恶劣环境试验验证平台的设计与实现

周 勋

(上海工业自动化仪表研究院有限公司，上海 200233)

0 引言

《“十三五”国家科技创新规划》指出“围绕建设制造强国，开展设计技术、可靠性技术、智能仪器仪表、基础数据库和工业试验平台等制造基础共性技术研发，提升制造基础能力[1]”。作为国民经济重要领域，冶金、化工、船舶等行业装备系统具有日益大型化和控制复杂化等特点，对自动控制和长周期连续稳定运行要求越来越高。由于行业的自然/工况环境条件十分恶劣(高温、高压、高腐蚀性)，故而对仪表可靠性提出了更高要求。国外美欧日等发达国家和地区较早对仪表可靠性保障进行了研究，积累了深厚的技术基础，相关产品具有较高的性能和质量可靠性水平，市场竞争力强。国际上，如美国罗斯蒙特公司、霍尼韦尔公司和日本横河机电公司以及德国西门子公司、ABB 公司、恩德斯豪斯公司等行业巨头，均建有完善的可靠性工作体系，具备成熟的可靠性保障技术，且形成了系统化的行业可靠性标准体系，能够有效地指导开展可靠性工作。在金属材料腐蚀方面，英国伯明翰大学、法国图卢兹国立综合理工学院对材料老化、腐蚀特性曲线、失效模型等方向有深入研究。美国海军在寿命评估领域研究了仪表的寿命评估、加速试验等方法，为高可靠仪表提供了高效的寿命评估方法。

国内仪器仪表可靠性研究起步较晚，目前已出版了JB/T 6843、JB/T 6182、JB/T 6214、JB/T 6183 等一系列可靠性行业标准，先后研制了三十余种仪表耐腐蚀合金。仪表行业调研分析结果显示，恶劣环境下国产仪表与国外品牌仪表产品的差距主要表现在使用寿命短、可靠性低等方面。缺乏针对恶劣工况/环境条件的可靠性设计、仿真、试验及评价等方法是导致国产仪表可靠性不足的主要原因。随着仪器仪表新技术的不断发展，国产仪表将面临越来越恶劣的工作环境及工况。传统的仪表可靠性设计、仿真、试验及评价等方法难以适应我国仪表行业的发展速度。目前，亟需适用于恶劣环境下的仪表可靠性验证平台，以及指导仪表行业全寿命周期可靠性工作的保障体系。

本文通过讨论恶劣环境下仪表的可靠性和恶劣环境试验验证平台的技术要点，提出了恶劣环境模拟装置的设计方案，开发了恶劣环境下仪表可靠性设计与试验分析软件，并进行了平台仿真试验。

1 试验验证平台需求分析

恶劣环境试验验证平台包含了两个方面的功能。首先是恶劣环境模拟功能，主要实现高温熔盐环境模拟。因氯化物熔盐价廉易得，常用于580～1 000 ℃温区，所以本平台主要选取氯化物熔盐作为试验环境。其次是试验数据采集功能。试验数据需要实时进行采集、记录，由于温度较高，对信号采集系统的要求也相对较高。本平台硬件部分包括恶劣环境模拟装置、性能参数监测装置以及应力驱动装置等试验验证平台关键部件。具体设计要求如下。

①环境模拟设备研制。

平台根据不同的行业应用领域，模拟相应的恶劣环境。在温度方面，要求高温炉装置必须满足温度控制，内部的最高温度不低于1 200 ℃。

②性能参数采集装置设计。

工业用仪表采用1～5 V、4～20 mA 的标准信号。由于可靠性试验是长期试验，仪表性能的好坏直接关系到产品的可靠性，在可靠性验证试验过程中需要定期采集电压或电流信号。对此，试验人员需要改进或者研发相应的性能检测装置，包括电流和电压采集电路等。

2 试验验证平台的设计

恶劣环境试验验证平台由两部分组成，即恶劣环境模拟装置与信号采集系统。依据所研究的可靠性试验方法，设计仪表性能参数监控、工装夹具、应力驱动等装置，建立恶劣环境下的仪表可靠性验证硬件平台。平台模拟仪表传感器、电路系统及外壳的恶劣工作环境，配合数据采集系统，将采集的数据形成知识库，以解决传统仪表可靠性验证试验局限于常规条件的问题，并拓展仪表行业的可靠性前期设计与后期试验验证的适用范围。

2.1 恶劣环境模拟装置设计

为满足平台设计要求，恶劣环境模拟装置主要由炉体本体、电器控制系统及水冷系统等部分构成。

2.1.1 炉体

高温熔盐炉炉体结构如图1所示。炉体本体由炉盖、炉身、移动装置、炉胆、炉膛和加热元件等构成[2]。

图1 高温熔盐炉炉体结构图

炉盖是由封头进行双层处理后与法兰盘焊接形成，本身为双层夹壁的结构。内封头与外封头内均有循环冷却水对装置内外进行冷却。炉盖内侧的封头为不锈钢板定制。炉盖整体和炉体本体为铰链连接的方式。炉盖的打开方式为从上部开盖。在炉盖上，还有放气阀、加料口及炉盖压紧等安装设备。

