網絡化測試技術淺談

1 引 言

隨著生產過程自動化控制要求的不斷提高，傳統(tǒng)測試系統(tǒng)的缺點越來越突出。

① 儀器間的匹配問題以及儀器間的測量精度使整個測試系統(tǒng)精度的提高受到限制;

② 傳統(tǒng)測試系統(tǒng)由多臺測量儀器組成，信號的傳輸速度受到限制，給被測信號的實時分析帶來困難，在很多情況下，如果時間延誤，測得的信號與實時信號存在很大差異，自動控制難以實現(xiàn);

③ 由多臺儀器組成的測試系統(tǒng)相對分散，體積大，不易攜帶，使現(xiàn)場實測受到限制。對此，傳統(tǒng)測試系統(tǒng)的改造勢在必行。

綜觀近年來測試技術的發(fā)展狀況，現(xiàn)代測試技術除需要不斷提高靈敏度、精度和可靠性以外，主要向著小型化、非接觸化、多功能化(多參數(shù)測量)、智能化及網絡化的方向發(fā)展。近年來計算機技術、微電子技術、通訊技術和網絡技術的迅猛發(fā)展，為以PC機和工作站為基礎的網絡化測試技術的發(fā)展提供了技術保障。網絡化技術應用于測試系統(tǒng)已成為現(xiàn)代測試技術發(fā)展的一大趨勢。

2 網絡化測試技術的特點

網絡的最大特點就是可以實現(xiàn)資源共享，使現(xiàn)有資源得到充分利用，從而實現(xiàn)多系統(tǒng)、多專家的協(xié)同測試與診斷，它解決了已有總線在儀器臺數(shù)上的限制，使一臺機器為更多的用戶使用，實現(xiàn)測量信息的共享，實現(xiàn)整個測試過程的高度自動化、智能化，同時減少了硬件的設置，有效降低了測試系統(tǒng)的成本。另外，網絡可以不受地域的限制，這就決定了網絡化測試系統(tǒng)可以實現(xiàn)遠程測控，使測試人員不受時間和空間的限制，隨時隨地獲取所需信息，同時網絡化測試系統(tǒng)還可以實現(xiàn)測試設備的遠距離測試與診斷，提高測試效率。正是網絡化測試系統(tǒng)的這些優(yōu)點，使得網絡化測試技術倍受關注。

3 網絡化測試的技術支持及網絡化儀器

實際測試工作極其復雜，整個測試過程涉及試驗設計、模型理論、傳感器設計、信號加工處理、誤差處理、控制工程、系統(tǒng)辯識和參數(shù)評估等。網絡化測試不僅需要這些技術，還需要完備的計算機技術、微電子技術、通訊技術及網絡技術等，這些技術的完備為網絡化測試技術的產生與應用提供了強大的物質支持，而智能檢測儀器儀表的產生加速了測試系統(tǒng)網絡化的進程。各種可直接接入網絡的網絡化儀器已在實際測控領域得到了應用。

為適應需要，目前市場上出現(xiàn)的網絡化儀器都具有標準的上網規(guī)范，如VXI總線頒布的TCP/IP儀器協(xié)議和接口變換規(guī)范，該規(guī)范為開發(fā)通用接口實現(xiàn)網絡化自動測試系統(tǒng)提供了一種方法和標準，標準中規(guī)定了此協(xié)議到特定接口的變換，規(guī)范的制定使得通過網絡直接控制儀器成為可能。傳感器作為測試系統(tǒng)的一部分，它的網絡化非常重要，網絡化傳感器是在智能傳感器的基礎上，把TCP/IP協(xié)議嵌入現(xiàn)場智能傳感器的ROM中，利用局域網和廣域網，使處于測控點的網絡傳感器將測控參數(shù)信號加以必要的處理后送入網絡。另外，控制局域網絡(CAN)現(xiàn)場總線的規(guī)范也已被制定為國際標準ISO 11898，它已廣泛應用于離散控制系統(tǒng)中。目前市場上還出現(xiàn)了網絡化示波器以及具有良好用戶界面、可實現(xiàn)實時遠程測控的網絡化邏輯分析儀。

