（电力电子与电力传动专业论文）ht1封隔器胶筒油浸试验系统测控软件设计及开发.pdf

西北工业大学硕十论文 a b s ”a c t a b s t r a c t i nt h i st h e s i s ，t h em e a s u r e m e n ta n dc o n t r o lp r o b l e mo fb l o c k i n gr u b b e rt u b e t e s t i n gs y s t e m ( b r t t s ) i ss t u d i e d b r t t si s u s e df o rt e s t i n gt h ep e r f o r m a n c eo f b l o c k i n g r u b b e r t u b e ( b r t ) u n d e rv e r yh i g ht e m p e r a t u r e a n d p r e s s u r e e n v i r o n m e n t s s i m u l a t i n g t h eu n d e r g r o u n dw o r k i n gc o n d i t i o n s b r t s a r e v e r y i m p o r t a n tc o m p o n e n t s a n dw i d e l yu s e di no i l f i e l du n d e r g r o u n d d e v i c e s t h e d e t e r i o r a t i o ni nb r t p e r f o r m a n c e w i l lr e s u l ti ng r e a te c o n o m i cl o s s b r t t si n c l u d e sp r e s s u r ec o n t r o ls u b s y s t e ma n d t e m p e r a t u r ec o n t r o ls u b s y s t e m i nt h i st h e s i s ，t h et w op a r t s h a r d w a r ec o n s t r u c t i o na n ds o f t w a r er e a l i z a t i o na r e d e s c r i b e d t h ee l e c t r i c a la n ds p e c i f i c a t i o n sr e q u i r e m e n t si nb r t t sa r ei n t r o d u c e d a c c o r d i n gt ot h eu s e r sr e q u i r e m e n t s ，t h es o f t w a r eu s e di nc o n t r o ls y s t e mm u s tb e p r o g r a m m e d w i t hv c + + 6 0 t h eh a r d w a r ec i r c u i t si n c l u d i n ga d ，d a ，i o ，v ia r e d e s i g n e d t h es o f t w a r em o d u l e s a r ec l a s s i f i e db ys y s t e mf u n c t i o n s t h e e m p h a s i si sp u to nt h es o f t w a r ed e s i g n m f ca n da c t i v e xt e c h n o l o g ya r e u s e df o rt h e i m p l e m e n t a t i o n o fm a n yc o m p l i c a t e df u n c t i o n si nt h e a p p l i c a t i o n p r o g r a m t h em a i nf u n c t i o n s a r ed a t aa c q u i s i t i o n ，d a t ap r o c e s s i n g ，t h er e a l t i m e s u p e r v i s i o na n da l a r m i n go f m u l t i c h a n n e lt e m p e r a t u r e p r e s s u r ea n ds y s t e mc o n t r 0 1 t h es o f t w a r ea l s oi n c l u d e s d y n a m i c d a t a d i s p l a y ，d a t am a n a g e m e n t ，r e p o r t g e n e r a t i o n a n d p r i n t i n g ，a n dh i s t o r y d