信號處理有相當一部分是雷同的，顯示界面的單調不能充分體現(xiàn)儀器的性能。近年提出的測試平臺和插件儀器的新概念，打破了一機一用的傳統(tǒng)觀念，把智能測試儀器帶入一個全新的領域。美國儀器公司（NI公司）提出了虛擬儀器的概念，它是應用計算機技術在儀器領域形成的一種新型的儀器種類(又稱為*四代儀器)，是計算機硬件資源、儀器測控硬件和用于數(shù)據(jù)分析、過程通信及圖形用戶界面的軟件之間的有效結合。其核心是以計算機作為儀器的硬件平臺，充分利用其計算、存儲、回放、調用、顯示及文件管理等功能，將傳統(tǒng)儀器的化功能和面板控件軟件化，使之與計算機融為一體。
目前，較為常見的虛擬儀器系統(tǒng)是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、GPIB儀器系統(tǒng)、VXI儀器系統(tǒng)、計算機視覺系統(tǒng)和運動控制系統(tǒng)，以及它們之間的組合，其硬件構成如圖2所示。
由基本硬件構成虛擬儀器系統(tǒng)后，可通過不同軟件實現(xiàn)不同功能。虛擬儀器的開發(fā)平臺是基于LabVIEW，它采用直觀的前面板與流程圖式的編程方法。基于圖形化的編程語言G的開發(fā)環(huán)境。

 

圖2
虛擬儀器具有以下特點：
① 基于計算機開放式標準結構，可方便同外設網絡及其它應用連接。
② 軟硬件具有模塊化，可重復使用和互換性等特點，功能升級成本低。
③ 儀器具有友好人機界面，可編輯、存儲、打印數(shù)據(jù)。
虛擬儀器以其強大的功能和靈活的構架將成為儀器發(fā)展的方向和趨勢。

四 儀器的網絡化

近幾年來，以Internet為代表的網絡技術的出現(xiàn)，為測量與儀器技術帶來了新的發(fā)展天地，網絡化的新型儀器逐步出現(xiàn)了?？偩€式儀器、虛擬儀器等微機化儀器技術的應用，使組建集中和分布式系統(tǒng)變得更加容易。但集中測控滿足不了復雜、遠程的測控任務的需求，對此組建網絡化的測控系統(tǒng)顯得非常必要。而計算機軟、硬件技術的不斷進步，給組建測控網絡提供了更加優(yōu)異的技術條件。
Unix、Windows NT、Windows 2000、Windows XP、Netware 等網絡化計算機操作系統(tǒng)，為組建網絡化測試系統(tǒng)帶來了方便。標準的計算機網絡協(xié)議，如OSI的開放系統(tǒng)互連參考模型RM、Internet上使用的TCP/IP協(xié)議，在開放性、穩(wěn)定性、可靠性方面均具有很大優(yōu)勢，采用他們很容易實現(xiàn)測控網絡的體系結構。在開發(fā)軟件方面，如NI公司的LabVIEW和LabWindows/CVI的功能都十分強大，使虛擬儀器的開發(fā)及其網絡化的開發(fā)變得簡便、可靠。LabWindows/CVI中封裝了TCP類庫，可以實現(xiàn)基于TCP/IP的網絡開發(fā)。LabVIEW的TCP/IP和UDP網絡VI能夠與遠程應用程序建立通信，其具有的Internet工具箱為應用系統(tǒng)增加了E-mail、FTP和Web能力；利用遠程自動化VI，還可以對其他設備分散的VI進行控制。
把TCP/IP協(xié)議作為一種嵌入式的應用，嵌入到現(xiàn)場智能儀器中，使信號的收、發(fā)都以TCP/IP方式進行，使測控系統(tǒng)在數(shù)據(jù)采集、信息發(fā)布、系統(tǒng)集成等方面在企業(yè)內部網絡(Intranet)依托下，進行測控網和企業(yè)內部網及Internet互聯(lián)，實現(xiàn)測控網和信息網的統(tǒng)一。測量信息通過網絡傳輸，使實時、遠程的測控成為現(xiàn)實。與過去的測試技術相比，顯然網絡化的檢測系統(tǒng)滿足了現(xiàn)代工業(yè)生產的要求。
基于Web的信息網絡Intranet已成為企業(yè)內部信息網的主流。借助Internet技術，方便了企業(yè)的經營和管理。測控系統(tǒng)的設計思想受網絡技術的影響，由傳統(tǒng)的集中模式轉變?yōu)榉植寄Ｊ?，成為具有開放性、可互操作性、分散性、網絡化、智能化的測控系統(tǒng)。測控網絡的功能遠遠大于系統(tǒng)中單個功能的總和。造紙工業(yè)的現(xiàn)代化，必將要求造紙儀器檢測系統(tǒng)的網絡化發(fā)展。

五 結語

當今，計算機技術飛速發(fā)展，網絡技術不斷延伸，儀器將成為更加開放的系統(tǒng)。以PC計算機和工作站為基礎，以網絡為橋梁構成的測控系統(tǒng)，實現(xiàn)高效率的測量及信息資源共享，越來越成為儀器的發(fā)展方向。在測控系統(tǒng)中，各種檢測設備，如各種傳統(tǒng)儀器、智能儀器等，利用網絡資源，可以實現(xiàn)信息共享，提高檢測效率。美國NI公司在虛擬儀器系統(tǒng)中提出“軟件即儀器”的觀點，那么現(xiàn)在正是“網絡就是儀器”提出的時候了。隨著測控網絡的發(fā)展，測控網絡和信息網絡的互聯(lián)技術將推動著造紙測試儀器的**。