摘 要: 該文采用DSP控制技術(shù)和USB2.0接口,利用組態(tài)軟件平臺(tái)開(kāi)發(fā)了一套應(yīng)用于材料試驗(yàn)的CAT系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了力-位移曲線的實(shí)時(shí)測(cè)量和圖形動(dòng)態(tài)顯示、拖動(dòng)機(jī)構(gòu)計(jì)算機(jī)控制、采集數(shù)據(jù)匯總與報(bào)表輸出。該系統(tǒng)具有一定的通用性,可應(yīng)用于其他試驗(yàn)機(jī)。
關(guān)鍵詞: 計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試; 監(jiān)控; 組態(tài)軟件; 材料實(shí)驗(yàn)機(jī)
1 引言
組態(tài)軟件是數(shù)據(jù)采集與過(guò)程控制的專用軟件,可以為用戶提供快速構(gòu)建工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)監(jiān)控功能的通用軟件工具,它能支持各種工控設(shè)備和常見(jiàn)的通信協(xié)議,實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)、SCADA、通訊及聯(lián)網(wǎng)、開(kāi)放數(shù)據(jù)接口等內(nèi)容,其組態(tài)方式靈活,易于構(gòu)建一套最適合實(shí)際需要的應(yīng)用系統(tǒng)?!敖M態(tài)王”軟件是運(yùn)行于Microsoft Windows 98/2000/NT/XP/2003操作系統(tǒng)下的組態(tài)軟件,采用了多線程、COM組件等新技術(shù),實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)多任務(wù),軟件運(yùn)行穩(wěn)定可靠,廣泛地應(yīng)用于工業(yè)控制和計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試(CAT) 領(lǐng)域。本文利用組態(tài)軟件平臺(tái)開(kāi)發(fā)了一套應(yīng)用于材料試驗(yàn)的CAT系統(tǒng),介紹了其實(shí)現(xiàn)的方法和過(guò)程。
2 模塊化CAT系統(tǒng)的組成
材料試驗(yàn)機(jī)CAT系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì),分成權(quán)限管理模塊、試驗(yàn)方案模塊、試驗(yàn)?zāi)K、曲線分析模塊、數(shù)據(jù)查詢模塊、標(biāo)定模塊等若干個(gè)模塊,這樣做的好處是方便升級(jí),系統(tǒng)的組成如圖1所示,各模塊的主要功能如下:
權(quán)限管理模塊是從安全性的考慮,為了方便分權(quán)限管理,設(shè)計(jì)了權(quán)限以及操作者識(shí)別功能;試驗(yàn)方案模塊是幫助用戶設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案或檢驗(yàn)用戶的方案是否合理和優(yōu)化;試驗(yàn)?zāi)K和標(biāo)定模塊用于試驗(yàn)項(xiàng)目與參數(shù)的設(shè)定,是針對(duì)不同的實(shí)驗(yàn)對(duì)象和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容開(kāi)發(fā)的,以滿足不同用戶的需求;曲線分析模塊可以對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,繪制出力-位移曲線;數(shù)據(jù)查詢模塊允許用戶查詢與試驗(yàn)有關(guān)的各種數(shù)據(jù)。
[align=center]
圖1 CAT系統(tǒng)的組成模塊[/align]
3 CAT系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
材料試驗(yàn)機(jī)CAT系統(tǒng)的工作程序?yàn)椋貉b夾試驗(yàn)件-電動(dòng)缸作往復(fù)運(yùn)動(dòng)-按給定的加載速率進(jìn)行加載至材料失效-停止運(yùn)動(dòng)-卸下試驗(yàn)件-電動(dòng)缸返回指定位置—打印實(shí)驗(yàn)結(jié)果。因此必須完成試樣夾緊、拖動(dòng)、數(shù)據(jù)采集、計(jì)算機(jī)監(jiān)控和故障診斷等功能,該系統(tǒng)該系統(tǒng)采用力控制系統(tǒng),由用戶試驗(yàn)項(xiàng)目及參數(shù)的設(shè)定,通過(guò)力傳感器加載和檢測(cè)力,并將檢測(cè)值反饋給計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理和顯示力-位移曲線。
為保證結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)潔性,采用MCL-Z系列柱式拉壓力傳感器,這種類型的傳感器結(jié)構(gòu)兼顧于柱式和S式的優(yōu)點(diǎn),結(jié)構(gòu)緊湊,測(cè)量精度高,抗偏能力強(qiáng)。位移量的檢測(cè)采用NS-WY01型位移變送器?,F(xiàn)場(chǎng)信號(hào)有模擬量和數(shù)字量輸入/輸出,使用I-7000系列工業(yè)I/O模塊,通過(guò)RS-485//232轉(zhuǎn)換器I-7520與工控機(jī)的RS-232口進(jìn)行雙向通訊,實(shí)現(xiàn)分布式采集。其硬件原理圖如圖2所示。
[align=center]