a t a b r o w s i n g f u n c t i o n sw i t h v e r yg o o d u s e r i n t e r f a c e s y s t e mh a sb e e nd e b u g g e da n dr u n sn o r m a l l y t h ep r a c t i c a lo p e r a t i o n ss h o w t h a tt h ep r o g r a mi so fh i g hr e l i a b i l i t ya n dm a i n t a i n a b i l i t y k e yw o r d s ： b l o c k i n gr u b b e r t u b e d a t aa c q u i s i t i o n i n t e r f a c ec i r c u i t r e a l - t i m es u p e r v i s i o n i n d u s t r i a lc o m p u t e r 嚣j 置监夫学醺七论文第一嚣绪论 第1 章绪论 1 1 引言 并下工其魁采油机械豹踅要组成部分。油并深度般在千米左右，每口井的 或本霹蔫逸子万元；在建表深屡瓣著下，工嚣中努复杂，疆力逛耀当大；燕慕 井下的工熙性能不合格，在工作中一旦豳现质爨问题，就会带来非常篷大的损 失：因此建立先进、可靠的并下工作模拟环境，通过科学的试验方法来骏证井 下王其夔靛鹱菲鬻必要。 长期实践袭明，娶碜 制出适用于油蹦生产的井下工具，必须经过大囊的生 产实际使阁，和不断改进才能完成。但鼹，这种依靠采油生产现场来完成一件 _ 互鼷藏设备懿羧遴，嚣要藏费缀长魏霹藏；焉裁并下工嚣复杂，工艺参数帮有 关数据的梭i 贝! 樱当困难，这些都会魁工具的改避沓来一定黪富星性。为加快对 先避井下工具的研制速度和掇高井下工县的研制水平，促进我国并下工具的研 究翁发震，必须建立一个麓攘援实鼯并下环境憝并下工其试验系统。 在我隧，建立套完整的、能模拟井下巧境的井下王舆检测蓉绞是避十年 内才提出的。在此之前，国内各大油田及油田开发研究院只有少熬比较简单的 遥予并下工兵熬稔溅设备，这些设器无著下工魏模毅系统，掇上测试技术落看， 不熊满足井_ f 工具的斟研秘生产嚣要。隧对，以往的势下工具浆壤量判定是邋 过一些简帮的传统的测试，幽人工来读取仪表的数值，根据经验判断井下工具 匏黪麓是甭 专合要求。这秘方法对溺试人员静要求褶警高，必须其有丰富靛实 践经验，躲便掘此，试验静璇礁度瞧无法把握。 论文主要研究了封隔器胶筒油浸高温高压试验系统的设计与实现问题。该 装鬻楚模数封黼器胶篱著下工况，猩一定的溢浚( 2 0 0 ) 和砸力( i o o m p a ) 下， 对封隔器胶篱避葶亍性能试验考核的缝蘑试验系绞。渔势鸷隔器是瀵疆避括势艨 开采的主臻井下工具，蕻性能和寿命会影响油井作业措施的成败。而封隔器胶 篱又是封黼器抟关毽器释，鬣接关系弼封隔器绱密封和使用寿命。因此对封黼 器黢翁模羧共下王况，进行离瀑意援强纯试验裙数据捻溅，不铰辩瑟墅封疆嚣 西北工业大学硕士论丈 第一章绪论 的开发研制具有重要意义，对已经推广使用的封隔器，定期进行抽样检测，确 保其使用安全可靠，也是必不可少的。 本文根据实际需要，阐述了模拟井下工具试验环境的建立和使用计算机技 术完成封隔器胶筒油浸高温高压试验系统的设计和实现。当今世界，计算机以 其强大的计算处理、逻辑判断、信息保存能力，进入了社会的各个领域。本文 中论述的试验系统充分利用了计算机的强大功能，完成了封隔器胶筒油浸高温 高压试验的数据采集、数据存储、控制算法的执行、控制数据的发送、试验的 事后处理、试验的实时显示等功能。整个系统的可靠性、准确性、科学性、可 扩充性以及自动化程度都得到了明显的提高。在论文期间完成了以下工作： 1 对封隔器胶筒油浸高温高压试验系统的工作原理进行了深入细致的研 究。 2 根据系统总体要求，制定了系统的总体设计方案，包括硬件和软件两部 分。 3 详细介绍了硬件设计与实现。 4 对试验系统的控制软件的总体结构进行了设计，根据系统功能进行了功 能模块的划分，并完成了代码编写和程序调试。 论文共分为四章，第二章介绍了系统的总体方案设计；第三章介绍了硬件 部分的设计和实现；第四章介绍了软件部分的设计和实现。 1 2 封隔器胶筒油浸试验系统简介 封隔器胶筒油浸高温高压试验系统以工业计算机为控制核心，结合高压油 泵系统、电源、电控柜、油路参数、试验台体等构筑成了封隔器胶筒使用环境 的半物理仿真系统，模拟封隔器胶筒井下工况，在一定的温度和压力下，对封隔 器胶筒进行性能试验考核的地面试验系统。系统的结构如图1 1 所示。通过计 算机发出控制指令，对加热套管进行自动加温，待温度达到试验温度并稳定后， 自动启动泵源、同时依次开启坐封回路、上压回路、下压回路的压力阀门控制 机构，按预定要求对试验套管进行打压试验，以考核胶筒的性能指标。 系统采用全自动远程控制手动冗余结构，以保证系统的高可靠性。系统 控制室与试验问分离、系统内部对强弱电采取隔离措施，交流电源与信号线隔 2 堕j ! 