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王亞卡  羅子健

一  造紙儀器發(fā)展回顧
造紙工業(yè)是與國民經(jīng)濟(jì)息息相關(guān)的行業(yè)，其發(fā)展直接反映了一個(gè)地區(qū)或國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的水平。造紙檢測(cè)儀器作為質(zhì)量控制的基礎(chǔ)在其中占有重要位置。在過去的一個(gè)世紀(jì)里，隨著傳感器技術(shù)、機(jī)械加工技術(shù)、信息技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)造紙檢測(cè)儀器的發(fā)展大致經(jīng)歷了純機(jī)械儀器、模擬儀器、數(shù)字化儀器和智能儀器等幾個(gè)階段。
機(jī)械儀器：我國第一代造紙檢測(cè)儀器，如早期的紙板撕裂度儀就是由純機(jī)械機(jī)構(gòu)組成的；模擬儀器：測(cè)量技術(shù)主要是模擬測(cè)量，此類儀器的基本結(jié)構(gòu)是在機(jī)械機(jī)構(gòu)基礎(chǔ)上，采用機(jī)電一體化控制，用指針來顯示測(cè)量結(jié)果；數(shù)字化儀器：大規(guī)模集成電路的發(fā)展，使電測(cè)部分由模擬技術(shù)逐步演化為數(shù)字技術(shù)，如數(shù)顯耐折度儀；智能儀器：隨著微電子技術(shù)、微計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，嵌入式微機(jī)的運(yùn)用，使儀器具有控制、存儲(chǔ)、運(yùn)算、邏輯判斷以及自動(dòng)操作等智能特征，并在測(cè)量的準(zhǔn)確度、靈敏度、可靠性、自動(dòng)化程度、運(yùn)用能力及解決測(cè)量技術(shù)問題的深度和廣度等方面均取得重大進(jìn)步。
二  儀器的智能化
隨著生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，檢測(cè)、數(shù)據(jù)處理的工作量越來越大，因此對(duì)檢測(cè)儀器的檢測(cè)速度、準(zhǔn)確度、測(cè)量功能等方面提出了更高的要求。計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)及器件、設(shè)備的發(fā)展，標(biāo)準(zhǔn)接口的普及和應(yīng)用，推動(dòng)了智能化檢測(cè)儀器的發(fā)展。目前，基于嵌入式計(jì)算機(jī)的檢測(cè)儀器已經(jīng)應(yīng)用于造紙工業(yè)產(chǎn)品的質(zhì)量檢測(cè)，其中傳統(tǒng)測(cè)量部分完成對(duì)化學(xué)、物理等參數(shù)的檢測(cè)，嵌入式計(jì)算機(jī)進(jìn)行測(cè)量過程的控制和對(duì)參數(shù)的智能處理，兩者相互交叉，相輔相成。智能測(cè)試儀器應(yīng)具備如下特點(diǎn)：
(1)  實(shí)現(xiàn)檢測(cè)的自動(dòng)化 包括自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)校準(zhǔn)、自動(dòng)故障診斷、自動(dòng)數(shù)據(jù)運(yùn)算和處理。
(2)  顯著提高信息的準(zhǔn)確度 測(cè)試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)校準(zhǔn)零點(diǎn)、自動(dòng)非線性校準(zhǔn)、儀器的內(nèi)外校準(zhǔn)。高速多次采樣后的數(shù)字濾波處理，減少了噪聲干擾。
(3)  實(shí)現(xiàn)多功能、多參數(shù)測(cè)量 智能儀器的發(fā)展使多功能、多參數(shù)同時(shí)測(cè)量成為可能，達(dá)到對(duì)測(cè)量對(duì)象的全面分析和評(píng)價(jià)。
(4)  提高了儀器的可靠性 由于計(jì)算機(jī)的運(yùn)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(shí)大大提高了儀器的可靠性。
(5)  簡化操作，提高測(cè)量速度 可以預(yù)先編程控制整個(gè)測(cè)量過程，提高測(cè)量速度和工作效率。可進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)量，對(duì)測(cè)量對(duì)象進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。
(6)  縮短儀器的設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)技術(shù)的革新。輕工業(yè)自動(dòng)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(shè)計(jì)，比較傳統(tǒng)機(jī)械式拉力儀，它的優(yōu)點(diǎn)是不言而喻的。智能儀器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1  智能儀器結(jié)構(gòu)圖

