應(yīng)用領(lǐng)域：工業(yè)自動(dòng)化

挑戰(zhàn)：使用一個(gè)實(shí)時(shí)控制器，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)位移、扭轉(zhuǎn)、溫度、流量的高速、精確控制并完成數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)。

應(yīng)用方案：使用National Instruments 公司的LabVIEW RT軟件 和E系列的控制器、高精度數(shù)據(jù)采集卡、執(zhí)行程序生成器和LabVIEW 來開發(fā)一個(gè)經(jīng)濟(jì)、可靠的基于PC機(jī)和PXI嵌入式控制器的多實(shí)時(shí)任務(wù)控制系統(tǒng)。

使用的產(chǎn)品：LabVIEW RT；RT系列的嵌入式控制器；E系列的數(shù)據(jù)采集卡

簡介：在控制系統(tǒng)中，既要完成高速閉環(huán)控制，又要實(shí)現(xiàn)大量數(shù)據(jù)的高速采集和存儲(chǔ)，是比較困難的事，因?yàn)槟芡瓿蓪?shí)時(shí)控制的軟件，其大量數(shù)據(jù)處理的能力就弱， 而在 LabVIEW RT 系統(tǒng)中通過軟件總體結(jié)構(gòu)的合理布局，利用一個(gè)實(shí)時(shí)控制器，可以完成多個(gè)實(shí)時(shí)控制任務(wù)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了對(duì)多通道數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)，降低了成本又節(jié)省了開發(fā)時(shí)間。

1 實(shí)驗(yàn)機(jī)的物理構(gòu)成

多任務(wù)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)應(yīng)用在MMS100 改進(jìn)后的多功能材料實(shí)驗(yàn)機(jī)中，這種實(shí)驗(yàn)機(jī)是一種快速模擬鋼廠熱連軋過程的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，它可以用來研究鋼材等有色金屬在不同的升溫速率和變形量的情況 下，其微觀組織結(jié)構(gòu)及組織性能的變化規(guī)律，被廣泛地應(yīng)用于冶金、航天、軍事等領(lǐng)域的新材料開發(fā)和研究。

1.1 實(shí)驗(yàn)機(jī)的工作原理

本實(shí)驗(yàn)機(jī)的工作原理是將試樣安裝在兩個(gè)夾頭之間，以上萬安培的電流通過試樣，使其快速被加熱，同時(shí)在兩個(gè)夾頭中通有循環(huán)冷卻水，當(dāng)電流增大產(chǎn)生的熱量大于水冷帶走的熱量時(shí)，試樣的溫度就升高，反之試樣的溫度就降低，當(dāng)二者相等時(shí)試樣的溫度保持不變，從而達(dá)到控溫的目的。根據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)要求，當(dāng)試樣被加熱到規(guī)定的溫度時(shí)，通過控制液壓缸，推動(dòng)錘頭高速打擊（壓縮實(shí)驗(yàn)）或拉伸（拉伸實(shí)驗(yàn)）或扭轉(zhuǎn)（扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)），使試樣發(fā)生形變，同時(shí)要記錄并存儲(chǔ)試樣在發(fā)生形變過程中的所有參數(shù)，如液壓缸位移、橫向位移、縱向位移、力、扭矩等，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，由host PC（主機(jī)）對(duì)所記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行繪制工藝要求的曲線，如位移-力曲線，位移-應(yīng)力曲線，應(yīng)力-應(yīng)變曲線等。有些實(shí)驗(yàn)要求在真空狀態(tài)下進(jìn)行，防止試樣表面被氧化，要求將試樣加熱室抽成真空，根據(jù)需要還可以充保護(hù)氣（惰性氣體）。淬火實(shí)驗(yàn)要求試樣溫度達(dá)到某一值時(shí)進(jìn)行淬水、淬氣、氣水混合等以滿足不同的工藝需要。

1.2 控制系統(tǒng)的構(gòu)成

根據(jù)工藝對(duì)控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度、精度等技術(shù)指標(biāo)的特殊要求來確定控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，由于本設(shè)備包括結(jié)構(gòu)復(fù)雜的機(jī)械運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、水冷卻系統(tǒng)、淬火系統(tǒng)、氣動(dòng)控制系統(tǒng)等多個(gè)單元，為了提高控制精度和速度，而將邏輯控制從PXI 系統(tǒng)中分離出去，由PLC 控制，二者以通訊方式交換信息。所有的實(shí)時(shí)控制任務(wù)、數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)由PXI-8156B 完成，hostPC 機(jī)主要完成編程器、人機(jī)交互界面、數(shù)據(jù)分析及處理等功能。

2 控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)任務(wù)

2.1 加熱控制系統(tǒng)