這些網絡化儀器的出現(xiàn)，加快了網絡化測試技術的發(fā)展，通用性更強、功能更完備的新一代網絡化測試儀器還將不斷涌現(xiàn)市場。

4 網絡化測試技術中的現(xiàn)場總線技術

現(xiàn)場總線既是新型的自動化系統(tǒng)，又是低帶寬的低層控制網絡，它可以與因特網(Internet)、企業(yè)內部網(Intranet)相連，且位于生產控制和網絡結構的低層，因此被稱為低層網。它作為網絡系統(tǒng)最顯著的特征是具有開放統(tǒng)一的通訊協(xié)議，肩負著生產運行一線測量控制的統(tǒng)一任務。

現(xiàn)場總線技術具有以下技術特點：

① 系統(tǒng)的開放性：開放系統(tǒng)是指通訊協(xié)議公開，各不同廠家的設備之間可進行互連并實現(xiàn)信息交換，現(xiàn)場總線開發(fā)者就是要致力于建立統(tǒng)一的工廠底層網絡的開放系統(tǒng)。這里的開放是指對相關標準的一致、公開性，強調對標準的公識與遵從。一個開放系統(tǒng)，它可以與任何遵守相同標準的其它設備或系統(tǒng)相連。一個具有總線功能的現(xiàn)場總線網絡系統(tǒng)必須是開放的，開放系統(tǒng)把系統(tǒng)集成的權利交給了用戶，用戶可按自己的需求和對象把來自不同供應商的產品組成大小隨意的系統(tǒng)。

②互可操作性與互用性：這里的可互操作性，是指實現(xiàn)互連設備間、系統(tǒng)間的信息傳遞與溝通，可實行點對點、一點對多點的數(shù)字通訊;而互用性則意味著不同生產廠家的性能類似的設備可進行互換，實現(xiàn)互用。

③現(xiàn)場設備的智能化與功能自治性：它將傳感測量、補償計算、工程量處理與控制等功能分散到現(xiàn)場設備中完成，僅靠現(xiàn)場設備即可完成自動控制的基本功能，并可隨時診斷設備的運行狀態(tài)。

④系統(tǒng)結構的高度分散性：由于現(xiàn)場設備本身已可完成自動控制的基本功能，使得現(xiàn)場總線已構成一種新的全分布式控制系統(tǒng)的體系結構，從根本上改變了現(xiàn)有DCS集中與分散相結合的集散控制系統(tǒng)體系，簡化了系統(tǒng)結構，提高了可靠性。

⑤對現(xiàn)場環(huán)境的適應性：工作在現(xiàn)場設備前端，作為工廠網絡底層的現(xiàn)場總線，是專為在現(xiàn)場環(huán)境工作而設計的，它可支持雙膠線、同軸電纜、光纜、射頻、紅外線、電力線等，具有較強的抗干擾能力，能采用兩線制實現(xiàn)送電與通信，并可滿足本質安全防爆要求等。

正因為如此，特別是現(xiàn)場總線系統(tǒng)結構的簡化，使得整個網絡化測試系統(tǒng)從設計、安裝、投運到正常生產運行及其檢修維護都體現(xiàn)出極大的優(yōu)越性，其優(yōu)越性主要體現(xiàn)以下幾個方面：

① 節(jié)省硬件數(shù)量與投資：由于現(xiàn)場總線系統(tǒng)中分散在設備前端的智能設備能直接執(zhí)行多種傳感、控制、報警和計算功能，因而可減少變送器的數(shù)量，不再需要單獨的控制器、計算單元等，也不再需要DCS系統(tǒng)的信號處理、轉換、防腐技術等功能單元及其復雜接線，還可以用工控PC機作為操作站，從而節(jié)省了一大筆硬件投資，由于控制設備的減少，還可減少控制室的占地面積。