炉身由钢骨架根据力学原理选用合适、优质冷轧钢板，经数控激光切割加工而成。 所有折弯处无焊缝、气孔、夹渣等缺陷。炉身外观横平竖直、环保美观，没有褶皱、高低不平等现象。

炉体由双导轨制造，使炉体在长时间使用过程中稳定可靠，也可以用此特殊设计实现急冷急热的功能。炉体采用电动丝杆左右移动，确保炉体运行时无惯性产生，稳定可靠。炉体与炉衬之间设置软硬接触式密封结构，即在炉侧将其周边的纤维密封块微突于炉体架并做成可调整的形式[3]。炉体开启与合拢后由弹簧搭扣锁定。炉体具有移动截止档开关，以保证炉门在打开和关闭时平稳运行。炉体的移动截止档开关确保高温熔盐炉在生产过程中始终处于良好的闭合状态，杜绝了热气外溢，改善了工作环境，并增强了节能效果[4]。测样法兰距炉底约 400 mm，45°均布。这样的布局使每件样品的受热温度基本一致。密封环为三高石墨。高温熔盐炉炉胆与热元件如图2所示。

图2 高温熔盐炉炉胆与热元件示意图

炉膛采用半形结构，以高纯度氧化铝纤维为材料。纤维最高耐温1 500 ℃。 衬体制作完成后，将高温固化剂喷在其表面，以形成隔热墙。喷射的高温固化剂不仅可提升衬体面的强度与热辐射性能，而且可将衬体蓄热的损失降至最低，并将快速升温效果发挥至最大，从而使高温熔岩炉的热效率得到最大限度的提升。因此，高温熔岩炉具有良好的节能效果[5]。保温材料由髙铝纤维超硬板、含锆髙铝针刺毯、髙纯氧化铝耐火纤维制品组成，形成了复合保温层，保温效果好。

加热元件采用优质电阻丝，分别安装在炉膛内，由定制模具加工制作。加热元件的结构形式简单，安装方便，不会与炉外壳形成热短路，从而避免引起炉外壳局部过热现象。炉身设有3路控温热电偶装置，分别为上路加热、中路加热、下路加热装置。

2.1.2 水冷系统

水冷系统由设备进水管、出水管阀门及压力表等元器件构成[6]。

冷却水从总进水管进入，分流至各分进水管并最终进入炉盖内部，使用完毕后从出水管排出[7]。进水管上存有电接点压力表。当总进水压力小于设定值时，控制系统会有声光报警并能自动截断加热器电源[8]。进水管上都装有阀门，可以对某一路的冷却水流量进行单点控制[9]。

2.1.3 温度控制系统

电加热炉的功率控制采用可控硅功率控制器。控制器采用移动相位的方式实现电压的平滑调节，从而达到自动控制设备功率的目的。电炉的功率在触摸屏上展示，可完成数据存储、数据输出等操作，也可使用外接大容量存储设备进行复制、移出与备份操作，对数据可进行长期的保存。同时，显示屏可实时展示电炉的功率曲线、更快捷地进行程序设置、更直观地监控各部分设备的运行状态。触摸屏中对于电炉内部的参数设定和操作均为图文界面，操作简洁、浅显易懂、更易上手。

2.2 信号采集系统设计

2.2.1 硬件架构设计

硬件架构设计参照第1节中对于性能参数采集装置的设计要求。为使采集的数据更加精准、可靠，需要改进或者研发相应的性能检测装置，包括电流和电压采集电路等。采集系统工作原理如图3所示。

图3 采集系统工作原理

此系统使用AB 1769系列可编程逻辑控制器(programmable logic controller，PLC)搭载1794系列输入/输出(input/output，I/O)模块进行测试。其中， 中央处理器(central processing unit，CPU)与I/O模块通过以太网完成通信连接。整个系统将220 V的交流电输入PLC电源模块[10]，再转换成24 V的直流电输出给其余模块。

现场由温度仪表/变送器传输来的信号被分别对应输入至PLC不同的模拟量输入(analog input，AI)模块通道中。通过CPU将收到的信号与参照信号进行对比，如果发生偏差，则发出报警通知并记录。

PLC采集的信号以及输出的报警通过以太网模块传输至工控机，由上位机软件展示出来。其中，报警可以采用声光报警的形式，以便及时发现。

模拟量模块可用于测试变化的参数：通过PLC改变测试的温度/压力值，将需要测试的温度/压力值通过模拟量输出(analog output，AO)模块输出1～5 V或4～20 mA的信号至模拟装置。模拟装置将此输出信号发送给温度仪表/变送器。