三些盔堂顾士逢塞第一章绪论 离，控制信号选用屏蔽电缆且外屏蔽接地等措施，提高了系统的抗干扰能力 保证了系统安全可靠的工作。 图1 1 系统结构图 封隔器胶筒油浸高温高压试验系统主要由压力控制和温度控制两大子系统 组成。压力控制系统包括高压泵及其稳压控制回路，供压管线，坐封、打压、 泄压电动阀及其控制回路，压力变送器及数据采集、显示系统，实验套管。温 度控制系统包括油浸罐，导热油，加热器，温度传感器及数据采集系统，p i d 控 制及显示系统。 另外还包括计算机控制系统。计算机作为控制和数据处理核一i i , ，通过温度、 压力传感器，经变换，采集温度与压力变化数据，经过一系列处理，根据不同 的指令参数去调节执行元件的动作，以完成不同的任务。同时能够自动生成数 据文件并定时存储，根据需要打印报表和适时查阅数据曲线。 系统主要技术指标 1 温度 测试范围：室温一一2 0 0 西北工业大学硕l 论文 第一章绪论 测试精度：1 控制精度：3 超温报警，自动断电 2 压力： 工作范围：o 一1 0 0 m p a 稳压精度：1 m p a 测试精度：0 2 m p a 压力传感器精度：0 2 级 3 装置可连续运行时间：t 2 0 0 小时 4 正常工作情况下，数据存储周期为3 0 分钟，工作异常情况下数据存储 间隔为0 0 1 秒：采样周期t s 0 0 1 s 5 计算机适时数据采集处理，定时存储，模拟量参数输入输出，检测条 件参数修改及适时曲线显示，打印报表。 4 西北工业大学硕士论文 第二章系统总体方案设计 第2 章系统总体方案设计 2 1 系统总体要求 封隔器胶筒油浸高温高压试验系统主要研制的内容包括：液压控制系统设 计、温度控制系统设计、配电系统设计及软件流程设计和汇编。本文所做的主 要工作是软件程序的设计和实现。 整个过程需要实现计算机测控，通过计算机发出控制指令，对加热套管进 行自动加温，待温度达到试验温度并稳定后，自动启动泵源、同时依次开启坐 封回路、上压回路、下压回路的压力阀门控制机构，按预定要求对试验套管进 行打压试验，以考核胶筒的性能指标。在计算机控制系统的设计和实现过程中 应共同遵守的设计原则如下： ( 1 ) 安全可靠 工业控制计算机不同于一般的用于科学计算或管理的计算机，它的工作环 境比较恶劣，周围的各种干扰影响着它的正常运行，而且它所担当的控制重任 又不允许它发生异常现象。因此，在设计过程中，要把安全可靠放在首位。首 先要选用高性能的工业控制计算机，保证在恶劣的工业环境下，仍能正常运行。 其次是设计可靠的控制方案，并具有各种安全保护措施，比如报警、事故处理、 事故预测、不间断电源等。为了预防计算机故障，还常设计备用装置，对于一 般的控制回路，选用手动操作作为后备。 ( 2 ) 操作维护方便 操作方便表现在操作简单、直观形象、便于掌握，并不强求操作工人要掌握 计算机知识才能操作。既要体现操作的先进性，又要兼顾原有的操作习惯。维 修方便体现在易于查找故障，易于排除故障。 ( 3 ) 实时性强 工业控制机的实时性，表现在对内部和外部事件能及时地响应，并做出相 应的处理，不丢失信息，不延误操作。计算机处理的事件一般分为两类，一类 是定时事件，如数据的定时采集，运算控制；另一类是随机事件，如事故、报 s 嚣恕_ _ 】：= 监天学硕 = 论文 第二章系统总体j 案设汁 警等。对于定时事件，系统设置时钟，像证定时处理。对予睫枧事 牛，系统设 置中断。 ( 4 ) 通溺性好 诗算凝控裁游对象予变万讫，工监控裁并舞秘翁婿锈帮开发灞要定的投 资和周期。一般来说，不可能为一台装置或一个生产过程研制一螽专用的计算 机。尽管对象多种多样，但从控制功能来分析归类，仍有共性。比如，过程控 制对象戆输入、埝遗绩号统一鸯0 l o m a ( d c ) 或4 2 0 m a ( d c ) ，因魏系统设 计时应考虑能适应各种不同设备和各种不同控制对象，按照控制要求灵活构成 系统。这就要求系统的通用性好，并能灵活地进行扩充。工业控制机的通用灵 活淫体褒在两方疆，一是硬佟模块设计采霜标准总线结构，配置锫释遴糟静功 能模块，以便在扩充功能时，只需增加功能模掇就能实现；二是软件模块或控 制算法采用标准模块结构，用户使用时不需要二次开发，只需按凝求选择各种 功麓模块，灵活稳进行控澍系统组态。 ( 5 ) 经漭效益藏 计算机控制应该带来高的经济效益，系统设计时要考虑性能价格比，要存 市场竞争意识。经济效益表现在两个方面，一熄系统设计的性能价格比耍尽可 能静裹；= 是投入产凄魄要签霉能匏蘸。 计算机测控系统主要完成的功能如下： ( 1 ) 参数输入和设置：包括基本参数输入和系统参数设置。油浸罐的一些 基本参数怒：检验编号、产晶名称、生产日期、产品编号、检验臼期、检验温 度、捡验余震、猃验套管内缀、坐辫篷力设定蕊、活塞覆获、工箨压差浚定餐； 系统参数设置包括采样周期设定、存储时间设定、控制误差设定、报警参数设 定。这些参数没有输入完整之前系统是不能开始工作的，这时如果按下开始按 锾系统会绘出撬示“输入宠蒸本参数”。 ( 2 ) 数据采集处理；按一定的采样频率采集试验数据，包括溺度积压力。 定时存储，检测条件参数修改，包括三个功能：历史数据查询、当前记录显示、 擐表打鼙。