② 節(jié)省安裝費用：現(xiàn)場總線系統(tǒng)的接線十分簡單，由于一對雙膠線或一條電纜上通?？蓲旖佣鄠€設備，因而電纜、端子、槽盒、橋架的用量大大減少，連接設計與接頭校對的工作量也大為減少。當需要增加現(xiàn)場控制設備時，無須增加新的電纜，可就近連接在原有的的電纜上，既節(jié)省了投資，也減少了設計、安裝的工作量。據(jù)有關典型試驗工程的預算資料，可節(jié)省安裝費用60%以上。

③ 節(jié)省維護開銷：由于現(xiàn)場控制設備具有自診斷與簡單故障處理的能力，并通過數(shù)字通訊將相關的診斷維護信息送往控制室，用戶可以查詢所有設備的運行、診斷維護信息，以便早期分析故障原因并快速排除?？s短了維護停工時間，同時由于系統(tǒng)結構簡化，連線簡單而減少了維護工作量。

④ 用戶具有高度的系統(tǒng)集成主動權：用戶可以自由選擇不同廠商所提供的設備來集成系統(tǒng)，避免因選擇了某一品牌的產品被“框死”了設備的選擇范圍，不會為系統(tǒng)集成中不兼容的協(xié)議、接口而一籌莫展，使系統(tǒng)集成過程中的主動權完全掌握在用戶手中。

⑤ 提高了系統(tǒng)的準確性與可靠性：由于現(xiàn)場總線設備的智能化、數(shù)字化，與模擬信號相比，它從根本上提高了測量與控制的準確度，減少了傳送誤差，同時由于系統(tǒng)的結構簡化，設備與連線減少，現(xiàn)場儀表內部功能加強，減少了信號的往返傳輸，提高了系統(tǒng)的工作可靠性。此外，由于它的設備標準化和功能模塊化，因而還具有設計簡單、易于重構等優(yōu)點。

現(xiàn)場總線技術適應了網絡化測試系統(tǒng)的要求，并在其中得到了廣泛的應用。

5 網絡化測試系統(tǒng)的總體設計方案

實際測試過程要求我們從測試方案考慮，最大限度地激發(fā)所需信息，并以較明顯的信息形式表現(xiàn)出來，用最敏捷、最合理的方法取得最有用的、表現(xiàn)性強的有關信息，以有效的實驗方法進行設計與實施。一般測試系統(tǒng)的組成如圖1所示。

圖1 一般測試系統(tǒng)的結構框圖

網絡化測試系統(tǒng)面對的是空間位置分散、測試任務復雜且信息交換量大的測試系統(tǒng)，整個測試系統(tǒng)應同時具有綜合信息采集、信息處理、存儲、傳輸和控制以及數(shù)據(jù)的分析功能。要組建一個功能強大、完整的網絡化測試系統(tǒng)必須考慮并重點解決以下幾方面的問題：

① 為使現(xiàn)有資源充分利用，檢測系統(tǒng)的測量裝置可重定義;

② 數(shù)據(jù)采集是網絡化測試過程中的重要環(huán)節(jié)，因此常用的數(shù)據(jù)采集硬件必須兼容;

③ 數(shù)據(jù)的分析、信號的處理是測試過程的最后一個環(huán)節(jié)，也是整個測試過程中較關鍵的一步，因此測試分析系統(tǒng)的信號處理過程必須可重定義;

④ 對于整個測試系統(tǒng)，其基本的功能單元必須智能化，帶有本地微處理器和存儲器，并且具有網絡化接口。

一個功能齊全的網絡化測試系統(tǒng)的開放性和互操作性也很重要，系統(tǒng)還應遵循可擴充性、安全性及服務器分布性原則。據(jù)此，網絡化測試系統(tǒng)的基本框圖如圖2所示。

圖2 網絡化測試系統(tǒng)結構框圖

系統(tǒng)可分為兩個基本的功能結構單元，即設備的測試部分和數(shù)據(jù)信號的分析處理部分。測試部分主要完成現(xiàn)場設備的必要信息的檢測，將被測系統(tǒng)的非電量信息轉換成所需的電量信息，然后通過網絡送入數(shù)據(jù)處理中心，對信號進行分析處理。整個測試系統(tǒng)以PC技術為基礎，具有成本低、控制靈活、通用性強的特點，因此以高性能的PC技術為基礎開發(fā)的網絡化測試系統(tǒng)已得到廣泛應用。另外，對于整個測試系統(tǒng)的軟硬件平臺的選擇，在考慮其通用性的同時，又要兼顧成本，應選擇目前技術比較成熟的軟硬件開發(fā)平臺。