2.2.2 工作原理

性能测试采集系统主要用于监控被测仪表在试验工况下的状态。本次试验过程是由传感器通过硬接线将4～20 mA电流信号传入PLC的模拟量输入模块，通过CPU运算后由以太网传递至触控一体机中的组态界面。数据采集过程中，通过记录的历史数据形成算法，以判断监控传感器处于何种状态。例如，可根据电流编制控制图，在控制图中预设规格上限和下限反映可允许的最大值和最小值。上下控制界限不同于规格界限。控制界限根据标准的统计原则，通过标准的统计计算确定，代表一个稳定过程的自然波动范围。电流波动控制如图4所示。

图4 电流波动控制图

由图4可知，试验人员用突变的维持时间来判断试验装置是否发生损坏，同时由系统自动监测波动曲线[11]，以及时报警并提醒试验人员进行检查。曲线的变化趋势可以用于补偿一些硬件的不足。短时间的波动是允许的。但为了保护试验设备，长时间的波动曲线偏移是不允许的。系统可对传感器的瞬时量进行监测。如果发生长时间的波动，将及时报警，提醒试验人员对试验过程进行干涉。

3 仿真试验

3.1 试验环境搭建

本次试验环境的搭建是在SIMATIC IPC377E工业平板电脑上使用FactoryTalk View Studio Edition来展示上位机的画面，同时使用Studio 5000作为下位机ABB ControlLogix 系列的1769-L3系列 CPU的软件进行编程。

本次试验主要是收集4～20 mA的电流信号，同时需反馈上位机中设置的上下控制界限与规格界限的数值，以实时调整不同情况下不同传感器的界限。这可以将收集的4～20 mA的电流信号转换成对应量程界限的实际数值后，通过传输控制协议(transmission control protocol,TCP)上传至上位机中，再通过FactoryTalk View Studio Edition来展示实际数据[12]。考虑到实际功能操作的便捷性，故预先在下位机中内置了算法。同时，在下位机中设置短时间的可被接受的波动时间，将处理好的数据同上下控制界限与规格界限作比较。如果数值在正常范围内，则在上位机中正常显示该传感器的数值；如果数值超出规格界限，则在上位机中及时报警，提醒试验人员进行干预，同时记录报警日志，以便事后的复盘分析。

在使用ABB下位机ControlLogix的1769-L3系列的CPU软件完成编程后，将预留给上位机展示的传感器实际数值接口、上下控制界限与规格界限的设置接口，以用于过程控制的对象连接与嵌入(object linking and emedding for process control,OPC)驱动连接至FactoryTalk View Studio Edition中。试验人员即可在触摸屏上对这些参数进行监控与设置。同时，对这些数据进行采集、收集与存储，以形成每个传感器的历史趋势[13]。试验人员可根据展示的历史曲线对传感器进行判断与观察。试验验证平台全流程如图5所示。

图5 试验验证平台全流程

3.2 试验过程

根据上述方法搭建平台，依据设计时的接线图纸，用信号发生器对AI模块内的第一通道进行信号发射。设定发射信号分别为4 mA、8 mA、12 mA、16 mA、20 mA。同时，在上位机FactoryTalk View Studio Edition的画面中设置上下控制界限与规格界限，并分别定义试验情景。

情景1：上下控制界限分别设置为0、100，规格界限分别设置为-10、110。

情景2：上下控制界限分别设置为500、1 000，规格界限分别设置为400、1 200。

3.3 试验结果

试验数据记录如表1所示。

表1 试验数据记录表

在撤出信号发生器后，信号源消失，画面上显示的数值变为总量程的-500，与PLC模块的功能相符，数据也相对应。此为正确现象。但表1记录的试验数据与换算得到的实际数据略有偏差。究其原因，是整个平台未进行物理接地，电路内部产生感应串扰，造成电流值部分损失。因此，在后续试验中需要对试验平台进行物理接地，以减少电流串扰对数据信号的影响。至此，试验平台的集成与调试工作完成。

4 结论

本文通过分析国产仪表与国外品牌仪表产品的可靠性差距，研究了恶劣环境下高温、高压、高腐蚀性等对仪表可靠性的影响，发现导致国产仪表可靠性不足的主要原因是缺乏针对恶劣工况/环境条件的可靠性设计、仿真、试验及评价等，从而大大影响仪表在愈加恶劣的工作环境中的可靠使用。

基于该现状，本文设计了恶劣环境模拟装置，并开发了恶劣环境下仪表可靠性设计与试验分析软件。恶劣环境下仪表的可靠性验证平台的研发，一方面用于可靠性指标评价的开展；另一方面为仪表在其他恶劣环境中的应用，提供系统性的可靠性解决方案，同时为仪表的可靠性试验提供软、硬件基础，提升了仪表行业的可靠性水平。通过试验验证平台的仿真试验，发现了平台在试验过程中的不足。后续仍可根据需求继续开展平台的升级完善等研究工作。