历史数据套诲要求摄据输入静检验编号可戳蹇出莱一缀黢篱的试验 数据如时间、温度、压力，同时生成报表可以打印出来以供分析试验数擐。逐 嚣乾 二垃丈学磺王谚文 第二章系统巷髂方案蹬计 可以查询胶筒的温度、压力与时间的关系曲线。 ( 3 ) 试验的实时动画显示：即用动喇的形式真实得表现试验的当前状况， 戳溪清赣懿褒察弱试验进行的过程，如菜个润门的开关状态、各个按锈开关的 状态、实时曲线鼹示，动态鼹示油浸试验系统的工艺流程凰。 ( 4 ) 报警功能：包括温废越限报警和压力越限报警，温度超过设定值的5 自动断嘏保护，压力超过设定值的5 自动报警。 2 。2 系统方案设计 2 2 1 总体方寰设计 根据试验系统要求和其基本原理，图2 1 为测控系统的总体方案原理图。 铡撩计算机：测控计算机是整个计弊杭测控试验系统的核心，完成与用户 进行交互、数提采集、计算枫控制等功熊。测按计算机是整个设诗故重点。农 后面章节熙会详细介绍测控计算机的软硬件设计。 传戆器和橱能仪表：传感器分为：压力传感器，用于测量油泵压力、坐封 力、上压、下悉；湿发传感器，用予测量试验蝰壤静滠度等。黉感器黪 乍臻楚 将非电信号的物理量转化为一定比例的电信号。再传输到仪表柜。智能仪表的 作用将温艘传感器测来的信母以串行数据电脉冲的形蓟：通过r s 一4 8 5 串口线直接 接竣到测拣诗算祝，餐戆仪表采爱的是丈延薄d y 一2 0 0 0 系列鳃党校豢数字显示 p i d 调节仪表。 二次仪表柜：含有以下部分：三组加热褰管温度数字控制懿示表；总液 压髫路压力( 泵压力) 、坐封惩力、及三缝工终套管上下压嚣力数字显示表：耄 液比例阀放大器( 手动调节旋钮与电源开关) ；控制极电源开关( 空气开关) ： 1 3 组电动阀司服控制器；工控机主机接线端口；信号条理板及接口板：接线端 子及捶座，摇头；线装奁漉魄源。传感嚣将测褥装邀蔼号稽徐裂二次役褒柜； 仪表柜将接受到的信号显示在内部的数码表上，便于用户观察；同时由予传感 器检测到的信号一般都比较微弱，不便于计算机进行处理和数据的分析；仪表 柜还要对传感嚣传来静徽弱信号按一定豹院钢逡行敖夫；然磊耨镄号传输弱澜 控枢中。仪表桅蕊板图如图2 2 所示： 事 西北t 业大学硕士论文 第二章系统总体方案设计 幽2 1 测控系统原理图 执行柜：测控计算机通过测控柜发出的控制信号( 包括模拟信号和开关信 号) 输出到执行柜；执行柜显示接收到的控制信号，可以观察控制信号发送是 否正确；执行柜同时还将开关量和模拟量按一定的比例进行放大，再将放大后 的模拟信号和开关量信号发送到执行元件。 执行元件：执行元件根据接收到的执行柜发送来的开关量控制信号和模拟 量控制信号，驱动试验器材完成一定的动作：开关信号如油泵、加热、坐封、 上压、下压阀的打开或关闭；模拟信号用于调节温度、压力等。 数据采集：测控计算机的数据来源分为两类：传感器采集的模拟信号和智 能仪表的串行信号。传感器采集到的试验数据经仪表柜放大，传输到测控柜的 航空插座，航空插座转接到输入接口端子板。接口端予板再将信号发送到测控 计算机，由于传感器测得的信号是模拟信号，测控计算机还必须配备一定的硬 件将模拟信号转化为计算机能够处理的数字信号；智能仪表将串行信号直接传 8 西北工业大学硕l 论文第二章系统总体方案设计 输到测控计算机，测控计算机还需要将串行信号转化为字节数据。 图2 2 仪表柜面板倒 计算机控制：测控计算机发出的控制数据分为两种信号：开关量控制信号 和模拟量控制信号，计算机只能输出数字数据，需要经过一定的转换后成为一 定的开关信号和模拟信号输出计算机。 本系统主要有两大部分构成即温度控制子系统和压力控制子系统。连接两大 系统的是计算机管理系统，从而构成一个完整的封隔器胶简油浸高温高压试验 q 西北工业大学硕士论文 第二章系统总体方案殴计 系统，系统的控制结构模块图如图2 3 所示 图2 3 系统控制结构模块图 2 2 2 测控系统的硬件设计 测控计算机在本试验系统中担负着指挥和控制整个试验过程的功能，因此， 测控计算机的设计在整个试验系统中相当重要。怎样充分利用已有资源，节省 程序设计的工作量，高效而充分的完成计算机控制的任务是设计的关键。测控 计算机的各项功能都是通过设计的测控软件和配置的计算机硬件来完成的，软 硬件的设计必须紧密配合。下面首先介绍测控计算机的硬件设计。为实现测控 计算机的控制功能，测控计算机需配置完成一定功能的硬件。 a d 卡：a d 转换器是数据采集电路的核心部件，正确选用a d 转换器是 提高数据采集电路性能价格比的关键。包括很多采集通道，分别采集不同的试 验数据。每个a d 通道同测控柜中输入接口端子板的一路通道相连。传感器采 集到的信号通过测控柜航空插头送到输入接口端子板的一路通道，接1 2 1 端子板 强起王业丈学颧圭论文 第二毒系统落体方案设诗 再将通道的信号输入到测控计算机a d 卡的一个通道上；a d 卡将模拟信号转换 为数字信号输入到计算机中。由此，测控计算机便完成了试验模拟数据采集任 务。 d a 卡；模拟控制信号的输出主要完成试验中的各项物理数值的调节( 如 试验中温度、压力的调节) 。计算机输出的是各个试骏数值，而试验现场需要的 是缝够驱动试验器材静模叛信号。