計(jì)算技術(shù)、通信技術(shù)和自動(dòng)化技術(shù)在各自發(fā)展了幾十年之后，正在走向集成并綜合應(yīng)用于檢測(cè)設(shè)備，使之能夠處理規(guī)模更大，要求更高、更復(fù)雜的系統(tǒng)。測(cè)量儀器及檢測(cè)技術(shù)正日益向數(shù)字化、智能化、模塊化、軟件化和自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的方向發(fā)展。目前，國內(nèi)先進(jìn)的造紙儀器正是這種集成技術(shù)反映的結(jié)果。造紙儀器往往是采用光、機(jī)、電、計(jì)算機(jī)技術(shù)綜合運(yùn)用設(shè)計(jì)的。例如，以往測(cè)試設(shè)備采用異步電機(jī)定速或多級(jí)變速驅(qū)動(dòng)，現(xiàn)在應(yīng)用變頻調(diào)速、微步進(jìn)驅(qū)動(dòng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)無級(jí)精確變速驅(qū)動(dòng)；傳統(tǒng)鹵鎢燈作為光源的色度檢測(cè)探頭也逐漸被脈沖氙燈所代替。微電子技術(shù)、計(jì)算技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)和多媒體技術(shù)的融合，極大的豐富了智能儀器的內(nèi)涵。
三  虛擬儀器
智能儀器最初的設(shè)計(jì)是基于嵌入式微處理器，往往是一機(jī)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(hào)處理有相當(dāng)一部分是雷同的，顯示界面的單調(diào)不能充分體現(xiàn)儀器的性能。近年提出的測(cè)試平臺(tái)和插件儀器的新概念，打破了一機(jī)一用的傳統(tǒng)觀念，把智能測(cè)試儀器帶入一個(gè)全新的領(lǐng)域。美國國家儀器公司（NI公司）提出了虛擬儀器的概念，它是應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)在儀器領(lǐng)域形成的一種新型的儀器種類(又稱為第四代儀器)，是計(jì)算機(jī)硬件資源、儀器測(cè)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(jié)合。其核心是以計(jì)算機(jī)作為儀器的硬件平臺(tái)，充分利用其計(jì)算、存儲(chǔ)、回放、調(diào)用、顯示及文件管理等功能，將傳統(tǒng)儀器的專業(yè)化功能和面板控件軟件化，使之與計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，以及它們之間的組合，其硬件構(gòu)成如圖2所示。
由基本硬件構(gòu)成虛擬儀器系統(tǒng)后，可通過不同軟件實(shí)現(xiàn)不同功能。虛擬儀器的開發(fā)平臺(tái)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(diǎn)：
①  基于計(jì)算機(jī)開放式標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)，可方便同外設(shè)網(wǎng)絡(luò)及其它應(yīng)用連接。
②  軟硬件具有模塊化，可重復(fù)使用和互換性等特點(diǎn)，功能升級(jí)成本低。
③  儀器具有友好人機(jī)界面，可編輯、存儲(chǔ)、打印數(shù)據(jù)。
虛擬儀器以其強(qiáng)大的功能和靈活的構(gòu)架將成為儀器發(fā)展的方向和趨勢(shì)。
四  儀器的網(wǎng)絡(luò)化
近幾年來，以Internet為代表的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的出現(xiàn)，為測(cè)量與儀器技術(shù)帶來了新的發(fā)展天地，網(wǎng)絡(luò)化的新型儀器逐步出現(xiàn)了。總線式儀器、虛擬儀器等微機(jī)化儀器技術(shù)的應(yīng)用，使組建集中和分布式系統(tǒng)變得更加容易。但集中測(cè)控滿足不了復(fù)雜、遠(yuǎn)程的測(cè)控任務(wù)的需求，對(duì)此組建網(wǎng)絡(luò)化的測(cè)控系統(tǒng)顯得非常必要。而計(jì)算機(jī)軟、硬件技術(shù)的不斷進(jìn)步，給組建測(cè)控網(wǎng)絡(luò)提供了更加優(yōu)異的技術(shù)條件。