試樣的加熱采用直接電阻加熱的方法，其特點(diǎn)是低電壓、大電流；快速響應(yīng)加熱；瞬間斷電采集數(shù)據(jù)；熱膨脹測量與補(bǔ)償；10ms 控制周期。具體方法是通過在變壓器原側(cè)調(diào)節(jié)可控硅的觸發(fā)角，來改變變壓器副側(cè)試樣兩端電壓，從而改變流過試樣中電流大小，實(shí)現(xiàn)控溫的目的。這種加熱方法優(yōu)點(diǎn)是可以降低試樣內(nèi)部的熱梯度，防止集膚效應(yīng)，獲得更好的等溫區(qū)。其缺點(diǎn)是由于熱電偶是直接焊在試樣上的，當(dāng)加熱時(shí)試樣內(nèi)流過上萬安培的電流，周圍將產(chǎn)生強(qiáng)大的磁場，嚴(yán)重地影響溫度測量的精度，但NI 公司的軟件和硬件提供了觸發(fā)采集的功能，可以很好地解決這個(gè)問題。方法是通過一個(gè)小的同步變壓器獲得變壓器原側(cè)的電壓相位，根據(jù)這個(gè)電壓信號(hào)的峰值可以計(jì)算出觸發(fā)采集電壓與觸發(fā)角的關(guān)系，通過限制觸發(fā)電壓值和適當(dāng)選擇觸發(fā)采集電壓，就可以使可控硅觸發(fā)角留出20 度～30 度的斷電時(shí)間，實(shí)現(xiàn)斷電采集。通過一個(gè)整流橋可以將正弦交流電負(fù)半周也變成正半周，使每個(gè)控制周期控制兩次，控制周期為10ms。

2.2 位移控制系統(tǒng)

主液壓缸的控制是通過控制高速伺服閥，完成控制液壓缸推動(dòng)錘頭移動(dòng)。工藝要求控制周期越短越好，利用PFI7針完成PID 輸入觸發(fā)輸出循環(huán)控制，控制周期為2ms。在高速伺服閥放大器板上有一個(gè)硬件PID 控制環(huán)，它是將高速伺服閥的閥芯位置作為反饋信號(hào)，這個(gè)閉環(huán)作為內(nèi)環(huán)，而軟件PID 將位移傳感器的實(shí)際位置作為反饋信號(hào)，這個(gè)閉環(huán)作為外環(huán)，這樣大大提高了液壓缸的控制精度。

2.3 扭轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)

扭轉(zhuǎn)控制的作用是扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)時(shí)完成高速扭轉(zhuǎn)閉環(huán)控制，另外在多道次壓縮或拉伸實(shí)驗(yàn)時(shí)完成試樣第二道次以后的變形量定位控制的功能?？刂品椒ㄊ抢肞XI6052E的高速計(jì)數(shù)器1 測量編碼器的脈沖，通過控制高速伺服閥控制液壓馬達(dá)，完成扭轉(zhuǎn)控制。扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)適應(yīng)超級(jí)鋼、軍用鋼等高性能鋼種開發(fā)研究的需要，將剪切變形與壓縮變形復(fù)合，從而大幅度提高變形程度和變形速率，實(shí)現(xiàn)組合連續(xù)大變形的學(xué)術(shù)思想。

2.4 流量控制系統(tǒng)

淬火的方式分為淬水、淬氣、氣水混合等方式，在淬火時(shí)不同的實(shí)驗(yàn)工藝，要求對(duì)淬火的水流量進(jìn)行相應(yīng)的控制，以滿足實(shí)驗(yàn)工藝。控制方法是將流量計(jì)的檢測信號(hào)作為反饋，控制電磁球閥實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。

3 硬件連接問題

3.1 接地問題

PXI 總線的機(jī)箱，其機(jī)殼地與AIGND和DGND是相通的，這一點(diǎn)與其他控制系統(tǒng)中有所區(qū)別。為了減少控制系統(tǒng)的干擾，系統(tǒng)接地非常重要，為此將數(shù)據(jù)線的屏蔽層單獨(dú)接地，將二次儀表的電源地與機(jī)殼地一起單獨(dú)接地。另外二次儀表電源的輸入端通過一個(gè)UPS 使其與電網(wǎng)進(jìn)行隔離，進(jìn)一步減小了系統(tǒng)干擾。

3.2 E 系列數(shù)據(jù)采集卡的計(jì)數(shù)器濾波問題

E 系列數(shù)據(jù)采集卡上的24 位計(jì)數(shù)器的抗干擾能力不是很強(qiáng)，為了彌補(bǔ)這一缺點(diǎn)，在NI 網(wǎng)站的 an084QuadratureEncoders 中詳細(xì)地闡述了利用LS7084芯片和電阻、電容構(gòu)成一個(gè)濾波電路，消除由于noise and jitter 等造成的干擾，此電路還可以對(duì)編碼器的輸出脈沖進(jìn)行4 分頻，從而大大地提高了測量精度。