圖2 CAT系統(tǒng)的硬件原理圖[/align]
在進(jìn)行系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)時(shí),采用了全數(shù)字閉環(huán)測(cè)控系統(tǒng),它具有許多先進(jìn)的特性和技術(shù)創(chuàng)新,主要體現(xiàn)在:
1、實(shí)現(xiàn)了全數(shù)字閉環(huán)(力、位移)控制
試驗(yàn)機(jī)性能的高低主要取決于對(duì)試驗(yàn)過(guò)程的控制。系統(tǒng)采用先進(jìn)的神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制算法,可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)的在線辨識(shí),控制量在線優(yōu)化,控制環(huán)在線切換,實(shí)現(xiàn)了真正的閉環(huán)全數(shù)字控制,使得整機(jī)性能明顯優(yōu)越。
2、基于DSP的控制系統(tǒng)平臺(tái)
DSP是RISC專用型CPU,其指令系統(tǒng)針對(duì)自動(dòng)控制應(yīng)用(如FFT運(yùn)算)進(jìn)行了大量的優(yōu)化,集成了很多外設(shè)功能,適合實(shí)時(shí)工業(yè)控制與量測(cè)系統(tǒng)。本產(chǎn)品的控制芯片選用TI公司的DSP。該芯片具有40MIPS計(jì)算能力,32位定點(diǎn),集矢量控制、位置捕獲、A/D轉(zhuǎn)換等多項(xiàng)外設(shè)功能于一體,是高端工控領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛的一款CPU,也特別適合試驗(yàn)機(jī)的控制要求。
3、采用USB通訊
USB是今后通訊發(fā)展方向的主流,具有通訊速率高,可靠,通訊方式靈活多樣(有控制、中斷、批量、實(shí)時(shí)等)等優(yōu)點(diǎn),正逐步成為通訊的主要方式。采用USB2.0通訊,具有54Mb/s通訊速率。其具有硬件校驗(yàn)、硬件應(yīng)答等功能。
4、避免了誤碼、丟碼等常見(jiàn)的通訊缺陷
由于USB通訊技術(shù)的采用,將大大增強(qiáng)PC機(jī)與試驗(yàn)機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸能力,改善PC機(jī)的人機(jī)交互界面,提升試驗(yàn)機(jī)控制系統(tǒng)的整體綜合性能。
5、8路高精準(zhǔn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及3路光電編碼器位置捕獲模塊
數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由8路高精準(zhǔn)24位A/D轉(zhuǎn)換通道組成。最高可達(dá)±4000000碼,分辨率達(dá)1/300000,全程不分檔。A/D轉(zhuǎn)換速度和增益可在線編程。3路光電編碼器位置捕獲系統(tǒng),允許正交碼脈沖頻率可高達(dá)5MHz,具有糾錯(cuò)、辨向、計(jì)數(shù)等功能。
4 CAT系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
該試驗(yàn)機(jī)選擇“組態(tài)王6.5”作為上位機(jī)組態(tài)軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái),并利用其生成控制系統(tǒng)時(shí)的人機(jī)界面,作為系統(tǒng)的管理站和程序員終端用來(lái)開(kāi)發(fā)和下裝各種控制算法和數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)控制。操作員站通過(guò)組態(tài)軟件,提供了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通訊、系統(tǒng)狀態(tài)顯示、工況圖形顯示、歷史趨勢(shì)顯示、實(shí)時(shí)控制曲線顯示、控制參數(shù)修改、參數(shù)列表功能、報(bào)警管理功能、報(bào)表打印、操作員操作記錄等功能。
4.1界面設(shè)計(jì)
界面設(shè)計(jì)首先應(yīng)從美學(xué)和人機(jī)工程學(xué)考慮,使界面具有優(yōu)良的布局和友好的操作性,同時(shí)還應(yīng)盡量減少操作的次數(shù)和時(shí)間,提高輸入的效率,為此本系統(tǒng)將主要監(jiān)控對(duì)象、力-位移變化趨勢(shì)曲線及其數(shù)值量、控制開(kāi)關(guān)元件等各種操作集中放置在此界面上,并按功能相似性劃分了五個(gè)區(qū):圖標(biāo)菜單區(qū)、控制元件區(qū)、圖形顯示區(qū)、參數(shù)調(diào)節(jié)和顯示區(qū)、按鈕命令區(qū)。界面如圖3所示。
[align=center]
圖3 系統(tǒng)主界面設(shè)計(jì)[/align]
4.2力-位移曲線的生成
進(jìn)行疲勞強(qiáng)度試驗(yàn),載荷從零開(kāi)始平緩地増加,在加載過(guò)程中,桿件各點(diǎn)的加速度很小,可以忽略不計(jì),載荷加到最終值后不再變化,這也就是靜載荷。對(duì)汽車座椅調(diào)角器的靜強(qiáng)度試驗(yàn)是動(dòng)、靜載荷相結(jié)合的力作用,其過(guò)程中應(yīng)力平均植可由下式計(jì)算:
δm=(δmax +δmin)/2 (公式1)
式中:δm為應(yīng)力平均值;δmax為過(guò)程中最大應(yīng)力值;δmin為過(guò)程中最大應(yīng)力值。