Unix、Windows NT、Windows 2000、Windows XP、Netware 等網(wǎng)絡(luò)化計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)，為組建網(wǎng)絡(luò)化測(cè)試系統(tǒng)帶來了方便。標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)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(shì)，采用他們很容易實(shí)現(xiàn)測(cè)控網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)。在開發(fā)軟件方面，如NI公司的LabVIEW和LabWindows/CVI的功能都十分強(qiáng)大，使虛擬儀器的開發(fā)及其網(wǎng)絡(luò)化的開發(fā)變得簡便、可靠。LabWindows/CVI中封裝了TCP類庫，可以實(shí)現(xiàn)基于TCP/IP的網(wǎng)絡(luò)開發(fā)。LabVIEW的TCP/IP和UDP網(wǎng)絡(luò)VI能夠與遠(yuǎn)程應(yīng)用程序建立通信，其具有的Internet工具箱為應(yīng)用系統(tǒng)增加了E-mail、FTP和Web能力；利用遠(yuǎn)程自動(dòng)化VI，還可以對(duì)其他設(shè)備分散的VI進(jìn)行控制。
把TCP/IP協(xié)議作為一種嵌入式的應(yīng)用，嵌入到現(xiàn)場(chǎng)智能儀器中，使信號(hào)的收、發(fā)都以TCP/IP方式進(jìn)行，使測(cè)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(nèi)部網(wǎng)絡(luò)(Intranet)依托下，進(jìn)行測(cè)控網(wǎng)和企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)及Internet互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)測(cè)控網(wǎng)和信息網(wǎng)的統(tǒng)一。測(cè)量信息通過網(wǎng)絡(luò)傳輸，使實(shí)時(shí)、遠(yuǎn)程的測(cè)控成為現(xiàn)實(shí)。與過去的測(cè)試技術(shù)相比，顯然網(wǎng)絡(luò)化的檢測(cè)系統(tǒng)滿足了現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的要求。
基于Web的信息網(wǎng)絡(luò)Intranet已成為企業(yè)內(nèi)部信息網(wǎng)的主流。借助Internet技術(shù)，方便了企業(yè)的經(jīng)營和管理。測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想受網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的影響，由傳統(tǒng)的集中模式轉(zhuǎn)變?yōu)榉植寄Ｊ剑蔀榫哂虚_放性、可互操作性、分散性、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的測(cè)控系統(tǒng)。測(cè)控網(wǎng)絡(luò)的功能遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于系統(tǒng)中單個(gè)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(cè)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展。

五  結(jié)語
當(dāng)今，計(jì)算機(jī)技術(shù)飛速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)不斷延伸，儀器將成為更加開放的系統(tǒng)。以PC計(jì)算機(jī)和工作站為基礎(chǔ)，以網(wǎng)絡(luò)為橋梁構(gòu)成的測(cè)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)高效率的測(cè)量及信息資源共享，越來越成為儀器的發(fā)展方向。在測(cè)控系統(tǒng)中，各種檢測(cè)設(shè)備，如各種傳統(tǒng)儀器、智能儀器等，利用網(wǎng)絡(luò)資源，可以實(shí)現(xiàn)信息共享，提高檢測(cè)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(diǎn)，那么現(xiàn)在正是“網(wǎng)絡(luò)就是儀器”提出的時(shí)候了。隨著測(cè)控網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，測(cè)控網(wǎng)絡(luò)和信息網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)技術(shù)將推動(dòng)著造紙測(cè)試儀器的革命。