（计算机应用技术专业论文）燃油试验台计算机测控系统研究.pdf

摘要 本课题所研究的是一个燃油试验台的计算机测控系统，这个测控系统用来对 与被测产品相关的物理量进行检测和控制。本系统要求对被测燃油阀门的前压 力、后压力、线圈电流和电压等高速信号进行捕捉并显示其波形曲线，以便工作 人员对产品的性能作出判断。 测控系统的功能被分成四个子功能模块：压力控制功能模块、开关量控制功 能模块、流量测量功能模块和数据采集功能模块。在硬件实现方面，采用了工控 p c 杌、智能数据采集卡和p l c 组成一个整体。系统开发方面采用了多种软件， 主要有组态王软件、v i s u a lb a s i c 6 0 和s t e p 7 一m i c r o w i n 3 2 编程软件。组态王 软件具有众多优点，如界面制作容易，组态简单和二次开发方便等，但其在数据 采集方面速率不够高。为弥补组态王软件在高速数据采集方面的不足，采用了高 级语言编程来实现高速数据的采集。本系统在数据采集方面具有一定的新颖性。 本测控系统的实现，提高了产品质量检测的精度，提高了检测效率，为公司 的生产作出了一定的贡献。 关键字：高速信号，组态王，数据采集，二次开发 中图分类号：t p 2 0 2文献标志码：a 3 a b s t r a c t w h a tt h i st o p i cs t u d i e si sac o m p u t e rt e s t i n gs y s t e mf o raf u e lo i l p r e s s u r et e s t i n gp l a t f o r m , t h i st e s t i n gs y s t e m i su s e df o rt h e e x a m i n a t i o n s o ft h ep h y s i c a l q u a n t i t yc o r r e l a t e d t ot h ee s t i m a t i n g p r o d u c t i o n t h eh i g h s p e e ds i g n a l so ft h ei n t r a n c ea n do u tp r e s s u r e so f t h ef u e lo i1v a l v e ，t h ev a l u eo ft h e c o i1e l e c t r i cc u r r e n ta n d v o l t a g e ，a r er e q u e s t e dt ob ec a t c h e sb yt h et e s t i n gs y s t e m ，a n da l s oi t s w a v e sa r er e q u e s t e dt ob ed e m o n s t r a t e d s ot h a tt h ew o r k e r sc a nm a k ea j u d g m e n tt ot h ep r o d u c tp e r f o r m a n c e t h ef u n c t i o no ft h et e s t i n gs y s t e mi sd i v i d e di n t o f o u rs t a t u r e f u n c t i o n sm o d u l e ：t h ep r e s s u r ec o n t r o lf u n c t i o nm o d u l e ，s w i t c hv o l u m e c o n t r o lf u n c t i o nm o d u l e ，t h ef l o wm e a s u r e m e n tf u n c t i o nm o d u l ea n dt h ed a t a a c q u i s i t i o nf u n c t i o nm o d u l e i nt h eh a r d w a r er e a l i z a t i o na s p e c t ，t h ep c m a c h i n ef o ri n d u s t r i a l ，i n t e l l i g e n c ed a t aa c q u i s i t i o nc a r da n d p l cc o m p o s e aw h o l ep a r t t h ed e v e l o p m e n ta s p e c to ft h es y s t e mh a su s e d t h et o n yk i n d s o fs o f t w a r e s 。