工业4.0时代的计量测控技术

传感器技术 2019-04-08

文 | 传感器技术(WW_CGQJS)


9月4日,“2017年国际测量技术研讨会”在杭州开幕。国家质检总局副局长吴清海、浙江省政府副省长朱从玖、国际测量技术联合会主席肯尼斯·格拉森(Kenneth Grattan)教授以及来自全国各地计量技术机构、科研院所、大专院校和企业代表等600余人参会。



计量是工业的基础,是社会发展的基础,报告会以“计量测试——新工业革命的引擎”为大会主题。论述交流了计量测试技术在现代工业进程中的发展趋势和前景。


新工业革命——工业4.0


2013年4月,在汉诺威工业博览会上,德国首发《实施“工业4.0”战略建议书》,力推创新概念“工业4.0”。同年12月,德国电气电子和信息技术协会发布了“工业4.0”标准化路线图。



德国学术界产业界认为,“工业4.0”是以智能制造为主导的第四次工业革命。该战略通过充分利用信息通讯技术和网络空间虚拟系统-信息物理系统相结合的手段,将制造业向智能化转型。“工业4.0”项目主要分成三大主题:智能工厂、智能生产、智能物流。


2014年10月,李  克  强  总  理  在访德期间签订了“工业4.0”战略合作框架,显示出高层对制造业4.0升级改造的强力支持,工业4.0将上升到国家战略高度。


工业4.0 将确保多批次,小产量状态下产业的获利能力,确保工艺流程的灵活性和资源利用率。这种生产模式成功后,能够提供品种更丰富的个性化、功能更齐全的多样性、性能更稳定的高质量、使用更人性化的产品,中国依靠大规模工业化生产的、高性价比产品的吸引力将会降低。


计量工业4.0的发展方向


门捷列夫曾说过:“没有测量,就没有科学。”



计量是一项古老而又新兴的事业,它随着社会生产和科学技术的发展而发展。同时它在一定意义上也标志着一个国家现代化水平的高低。计量工作既是工业企业提高经济效益的重要手段,又是提高生产和产品质量的保证。


科学技术是推动工业革命的重要动力,计量测试技术做为基础科学,在前三次工业革命中发挥了重要的作用。


在工业4.0时代,不仅需要更加专业的计量技术人才,因为计量专业性很强,在某一单个领域还需要向着更高、更准的方向发展。


无论是工业4.0,还是工业互联网,“互联互通”是推动这一轮工业革命的核心要素。互联网、物联网都需要大量的信息,而这些信息的产生都是来自仪器仪表或直接来自于各种传感器。智能制造、智能生产,没有计量测试便无从谈起。


系统集成、远程传输、嵌入式软件将成为计量仪器的重要组成部分,控制程序与仪器将不可分隔。


我国计量工业的现状及发展规划


国家质检总局局长支树平指出,虽然新中国建立以来我国计量事业取得显著的成绩和进步,但和国际进水平相比还有一定差距。表现在国家新一代计量基准持续研究能力不足;量子计量基准相关研究尚处于攻坚阶段,与发达国家仍有很大差距;社会公用计量标准建设迟缓,部分领域量传溯源能力仍存在空白;法律法规和监管体制滞后于社会主义市场经济发展需要,监管手段不完备,计量人才特别是高精尖人才缺乏。   


 

在工业4.0的时代潮流中,根据我国工业和信息化部制定和发布的智能制造装备产业发展路线图规划,智能制造装备的发展重点突出表现在两个方面:


一是九大关键智能基础共性技术包括:新型传感技术、模块化、嵌入式控制系统设计、先进控制与优化技术、系统协同技术、故障诊断与健康维护技术、高可靠实时通信网络技术、功能安全技术、特种工艺与精密制造技术、识别技术等。


二是八项核心智能测控装置与部件包括:新型传感器及其系统、智能控制系统现场总线、智能仪表、精密仪器、工业机器人与专用机器人、精密传动装置、伺服控制机构、液气密元件及系统。


从以上这两个发展重点不难看出,传感技术和传感器的研究是其中的重点项目,而其他重点项目的研究,如机器人、液气密系统等都离不开计量测试的使用和计量测试精度和能力的保障。传感器和传感技术是计量测试的一种表现形式,传感器及传感技术的发展将成为第四次工业革命的关键中的关键。


新工业革命的计量测控技术


第四次工业革命以“智能制造、智能生产”为核心,以互联为手段,以计量测试为重要的核心技术。第四次工作革命也是大数据时代,是信息技术时代,是把一切测试信息进行综合采集、综合分析并加以综合运用,在运用的过程中再进行新的采集、新的分析、新的应用的过程。