计算辊无法矗接输密模羧控割信号；需要凝 置数字信号向模拟信号转换接口卡即d a 卡，将计算枫输 妊的不同数字控制傣 号输出到d a 卡对应的不同通道上，d a 卡将各个通邋的数字信号转换为模拟信 号，输赉翻溺羧柜输滋接西端子援豹各路通道；输窭接西端子校褥输密蜀瓶行 元件，以调节温度、服力。 串行数据接收卡：智能仪表采集的信号为串行信号，串行数据也不便于计 算梳楚莲，需要配备率行数据接蔽卡转羧串褥数摇梵字节数据。 开关量接口卡：测控计算机输出数据0 ( 1 ) ，分别代表夕 界开关的挺开( 关 闭) ( 如试验中油泵阀的打开或关闭) 。执行元件无法识别这种二进制数据。配 备开关羹接口卡将二迸翻数据转换为高( 低) 龟平信号。开关量接口卡的不阏 通遂，再发送到对应的澳控框输出接口端子板的各路通道，输出接口端予扳将 开关量信号发送到相威的执行元件。 壤据系统的总幸搴方案，为了缣证系统可靠运行和提高抗干扰熊力，作为测 控系统，控制计舞枫选用台湾研华工控极( c p up i l l 8 6 0 、2 5 6 m 内存、硬熬4 0 6 、 1 9 ”显示器) ，工控机具有以下显著特点： 可靠往离和可维修性好。可靠性和可维修性是两个菲常重簧的因索，它 们决定着系统农控制上鲍可用程度。 环境适应性强。工业环境恶劣，这就要求工控机适成高温、高湿、震动、 冲击、灰尘等环境，并且其有极商的电磁兼容性。 控测兹实时性。工控极应爨毒时阀驱或黢事传驱动熊力，要对过程工援 变化实时地进行监视和控制。 完善的输入输出通道。如模拟量输入、禳拟量输出、开关爨输入、开关 量输出、入一极逶逐等竣各。 丰富的软件。 蘑耗乏兰堕字臻主鎏文第二章襄绕慧体疗蹇设待 适当的计算机精度和运算速度。 根据系统要求主板、通讯接口及a d 转换板、d a 转换板、开关量i o 板等 均选用著名厂家斡高品质产品。 2 2 3 测控系统鳇软件设计 作为个计算机测控系统的软件设计，编程和调试是整个系统设计中最主 要的任务之一。测控软件的设计原则是充分完成试验功能和用户提出的含理要 求；尽量稳方捷掰户缓瘸，赛瑟美观，功驻齐全。溺攘软 孛豹设计，必须蓉先 明确测控软件将簧实现的功能。由于整个试验系统都是由试验操作人员操作测 控计算机( 实际上就是将要设计的测控软件的运行) 来完成试验，所以测控软 传豹设计羹应当了解用户静蓑求，分板软 孚要完成的功麓以及要达到的程能。 充分发挥硬件资源，驱动相应的各种硬件扩展卡，提供人机交互界砸，完成测 控任务。以用户界面的形式完成，用户界面的设计原则是操作方便、简单，有 一是的保密性帮及时的错误提醒臻缝。在设计辩，首先要求输入瑶户日令如图 2 4 所示，港输入不正确则停止下一步运行，输入正确则进入系统主界厦。 闰2 4 系统口令输入对话框 软件设计采糟结构化设计籁模块纯编程相缩合酌软件设计方法。所谓“模 块”就是搬具有一定功能、相对独立的程序段，这样一个程序段可以著作为 个可调用的子程序。所谓“模块化”编稷，就是把整个程序按照“自顶向下” 的设计原剃，从艇体到局部再到细节，一层一艨分解下去，一直分解到最下鼷 1 2 西：f e 工业大学硕t 论文 塑三望墨笙：坠堡变墨堡：| 模块化编程也就是积木式编程方法，这种编程 的每一模块能容易编码时为止。 方法的主要优点是： 单个模块比起一个完整的程序容易编写、查错和测试： 有利于程序设计任务的划分，可以让具有不同经验的程序员承担不同功 能模块的编写： 模块可以共享，一个模块可以被多个任务在不同的条件下调用； 便于对程序进行查错和修改。 测控软件要求完成以下功能： ( 1 ) 提供人机界面：测控软件需要美观而清晰的试验界面。显示试验数据， 清晰地提示用户操作软件，提供用户输入试验数据、发出命令软件接口，以便 实现用户对试验的控制。 ( 2 ) 数据采集：系统要求测控软件要能够不失真地采集试验的各种数据。 采集数据的一个重要问题是采样率。虽然整个试验系统需要采集的信号基本都 属于变化频率较慢的信号，但测控软件采集数据仍必须具有一定的采样率，以 保证采集的数据不失真。 ( 3 ) 计算机控制：试验进行的过程中，需要用计算机控制油泵的开关，坐 封、上压、下压、加热按钮等。这些试验环境的设定是通过用户在试验界面上 输入控制数据和控制指令，测控软件根据接受到的数据和命令，执行一定的操 作，实现对试验器材的驱动。 ( 4 ) 数据存储：采集到的数据。测控软件还应当存储为数据文件，以便计 算机能够进行处理。 ( 5 ) 报警功能：主要包括温度越限报警和压力越限报警，温度超过设定值 的5 。c 自动断电保护，压力超过设定值的5 自动报警。即有实时报警，又有历 史报警。历史报警采用的是历史报警控件，在报警配置信息框中含有报警的测试 号、报警原因( 上限下限报警) 和报警值等信息，系统会记录报警的起始时问 和以上信息，以备查询。 ( 6 ) 报表打印：将试验过程中所得到的数据，在试验结束后打印出来，以 供分析胶筒性能。 分析软件需要实现的功能设计主控结构图如图2 5 所示：由图可见，测控软 匿托工业太学鞭圭论文 第二章系统慧体方案瑷计 件的所有功能都是在用户的操作下完成的，实现了用户对测控软件的控制。