s u c ha s k i n g v i e w s o f t w a r e ， v i s u a lb a s i c 6 0a n d s t e p 7 一m i c r o w i n 3 2p r o g r a m m i n gs o f t w a r e t h eck i n g v i e ws o f t w a r eh a st h e m u l t i t u d i n o u sm e r i t ，1 i k et h ec o n t a c ts u r f a c em a n u f a c t u r ei se a s y ， c o n f i g u r a t i n gs i m p l ya n dc o n v e n i e n tr e d e v e l o p m e n ta n ds oo n ，b u ti t i n s u f f i c i e n t l vi sh i g hi nt h es p e e do ft h ed a t aa c q u i s i t i o n i no r d e r t om a k eu pt h ek i n g v i e ws o f t w a r ei nt h eh i g hs p e e dd a t ag a t h e r i n ga s p e c t i n s u f f i c i e n c y ，u s e dt h eh i g h e ro r d e rl a n g u a g et op r o g r a mr e a l i z e sh i g h s p e e dd a t aa c q u i s i t i o n t h i ss y s t e mi s n o v e l t yo rc r e a t i v i t yi nt h ed a t a a c q u i s i t i o na s p e c t t h er e a l i z a t i o no ft h et e s t i n gs y s t e m ，h a si m p r o v e dt h ep r e c i s i o n o fq u a l i t y t e s t i n go ft h ep r o d u c t s ，h a si m p r o v e d e f f i c i e n c y o f m e a s u r i n g ，h a v em a d ec e r t a i nc o n t r i b u t i o nf o rt h ec o m p a n y k e yw o r d s ：h i g h s p e e ds i g n a l ：k i n g v i e ws o f t w a r e ：d a t aa c q u i s i t i o n ： r e - d e v e l o p m e n t 4 ， 前言 燃油液压测试技术是一门集液压技术、传感器技术、仪表技术、计算机技术 和电子技术等学科内容为一体，对燃油液压系统及元件参数进行测试的综合技 术，它的发展和上述学科的发展有密切的联系。 早期的液压测试系统大部分按照“传感器加二次仪表”的形式组成。试验中 由模拟记录仪器记录曲线或人工读数，然后通过对原始数据处理得到性能指标。 显然用这种测试系统得到的结栗带有严重的人为误差，效率低、精度低。数字传 感器和数字电子技术的发展，使数字式的测量系统在液压测试中得到广泛的应 用，它可以消除人为的读数误差，但人工处理数据仍然无法满足高效测试的要求。 