在这个过程中,及时、准确、可靠的计量测试无处不在,无时不在,无所不在。这对计量测试技术的挑战是全面的、综合的、全方位的。


1、应从更高准确性、可靠性、一致性上思考如何进一步提高计量测试能力问题。


计量测试技术的准确性、一致性和可靠性是实现第四次工业革命的基础。如现代银行系统,要实现全球范围内银行收支情况在某一节点时必须一致,即帐目不致于出现偏差不平衡,需要银行计算机系统的时间精度必须在10-6以上,而如果全世界的工业要实现4.0,实现实时对接平衡,肯定要高于这个精度,因为数据更多,涉及的行业、部门、产业、企业更为繁杂。目前时间的计量精度虽已达到了10-15以上,但这只是实验室中的数据,在计算机系统中能否得到实际应用?能否满足要求?这只是工业4.0对时间这一个参数的要求,对于长度、温度、电磁、无线传输等都提出了什么样的需求?我们能否满足?第四次工业革命的到来,一定需求更高精度的计量测试为其提供测试技术保证。 


2、应从传感技术的快速发展来思考仪器仪表产业发展问题以及对传感器的量值传递和溯源问题


无论智能生产还是智能工厂,传感器将是产生数据的直接根源。东德某玻璃制造企业,一个玻璃全自动生产系统线上就安装了3000多个测量传感器,保证着整个系统的正常有效运行。这些传感器代表了传统的检测仪表。那么如何保证这些传感器的准确、可靠?如何对他们进行量值传递和溯源?能否实现传感器的自校准功能?测量传感器加上软件系统,就实现了原来仪表的功能,未来的检测仪表是否将被各式各样的传感器或传感系统所替代?仪器仪表行业将何去何从?

  

3、应从嵌入式软件全方位应用及互联网的快速发展来思考计量相关软件的检定、校准或检测问题


无论是工业4.0,还是工业互联网,“互联互通”是推动这一轮工业革命的核心要素。近几年互联互通技术快速发展,也带动了软件业的快速发展。系统集成、远程传输、嵌入式软件将成为测试仪器的重要组成部分,软件与仪器将不可分隔。


现代的计量测试仪表大都可以直接与互联网相通。现在较为成熟的像电能智能抄表系统,已把互联网做为其中的重要组成部分。而现在的计量检定、计量校准一般只针对仪器设备,或者说只针对其中的计量检测部分,很少涉及对软件采集性能、安全性能、可靠性能、防作弊性等进行测试。这种管理方式在未来必须发生改变。


同时,由于软件的存在,传感器的广泛应用,一个系统对多个参数、多类参数同时进行测量的可能性大大增加。软件的可靠性、互通互联技术能力将成为影响第四次工业革命的重要因素。那么我们现在是否有软件的测评能力?能否对整个系统进行检定或校准?能否对所有的参数同时进行在线检定? 


4、应从多学科融合的角度来思考计量人才的培养问题


在工业4.0时代,不仅需要更加专业的计量技术人才,因为计量专业性很强,在某一单个领域还需要向着更高、更准的方向发展。但工业4.0时代更是一个大融合的时代,从表面上看是物物相联、人机相联、制造与服务相联等,但深层看,是多学科的融合,多领域的融合,是多种技术的相互渗透。任何产品中都包含着软件和无线网络,包含着电子、机械、化工、材料等多项专业技术,有的还包含农业、林业以及管理知识。工业系统的发展向着多通道、多参数、全方位、系统化发展。多学科综合性人才的需求越来越大,对人才综合素质的要求越来越高。因此,需要具有跨学科经验的人才才能担当相关的工作,进行准确的操作、维护等。创新一般不发生在一个专业的领域,更多出现在跨学科、跨领域的边缘学科。在总结为什么第三次科技革命首发于美国原因时,社会普遍认为:美国的“实用主义哲学”以及“实验技术以军民结合、理工结合为特色”发挥了重要作用。 

  

5、应从计量检定、校准的扁平化来思考计量技术机构的设置及发展方向问题

   

随着第四工业革命的到来,特别是随着无线传输、空间加载、远程诊断以及互联网的应用,以后的量传溯源或许不再需要一级级传递,而是通过现代科技手段,如无线传输,计量检定、校准就可以直接溯源到最高计量基准。计量检定、校准的扁平化问题将会越来越突出。那么,具有中国特色的大区计量测试中心的量传职能是否会萎缩?有些量值可以直接溯源到国家级或省级技术机构,那么地市级的计量技术机构和县级计量技术机构还会有什么样的检定、校准任务?这些都对现行的计量量传溯源系统产生影响,也直接影响着全国计量技术机构的设置和计量资源的配置。

  

6、应从工程控制系统的角度来思考计量的行政管理问题

    

工业4.0是一个巨大的系统工程,也是一个严谨的工程控制系统。这个系统将社会方方面面的信息进行综合、分析,并产生新的指令,同时也为社会治理提供决策依据。社会治理必须与第四次工业革命的进程紧密结合。国家城市能源计量中心建设是工业系统与管理体系相结合的一个很好的开端,虽然还很不完善,但以后这样的系统在第四次工业革命中会出现很多。钱学森曾提出将工程控制理论应用于社会管理中。做为计量行政管理部门,如何将工程控制系统的理念应用于计量社会管理,如何提前谋划,提前布局,如何利用第四次工业革命来提高计量管理的效率和能力。


一场“新工业革命”正在上演,而“互联网+双创+中国制造2025”,是这场革命最大的能量源。我们期待着新时代的智能计量测控技术在这场革命中发生崭新的变化。



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