测控 系统软件建立在w i n d o w s 操作系统平台蕊础上，用v c + 十语言进行深层次开发 戮缀态方式进行管理，实现辩隔嚣漉浸胶篱半耪理实物仿爽。友好翁参数输入 界嘲，使人机对话更为清晰，完成参数输入后进入主控界厦进行控制。用户可 根据主要控制设备的圈标直接对其控制，如加热器加热，只须用鼠标单击加热 控裁按锤，霹幕上列爨麓热器开溺狡态。试压裂、电磁阖、奄液院移j 润、电溯 门的控制都是如此；使褥操作轻松愉快、简单明了、巍观易懂。搬握系统骶要 完成的功能设计系统主控程序流程图如图2 6 所示。 测控较箨静设计与实魏将在第4 章串详细论述。 图2 , 5 系统软件主控结构图 1 4 西北1 = 业大学硕二l 论史第二章系统总体疗案设计 图2 6 主控程序流程图 西北_ 丁业大学硕t 论文 第三章硬件设计及实现 第3 章硬件设计及实现 3 1 数据采集系统设计 数据采集系统如图3 1 所示，主要完成3 路温度信号、1 0 路压力信号的实 时采集。其中p c l 一8 1 8 l 为a d 、d a 转换板，以及数字输入输出控制，输入通 道可为1 6 路单端或8 路差动输入，模拟电压信号输入范围可设鼍为0 - 1 0 v ，0 - 5 v ， 5 v ，l o v ，分辨率为1 2 b i t ，a d 转换时间为2 0 us 。c i 1 3 4 是智能型多串 口输入输出卡，支持4 个独立的r s 一4 2 2 r s 一4 8 5 串行口。d y 2 0 0 0 是智能白整定 p i d 调节仪表。 图3 1 数据采集系统不意图 3 1 1p c l - 8 1 8 l 介绍 p c l 一8 1 8 l 板卡具有a d 、d a 转换、d i o 以及对自动设定的通道进行检测 和转换采样、记时计数等功能，精确度高、性能可靠、价格低、尺寸小、功率 低，已经广泛地应用于高速1 2 位数字处理中，居有较高的性价比。尤其重要的 是，p c l 一8 1 8 l 还具有较强的编程功能，使用v c + + 语言对p c l 一8 1 8 l 进行编程 使它能够对两种或两种以上的数据快速采集。该板具有如下显著特征： ( 1 ) 1 6 通道单端输入或8 通道双端输入( 可通过开关选择) ； ( 2 ) 1 2 位a d 转换，利用直接数据存取( d m a ) 转换采样频率可达到 4 0 k h z ，每个通道可采用不同的增益； 塑些：! 些奎兰塑主堡苎 兰三童堡堂堂生丝塞婴 ( 3 ) 软件程序取值； ( 4 ) 通过软件编程选择模拟输入的范围，两种范围可通过跳线器j p 7 选择； ( 5 ) 1 6 位数字输入数字输出，t t l d d l 兼容； ( 6 ) 一个1 2 位模拟输出通道： ( 7 ) 灵活的触发方式：包括软件触发、程序步测触发和外部脉冲出发触发； ( 8 ) 数据转换可通过程序控制、中断或d m a 完成： p c l 一8 1 8 l 板卡布局示意图见图3 2 所示： 图3 2p c l 一8 1 8 l 板卡布局示意图 s w l 是硬件设置p c l 一8 1 8 l 的i 0 端口基地址，p c l 一8 1 8 l 的地址限定在0 x 0 0 0 到0 x 3 f f 之间，它的地址不能和计算机任何已存在硬件及插接卡的地址相冲突。 附计算机i o 口地址分配图如表一，s w l 只调节地址的a 9 a 4 位，a 3 a 0 位已 定为0 。 3 p 1 为设置a d 的d m a 数据传输方式通道l 及通道3 选择联接装置。 3 p 2 为选择内部基本时钟频率为1 0 m h z 及1 m h z 联接装置。 3 p 3 有两个跳线器为选择t r i g 0 是否与d 1 0 连接及g a t e 0 是否和d 1 2 连接。 j p 4 是为p c l 一8 1 8 l 的d a 转换选择参考电压源可以使用板子的内部电源， 也可以外部提供电源。当设置j p 4 为i n t 时，d a 转换器采用板子内部参考电 压，跳线器j p 5 设置内部参考电压为5 v 或1 0 v 。当设置j p 4 为e x t 时，d a 转换器采用连接器c n 3 的3 1 针的输入电压为参考电压。当使用外部参考电压为 v r e f ，在程序中可将d a 通道的输出范围设置为0 v v r e f ，也可以将d a 转换 器作为一个程序衰减器，在参考输入和模拟输出之间的衰减系数为g 4 0 9 5 ，这 秀托工盈大擎硬 论文第三露碗 串没净及实规 里g 是你 主d a 寄存器里写的0 4 0 9 5 的任意数。 