此外，在燃油液压系统的动态测试中，还往往要求系统具有瞬态信号的捕捉及频 率性能分析的功能。 随着计算机技术的发展和测试技术的进步，从5 0 年代起，计算机就被引入 到液压系统的测试中来，形成了所谓的液压c a t 系统。6 0 年代末，随着电子技 术和计算机技术的飞速发展，各种c a t 系统和仪器也迅速发展起来，同时与c a t 有关的测试理论也得到了丰富。6 0 年代后期出现了c m m c 标准接口系统，7 0 年代 又出现了g p i b 通用接口系统，8 0 年代出现v x i 总线接口标准，它把计算机和测 试系统更加精密地结合起来，融为一体，用计算机强大的软件功能来替代传统仪 器的某些硬件，实现其功能，形成“虚拟仪器”，计算机直接参加测试信号的产 生和测量解析，朝着分布式、内含式和微型化方向发展 燃油液压c a t 就是运用计算机技术来测试燃油液压元件或系统的静态、动态 性能。因其具有测试精度高测试速度快、性能价格比高、测试的重复性和可靠性 高以及适宜在线动态测试和状态检测的特点，得到越来越多的应用。 本课题所研究的是一个燃油试验台的计算机测控系统，这个测控系统用来对 与被测产品相关的物理量进行检测和控制。本系统要求对被测燃油阀门的前压 力、后压力、线圈电流和电压等高速信号进行捕捉并显示其波形曲线，以便工作 人员对产品的性能作出判断。本文共分为八章。第一章燃油液压技术的应用和国 内外的发展和现状。第二章提出了本课题的来源和研究内容。第三章介绍了有关 计算机测控技术的理论基础。第四章对本课题作出了一个总的设计安排，对试验 台的结构也作了简单的介绍。第五、六章分别是课题的硬、软件设计与实现。第 六章说明了一般的操作过程。最后一章对本课题作了总结，并对本系统作出了技 术展望。 5 第一章燃油液压测试技术 1 1 燃油液压系统检测技术的发展和研究背景7 1 2 1 燃油液压测试技术 液压测试技术是- - 1 7 集液压技术、传感嘉技术、仪表技术、计算机技术和电 子技术等学科内容为一体，对液压系统及元件参数进行测试的综合技术，它的发 展和上述学科的发展有密切的联系。 早期的液压测试系统大部分按照“传感器加二次仪表”的形式组成。试验中 由模拟记录仪器记录曲线或人工读数，然后通过对原始数据处理得到性能指标。 显然用这种测试系统得到的结果带有严重的人为误差，效率低、精度低。数字传 感器和数字电子技术的发展，使数字式的测量系统在液压测试中得到广泛的应 用，它可以消除人为的读数误差，但人工处理数据仍然无法满足高效测试的要求。 此外，在燃油液压系统的动态测试中，还往往要求系统具有瞬态信号的捕捉及频 率性能分析的功能。 随着计算机技术的发展和测试技术的进步，从5 0 年代起，计算机就被引入 到液压系统的测试中来，形成了所谓的液压c a t 系统。6 0 年代末，随着电子技 术和计算机技术的飞速发展，各种c a t 系统和仪器也迅速发展起来，同时与c a t 有关的测试理论也得到了丰富。6 0 年代后期出现了c 删c 标准接口系统，7 0 年代 又出现了g p i b 通用接口系统，8 0 年代出现v x i 总线接口标准，它把计算机和测 试系统更加精密地结合起来，融为一体，用计算机强大的软件功能来替代传统仪 器的某些硬件，实现其功能，形成“虚拟仪器”，计算机直接参加测试信号的产 生和测量解析，朝着分布式、内含式和微型化方向发展 燃油液压e a t 就是运用计算机技术来测试燃油液压元件或系统的静态、动态 性能。因其具有测试精度高测试速度快、性能价格比高、测试的重复性和可靠性 高以及适宜在线动态测试和状态检测的特点，得到越来越多的应用。 1 2 2 国内外液压测试技术的发展和现状 国外计算机技术发展较快，因此许多液压件制造公司已经把c a t 技术用于产 品的出广检验。美国s u n d n s o n 公司的液压传动实验台用计算机进行数据采集。 日本制钢所建立了柱塞泵效率c a t 试验台，该试验台采用先进的程控仪器仪表通 过g p i b 与计算机构成自动测试系统。英国国家实验台拥有计算机控制的i s o 标 准实验台。在上世纪8 0 年代后期，韩国冶金机械学院研制了液压泵性能测试与 数据处理系统，该系统利用计算机及计算机插件组成测试系统。法国机械研究中 心( e t i t ) 也做了类似的工作。 