由于網絡自身具有靈活性，因此在實際工作中，可以根據(jù)不同的需要組建網絡化測試系統(tǒng)：在被測系統(tǒng)不很復雜但相對分散的情況下，可采用單用戶測試系統(tǒng);在被測系統(tǒng)較復雜，需要多方協(xié)調測試的情況下，可采用局域網下的多用戶測試系統(tǒng);在被測系統(tǒng)復雜且相當分散的情況下，可采用廣域網下的遠程網絡化測試系統(tǒng)。

6 網絡化測試技術存在的難點問題

網絡化測試技術雖然得到相當程度的發(fā)展，但是還不十分成熟，仍然存在著很多需要解決的難點問題，需要在實踐中逐步完善，主要有以下幾點：

① 網絡化測試過程的實時性問題與時間的確定性問題

對某些測量過程，往往要根據(jù)測量結果對被測對象、測量條件、測量狀態(tài)進行控制，這就需要對被測信號邊測量邊處理，根據(jù)處理結果對后序測量過程進行選擇與控制，然而目前所廣泛采用的網絡技術難以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的同步傳輸，使測試受到延誤，從而造成不必要的損失。因此，網絡化測試過程的實時性問題與時間的確定性問題的解決至關重要。

② 網絡化測試系統(tǒng)的成本與通用性協(xié)調問題

在網絡化測試系統(tǒng)的建造過程中，既要考慮成本，又要考慮系統(tǒng)的通用性，成本盡可能低而通用性盡可能強大是我們追求的最理想的狀態(tài)，但是在實際中兩者往往只能兼顧其一，如果為了節(jié)約成本而犧牲測試系統(tǒng)的通用性，則減小了系統(tǒng)的使用范圍，就使得建造的測試系統(tǒng)發(fā)揮不了應有的作用;相反一味追求通用性而不顧成本，又不實際。所以，在組建網絡化測試系統(tǒng)的過程中，成本與通用性的協(xié)調問題應予以高度重視。

③ 網絡化測試系統(tǒng)的安全性與穩(wěn)定性問題

這是每個測試工作者都比較關心的問題，它是測試能否順利進行的保障?，F(xiàn)代網絡技術雖已相當成熟，但由于網絡自身的局限性，一旦網絡運行中出現(xiàn)故障，將會使整個測試陷入癱瘓狀態(tài)。因此，網絡的安全與穩(wěn)定在網絡化測試中顯得異常重要。

④ 網絡化測試系統(tǒng)中的總線技術和標準問題

網絡測試要求現(xiàn)場總線具有實時性，并實現(xiàn)可互操作性與信息處理的現(xiàn)場化，這就要求在實際測試中要慎重選擇現(xiàn)場總線。目前由于現(xiàn)場總線沒有一個統(tǒng)一的標準，而現(xiàn)存現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)又各具優(yōu)點，它們都在各自的領域形成了獨特的優(yōu)勢，因此，必須根據(jù)實際需要，選擇具有開放性、可擴展性、兼容性強的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)。

7 結束語

隨著測試設備智能化程度的不斷提高，現(xiàn)代測試水平進入了一個嶄新的階段。網絡化測試技術作為一種新的測試手段還將隨著計算機技術、微電子技術、通訊技術和網絡技術的不斷發(fā)展而發(fā)展。但是，往往由于這些技術發(fā)展迅速，使一種新技術剛剛付諸使用，更新的技術就已推出，而在網絡化測試中所使用的設備又比較昂貴，因此測試設備的軟件化，且軟件能升級以適應技術上的平滑過渡，來適應更新的網絡化測試系統(tǒng)的要求已成為一種趨勢。