表一：计算机i 0 地址分配圈 i 0a d d r e s sd e v i c e 0 0 0 - 0 1 fd m a 控制器l 0 2 0 - 0 3 f中断控制器 0 4 0 - 0 5 f定时器 0 6 0 - 0 6 f键盘 0 7 0 0 7 f实时对钟 0 8 0 - 0 9 fd m ap a g er e g is t e r o a o - o b f中断控制器2 o c o - o d fd m a 控制器 o f o - o f f数字协处理器 1 0 0 - l e f未使用 l f o - l f 8f i x e dd i s k 2 0 0 - 2 0 7g a m ei o 2 7 8 - 2 7 f并口2 ( l p 2 ：) 2 f 8 - 2 f f串露2 ( c o m 2 ：) 3 0 0 - 3 1 f p r o t o t y p ec a r d 3 6 0 - 3 6 f保留 3 7 8 - 3 7 f荠霸l ( l p i ：) 3 b o - 3 b fm o n o c h r o m ed i s p l a y 3 c 0 - 3 c f保留 3 d o - 3 d fc o l o rg r a p h i c sd i s p l a y 3 f o - 3 f 7 d is k e t t ec o n t r o lle r 3 f 8 - 3 f f串口l ( c o m l ：) j p 5 为d a 转换肉部参考电压一5 v 还怒一1 0 v 选择联接装霭。 j p 6 必选择模拯埝入是擎壤臻入还是菱动埝入。 j p 7 为选择a d 转换器的输入电压范阑。 j p 8 j p l l 选择数字输出通道，如采设置跳线器在左边，数字输出信号将通 堪 n 2 l t _ 业大学硕论文 第三章硬件醚| 十及实现 过c n l ( 2 0 针) 连接器执行，反之是通过c n 3 ( 3 l 针) 。 c n l 为2 0 针数字内部输出双列直插接口。 c n 2 为2 0 针数字内部输入双列直插接口。 c n 3 为模拟输入输出及计数计时外部3 7 针d 型接口。 p c l 一8 1 8 l 共有1 6 个寄存器，需要1 6 个连续地址，选择基地址为b a s e + o 则 b a s e + 7 代表基地址加上7 个字节，这里选择的基地址为o x 3 0 0 。表二是这1 6 个 寄存器的功能一览表。 表二：p c l 一8 1 8 l 寄存器功能 地址读功能 写功能 b a s e + o a d 转换时的低4 位字节和通道号软件a d 触发 b a s e + i a d 转换时的高8 位字节a d 控制范围 b a s e + 2m u x 扫描通道设置 m u x 扫描通道和控制 范围指针 b a s e + 3数字输入低8 位 数字输出低8 位 b a s e + 4 d a 转换低8 位 b a s e + 5 d a 转换高8 位 b a s e + 6 b a s e + 7 b a s e + 8a d 状态 b a s e + 9控制寄存器 控制寄存器 b a s e + 1 0 记时器的使用与否 b a s e + 1 1数字输入高8 位 数字输出高8 位 b a s e + i 2c o u n t e r oc o u n t e r o b a s e + 1 3c o u n t e r lc o u n t e r l b a s e + 1 4c o u n t e r 2c o u n t e r 2 b a s e + i 5 记时器控制 i 、信号连接： 为了精确地收发数据，正确的信号连接是很重要的因素，并且好的信号连 接方式还可以对你的计算机和其他硬件避免不必要的损坏。下面介绍一些不同 数据采集类型的信号连接方式。 ( 一) 、模拟输入连接 p c l 一8 1 8 l 支持1 6 通道单端输入或8 通道双端输入方式。跳线开关j p 7 选择 1 9 藕藏王照大学鞭圭 宅文第羔黎硬律避诗度窭蕊 输入通道配置，这两张方式之间主腰的不同点农于每个输入通道信号线的数疑 不问。单输入单输出避接每个通道仅使用一根信号线，标准的连接图如图3 3 嚣示： 图3 3 单端a d 输入连接方式 差分输入配置每个通道使用两根信号标准连接图如图3 4 所示： 图3 4 双端a d 输入连接方式 ( 二) 模擞输密连接 p c l 一8 1 8 l 提供了一个d a 竣滋逶道。可墩镬罴内部糖发一5 v 戏一1 0 ￥产皇0 到+ 5 v 或0 至t j + l o v 的d a 输出。连接器c n 3 提供了d a ，a d 和记数信号。一些 重要韵d a 信号连接例如参考输入、d a 输出和模拟接地如图3 5 所示： ( 三) 鼗字信号连接 p c l 一8 1 8 l 蠹1 6 令数字埝入邋道和1 6 个数字输墩逶遒。数字竣入输出端 口电气特性与t t l 电平兼容，图3 + 6 给出了和其他t t l 设备交换数字信号的迄 接阁。 嚣乾工韭丈学硕士论文 第三章硬件设汗授实现 蕻j i 早d ，a - - 一- - - - - - 兰i 竺! 竺l 守 ：盘鼢渤剪恨| ! = 一 - 1 0 v 。 c n 3 3 1 d a 匿fl n c n 3 - 3 0 d ao u t c n 3 - 9 ，1 0 ，1 4 ，2 8 ，2 9 ，3 3a g n d c n 3 一1 1v r e f 图3 5 壤誉簸迩连接方式 嚣沪寥 q 甾吣夺 图3 6 数字信号连接图 、a d 、d a 转换、数字输入输出 在没鸯p c l 8 1 8 l 驱动静情瑟下进行a d 转换软咎触发移编程的步骤： ( 1 ) 、设置每个a d 通道的输入范围。 ( 2 ) 、设置扫描通邋的起始位置。 