国内较早从事c a t 研究工作的单位是上海煤机所，该所1 9 7 8 年筹建了一个 配有微计算机的大功率液压泵、马达性能试验台，受当时计算机水平的限制，该 试验台只能做静态试验，对试验数据的处理也只限于四则运算，仪器仪表常数由 硬件设定，局限性大。进入上个世纪8 0 年代，我国计算机技术发展迅速，为液 压c a t 技术的进一步发展创造了条件。1 9 8 4 年，上海工业大学研制成功了液压 阀计算机辅助测试计算机控制系统，该系统能实现液压参数( 温度、流量、压力) 的计算机综合实时控制，可对三大类液压阀( 方向阀、流量阀、压力阀) 进行测 试，从参数和采样点的设定调节、数据采集处理到显示、打印、绘图，全部由计 算机柬实现，也可对液压参数实行手动调节，计算机进行数据采样处理和打印绘 图。1 9 9 2 年，北京市建筑工程机械厂和北京联合大学机械工程学院联合开发了 液压阀类综合试验台，该项目主要是对液压主机上使用的各类液压阀进行主机安 装前的测试，检验液压阀的性能，以求该元件的性能安全可靠，确保主机工作性 能良好。1 9 9 9 年，上海宝钢冶金建设公司特种工程公司和长沙矿山研究院联合 研制的y t c 一2 5 0 型液压万能试验台，达到国际标准b 级，可按国家及专业有关标 准对液压泵、液压马达、液压阀等元件进行出厂试验，该试验台采用比例泵、比 例马达、比例阀调节系统的压力和流量，用计算机进行闭环自动程序管制，用可 编程控制器进行手动操作对数据进行采集，处理、特发性曲线拟合，是集液压、 机械、自动控制、计算机及自动仪表为一体、自动化程度高，先进的液压元件检 测装置。 上述成果为提高我国的液压类产品的质量和对国外引进产品的研究分析提 供了可靠而有效的手段，对提高我国成套设备和装置的可靠性及使用寿命作出了 较大的贡献。随着液压技术的发展，用户对液压c a t 系统提出了更高的要求突出 反映在用户需要一个独立于制造商的二次开发环境。而上述的液压c a t 系统的系 一 统结构是封闭的，用户只能根据要求进行操作。为此开发开放式系统结构的液压 c a t 系统显得非常必要。该类型系统为开发者及最终用户提供一个独立于制造商 的二次开发环境，该环境为用户提供一个模块化、可重构、可剪裁的开放式操作 平台，并提供大量实时应用常用函数库和一些智能函数模块，基于这种需要，北 京航空航天大学科技大学科技开发处开发了开放结构智能检测控制系统操作平 台，采用通用p c 机、d s p 高速数字信号处理器和板卡组成系统的硬件。 本课题研究的目标是一个开放结构的液压检测系统，与上述成果不同之处 是，该系统以组态软件为运行环境，采用工控p c 、可编程逻辑控制器p l c 和数 据采集卡组成系统的硬件，系统的用途是高速瞬态信号的捕捉及波形的显示。 1 2 液压检测技术的应用意义 液压技术是实现现代化传动与控制的关键技术之一，世界各国对液压工业的 发展都给予很大重视。世界液压元件的总销售额为3 5 0 亿美元。据统计，2 0 0 3 年世界各主要国家液压工业销售额占机械工业产值的2 3 5 。 引6 2 液压技 术广泛应用于工业生产和工业控制领域，它对国民经济的发展起着极为重要的作 用。液压系统中的各种液压元件的性能直接关系到生产的安全和生产的经济效 益，因此，对液压元件进行性能检测的液压检测技术显得异常重要。 7 1 1 课题来源 第二章课题来源和研究内容 贵州某液压有限责任公司是集航空与民用液压专业制造经验和高科技液压 产品研发于一身的专业液压元件生产企业，主要生产整体式多路换向阀、先导阀、 电磁阀、中央回转接头、工程油缸、气缸为代表的液压基础件和混凝土输送泵两 大类支柱产品。该公司采用液压阀测试系统来对公司生产的液压阀进行测试，系 统由人工来控制压力和油温，通过记录纸记录液压阀在通断瞬间( 在1 秒以内) 液 压阀前压力、后压力、电压和电流的变化曲线。由于采用人工控制系统存在压力 控制效果不理想的缺点，另外，液压阀的通断时间与打开记录仪进行记录的时间 不同步，存在不能有效地捕捉到信号变化曲线的缺点。为克服这些缺点对产品质 量带来的影响，公司提出了研制产品综合性能试验台计算机测控系统的课题。 