以上計(jì)算過(guò)程通過(guò)組態(tài)王軟件編程實(shí)現(xiàn)。同時(shí),將位移量定義為X坐標(biāo),加載力作為Y坐標(biāo),對(duì)I-7017模塊和拉力傳感器采集的模擬信號(hào)進(jìn)行動(dòng)畫(huà)連接,在計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控界面中的“XY趨勢(shì)曲線圖”中將實(shí)時(shí)的顯示力-位移的變化情況。力-位移曲線的監(jiān)控界面如圖4所示。
[align=center]
圖4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理界面[/align]
4.3電機(jī)控制
該試驗(yàn)機(jī)對(duì)電機(jī)的控制主要包括電機(jī)啟、??刂?,正、反轉(zhuǎn)控制,回原點(diǎn)控制,極限位置的行程保護(hù),報(bào)警系統(tǒng)。考慮到操作的方便性,電機(jī)控制直接在主界面中顯示。
4.4數(shù)據(jù)匯總及報(bào)表輸出
在此界面中主要有報(bào)表和數(shù)據(jù)處理菜單的設(shè)計(jì),在報(bào)表中對(duì)試驗(yàn)所需數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄,并可由數(shù)據(jù)處理菜單對(duì)其進(jìn)行處理,包括報(bào)表的頁(yè)面設(shè)置、打印預(yù)覽、立即打印、數(shù)據(jù)查詢等功能。在報(bào)表中利用Date函數(shù)對(duì)實(shí)驗(yàn)日期進(jìn)行顯示和記錄,利用Time函數(shù)對(duì)實(shí)驗(yàn)時(shí)間進(jìn)行顯示和記錄。主要程序段如下:
if (MenuIndex==0) //對(duì)數(shù)據(jù)報(bào)表進(jìn)行頁(yè)面設(shè)置//
?。?
ReportPageSetup("數(shù)據(jù)報(bào)表");
?。?
if (MenuIndex==1) //對(duì)數(shù)據(jù)報(bào)表進(jìn)行打印預(yù)覽//
?。?
ReportPrintSetup("數(shù)據(jù)報(bào)表");
?。?
if (MenuIndex==2) //對(duì)數(shù)據(jù)報(bào)表進(jìn)行打印操作//
?。?
ReportPrint2("數(shù)據(jù)報(bào)表");
?。?
if (MenuIndex==3) //在報(bào)表中對(duì)所需數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢//
?。?
ReportSetHistData2(3,1);
?。?
為了用戶的操作方便,在報(bào)表的右邊特別設(shè)置了界面切換按鈕,可實(shí)現(xiàn)在不同的界面中隨意轉(zhuǎn)換。
部分CAT系統(tǒng)存在數(shù)據(jù)量大的特點(diǎn),此時(shí)可改用Access數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行CAT系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理。在系統(tǒng)ODBC數(shù)據(jù)源中添加mdb數(shù)據(jù)庫(kù),接著通過(guò)組態(tài)王中的SQL訪問(wèn)管理器建立與該數(shù)據(jù)庫(kù)的聯(lián)系,在組態(tài)王中調(diào)用SQL函數(shù)可實(shí)現(xiàn)查詢、追加、刪除、報(bào)表等操作[2]。
5 結(jié)束語(yǔ)
利用組態(tài)軟件進(jìn)行CAT系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)可大大縮短程序設(shè)計(jì)周期,加快工程開(kāi)發(fā)速度。組態(tài)軟件提供了靈活的工具和模塊,人機(jī)交互界面友好,自動(dòng)化程度高,系統(tǒng)功能易于實(shí)現(xiàn)和維護(hù),具有易于擴(kuò)展的優(yōu)點(diǎn)。
本文作者創(chuàng)新觀點(diǎn):硬件設(shè)計(jì)基于DSP的控制系統(tǒng),采用USB通訊,利用先進(jìn)的神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制算法,實(shí)現(xiàn)了真正的閉環(huán)全數(shù)字控制。軟件設(shè)計(jì)采用組態(tài)軟件進(jìn)行CAT系統(tǒng)的開(kāi)發(fā),有效解決了用計(jì)算機(jī)語(yǔ)言如VC、VB進(jìn)行開(kāi)發(fā)所帶來(lái)的上手困難、開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)、通用性差的問(wèn)題。程序界面友好直觀,便于用戶進(jìn)行更改和擴(kuò)充升級(jí),經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單修改即可移植到其他CAT系統(tǒng)中。
參考文獻(xiàn)
[1] 北京亞控科技公司.組態(tài)軟件使用指南[Z].北京:北京亞控科技公司,2005.
[2] 孫明革,朱喜林.基于組態(tài)王軟件下的SQL數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)[J]. 微計(jì)算機(jī)信息,2005,(7)(3-1):109-111.
[3] 研華科技股份有限公司.ADAM4K-5K用戶手冊(cè)[Z].北京:研華科技股份有限公司,2004.