f 职 舷发a d 转换，逶遵匈寄存器b a s e + o 豹低字节写任意氆实现。 ( 4 ) 、通过读状态寄存器的i n t 位判断转换是否续东。 ( 5 ) 、读数据。 ( 6 ) 、将读的二迸锱数转换成输入电撵德。 d a 转换可通过端口写缀数自鹰存器地址髯数据。数字埝入竣出也 露麓 单，利用写函数直接对端口逃行操作。 3 1 2c i 1 3 4 介绍 e i 一1 3 4 是i 6 寝憨线的4 宰溜r s 一4 2 2 r s 4 8 5 智髭多帛日通讯卡。c i 一1 3 4 在一片卡一e 可同时支持r s - 4 2 2 和r s - 4 8 5 ，用户可根据自己蛉实际需要来灵活酝 2 l 西北工业大学硕 论文第三章硬件设计及实现 置，极大的方便了用户的使用。每个串口支持点对点和多站通讯方式，在多站 模式下可以控制多达2 5 5 个设备，通讯距离可达l o 公里( 需使用中继器) ，由 于支持这些通用的串行口，c i - i 3 4 系列多串口卡能够控制不同种类的串口设备， 比如调制解调器、c n c 、数据采集设备和其它多种工业机床，无须另外使用接口 转换设备。 c i 一13 4 系列面板示意图如图3 7 所示： 强u 俣瓦远佯升天 广数据模式选择开关 i 皓圃商一i 耋 一di 羹 图3 7c i 一1 3 4 系列面板不意图 j p l 是c a p 地址跳线； j p 3 是端口3 的终端电阻跳线： j p 4 是端口4 的终端电阻跳线； 3 p 5 是端口2 的终端电阻跳线； j p 6 是端口l 的终端电阻跳线。 c a p 地址代替使用传统的跳线进行中断设置和拨码开关进行i o 地址设置， 每一个串口的硬件配置也可以使用d o s 应用程序i o i r q e x e 来方便的设置，该 程序使用c a p 地址来读写卡上的e e p r o m 中的配置参数。c a p 地址是i o i r q e x e 访问配置参数的唯一方法，与第一个串口的i o 基地址相同。跳线j p l 用于用户 忘记c a p 地址的情况下使用。通常j p l 是打开的，当j p i 使用跳线器短接时， c a p 地址固定为0 x a 7 0 0 ，如果需要进行快速安装，j p l 就需要用跳线器短接。 2 2 型! 三些查篓堡鬯塞一茎兰茎塑壁建立塑壅堡 c i 一1 3 4 的突出特点是： 1 支持2 个独立的r s - 4 2 2 或r s - 4 8 5 串行口： 2 与标准豹串翻宠全兼容： 3 体积紧凑，半长卡设计； 4 没有1 1 0 地址拨码开关和中断跳线，易于软件配置； 5 每个串翔独立设藿i o 蘧疑、中断号； 6 拨码开关选撵r s 一4 2 2 或r s 一4 8 5 通讯方式； 7 支持2 线制r s 一4 8 5 通讯方式； 8 r s 一4 8 5 数据流控方式由援码开关选择一自动数据流控制( a d d c ) 模式或 r t s 控制模式； 9 内置终端电阻，没有阻抗改配问题； l o 离可靠性高速t 1 5 5 0 c 通讯控翩芯片，内置硬件流控制，无数据丢 失，保涯数摄完整陛； 1 1 支持隔离保护和突波保护； 1 2 支持常用的操作系统一w i n d o w s n t ，w i n d o w s 9 5 9 8 ，d o s ，w i n d o w 3 x 等。 另夕 ，它逐具有功能强大豹睾目编援工具，荧了方便蠲户遴行瘟爨程痔开 发，m o x a 提供在w i n d o w sn t ，w i n d o w s 9 5 9 8 ( p c o m m ) 年e 1d o s ( a p i 2 3 2 ) 操 作系统下使用的界面友好的串凹编程函数瘁。用户可以使用这些溺数谯 m i c r o s o f tc 、t u r b oc 、汇缤语言、q u i c k b a s i c 、t u r b op a s c a l 、v i s u a lb a s i c 、 v i s u a lc + + 和b o r l a n dd e l p h i 等语言开发自己的应用程序。用户也可以使用 m o x a 提供韵各种工兵软件，比如：诊断、监控和终端仿真等，这些工具软件 可以震予程序调试帮遴谖状态整控秘终端谤奏，甚至文俸传徐臻麓。 安装c i ，1 3 4 系列多串口卡的步骤如圈3 8 ： c i 1 3 4 系列多串日卡的缺省设鬻如下： c a p 跷线j p l ： o p e n * 不强制改变c a p 地址为0 x a 7 0 0 。 s h o r t 强制改变c a p 地址为0 x a 7 0 0 。如果要使用快速硬件安装功 能鄹螫矮锭本跷线短接，忘记c a p 圭邀瀣对瞧需要短接本豌线。 串口i 2 3 4 的接口模式选择开关s w l ： 西北工业大学硕e 论文第三章硬件设i 卜及实现 o n * 设置接口通讯方式为r s 4 8 5 o f f 设置接口通讯方式为r s 一4 2 2 串口1 2 3 4 的数据流控制模式选择开关s w l ：( 如果s w l 在o n 位置) o n *设置r s 4 8 5 通讯采用a d d c 模式 o f f 设置r s 一4 8 5 通