4 控制系統(tǒng)的軟件

軟件部分分為三個(gè)部分，即上位機(jī)的人機(jī)界面軟件、實(shí)時(shí)控制軟件和邏輯控制軟件。 上位機(jī)軟件， 是在Windows2000 平臺(tái)下，利用LabVIEW 軟件，實(shí)時(shí)控制軟件是在Windows2000 環(huán)境下LabVIEW RT 編程，然后下載到嵌入式控制器中，邏輯控制軟件是Siemens 公司的Step_MicroWin 軟件編程。

4.1 各部分軟件的功能

上位機(jī)軟件的功能是工藝參數(shù)輸入、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)及處理，故障報(bào)警顯示等；實(shí)時(shí)控制軟件的功能是完成溫度、位移、扭轉(zhuǎn)、流量等的實(shí)時(shí)閉環(huán)控制；邏輯控制軟件的功能是完成控制柜的按鈕、指示燈，液壓站、變壓器等的接觸器，氣路、油路和水路的電磁閥、電節(jié)點(diǎn)、報(bào)警器等。

4.2 軟件的結(jié)構(gòu)

上位機(jī)和實(shí)時(shí)控制機(jī)軟件的總體結(jié)構(gòu)均選用了LabVIEW 提供的狀態(tài)機(jī)結(jié)構(gòu)，因?yàn)樵诔绦蛑兄T多任務(wù)都是有一定順序的，對(duì)于解決有順序控制問題來說，狀態(tài)機(jī)結(jié)構(gòu)是最有效的方法， 它是由While Loop 內(nèi)部的一個(gè)Case結(jié)構(gòu)和位移寄存器中所攜帶的Case 選擇器組成，這種 Case 結(jié)構(gòu)的每個(gè)框架都可以向下一個(gè)迭帶中的其他框架 傳輸控制或直接終止While Loop，這就允許用戶執(zhí)行任意數(shù)量的執(zhí)行操作，每一個(gè)操作都可以調(diào)用一個(gè)子程序，使整個(gè)程序的運(yùn)行效率非常高。 實(shí)時(shí)控制軟件分為三個(gè)部分，即通訊，多實(shí)時(shí)任務(wù)，瞬時(shí)數(shù)據(jù)記錄。其中幾個(gè)實(shí)時(shí)任務(wù)之間的結(jié)構(gòu)While Loop加sequence 結(jié)構(gòu)，根據(jù)每個(gè)任務(wù)的控制周期的不同，利用i取余數(shù)來確定其執(zhí)行的周期大小。利用RTFIFO 將變形過程的數(shù)據(jù)記錄下來，當(dāng)變形結(jié)束時(shí)，即CPU 時(shí)間寬裕時(shí)，將數(shù)據(jù)寫入磁盤?？刂茀?shù)的輸入是通過通訊的方式由HostPC 傳到實(shí)時(shí)控制器的，實(shí)驗(yàn)過程采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)也是通過通訊從控制器傳到HostPC 的，只是傳輸?shù)乃俾室鸵恍?/p>

5 系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)

由于采用了PXI實(shí)時(shí)控制器和RT 系列的軟件，使多個(gè)控制任務(wù)得到了很好的協(xié)調(diào)和運(yùn)行，控制精度和速度完全滿足設(shè)計(jì)要求，溫度控制的動(dòng)態(tài)最大偏差為±1.5℃，靜態(tài)最大偏差為±0.2℃，位移測量精度1 微米。使得實(shí)驗(yàn)機(jī)的總體性能達(dá)到了國外的同類產(chǎn)品且功能增多，其價(jià)格為國外產(chǎn)品的四分之一到三分之一。

6 結(jié)束語

實(shí)驗(yàn)機(jī)的控制系統(tǒng)對(duì)控制精度和速度要求較高，利用通訊，將實(shí)時(shí)任務(wù)和非實(shí)時(shí)任務(wù)分開，采用實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)和合理的軟件結(jié)構(gòu)，使多個(gè)控制任務(wù)的精度和響應(yīng)速度都多達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，以前此類設(shè)備都是從美國的一家公司進(jìn)口，成本較高。為了加快大型設(shè)備國產(chǎn)化的步伐，鼓勵(lì)開發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高技術(shù)含量產(chǎn)品，國家科委給予此項(xiàng)目支持基金90 萬，用于進(jìn)一步研究和開發(fā)。