1 2 燃油试验台测控系统主要技术指标 ( 1 ) 工作介质：航空煤油； ( 2 ) 额定流量：1 0 2 8 0 l m i n 误差1 0 小流量调节采用调速阀调节； ( 3 ) 额定压力：3 6 5 m p a ( 流量1 5 0 l r a i n 时1 ； ( 4 ) 高压压力：7 8 m p a 流量1 3 l m i 时； ( 5 ) 油温控制：2 5 5 ； ( 6 ) 油液污染度：7 臆级； ( 7 ) 计算机采样时间分辨率：1 毫秒； ( 8 ) 测量参数：压力、电压和电流； ( 9 ) 显示曲线：压力一时间、电压一时间和电流一时间曲线； ( 1 0 ) 系统功能二具有实时数据监测功能、数据管理功能、数据打印功能 和二次开发功能。 1 3 课题的研究内容 本课题所研究的系统实际上是一个油压c a t 系统，它的基本任务是，在液 压阀的前压力和油温满足要求的前提下，测试液压阀在闭合及断开瞬间( 通常在 1 s 以内1 液压阀的前压力、后压力、阀线圈电压和电流，将这些信号的变化以曲 线的形式显示出来，供测试人员进行产品性能的判定。此外，该系统还要进行数 据的保存和打印以及历史数据显示。 液压阀前压力和油温达到额定值是进行测试的前提条件，因此测试前必须 将液压阀前压力和油温稳定到设定值。可以通过人工或自动方式来控制压力和油 温。液压油的压力变化迅速，采用人工方法无法达到满意的控制效果，必须采用 自动控制方式；液压油的温度变化缓慢，人工控制方式完全能够满足要求。因此 在控制方面，只需控制液压阀的前压力。 可见，该系统总体上要完成四个方面的工作，分别是：液压阀前压力控制； 开关量的启停控制；油路流量的测量；压力、电压和电流等模拟量的数据采集和 信号变化的曲线显示及打印等。 综上所述，本课题研究包括以下四个方面的研究内容： 第一，液压阀入口压力控制 该部分的研究内容是，首先选配设计实现液压阀入口压力控制功能的硬伴， 其次选择合适的控制规律，编写实现控制规律的软件。 第二，开关量的启停控制 包括油泵电机的启动和停止，被测产品线圈通断电控制。 第三，油路流量的测量 第四，数据的高速采集方法和曲线显示 该部分是课题研究的重点。液压阀的前压力、电压和电流都是随液压阀的闭 合或关闭高速变化的模拟量，为不失真地捕捉到上述信号的波形曲线，必须设计 符合要求的数据采集系统硬件和软件。本系统提供一个类似示波器面板的操作界 面来显示曲线，这样的操作环境将会方便操作人员使用该系统。 9 第三章计算机测控技术理论基础 3 1 什么是计算机测控技术 计算机测控技术是一门综合性的技术。它是计算机技术( 包括软件技术、接 口技术、通信技术、网络技术、显示技术) 、自动控制技术、自动检测和传感器 技术的综合应用。总的说来，计算机测控技术包括计算机测量和计算机控制丽个 方面。 。 所谓计算机测量，就是利用传感器装置将被测控对象中的物理参量( 如温度、 压力、流量、液位、速度) 转换为电量( 如电流、电压) ，再将这些代表实际物 理参量的电量送入输入装置中转换为可以被计算机的数字量，并且在计算机的显 示装置中以数字、图形或曲线的方式显示出来，从而使得操作人员能够直观而迅 速地了解被测对象的变化过程。除此之外，计算机还可以将采集到的数据存储起 来，随时迸行分析、统计和显示并制作各种报表。 所谓计算机控制，就是由计算机中的应用软件和程序根据采集到的物理参量 的大小和变化情况以及按照工艺所要求的物理量的设定值进行判断；然后在输出 装置中输出相应的电信号，并且推动执行装置( 如调节阀、电动机) 动作从而完 成相应的控制任务。l j j j 3 2 计算机测控技术的发展 测控技术的发展和应用是与生产和科学技术的发展是分不开的。在手工生产 阶段，人们对产品的质量要求不高，对产品的数量要求不多。因此采用手摸、目 测的方法，再以手或脚去控制加工工具或简单生产机械来进行生产。 在单机生产阶段，原有的测试方法已不能满足要求。随之就产生了与之相适 应的指针仪表等简单测试仪器，用以作为手工控制的依据。 在大规模生产机械化、自动化阶段，产生了各种不同的检测元件、仪器仪表 及装置，以适应机械化或自动化生产的需求。 在现代化生产阶段，自动化生产的水平越来越高，测控技术有了更高的发展， 出现了各种类型的计算机测控系统。特别是近年来，计算机测控技术有了很大的 发展，这些发展和进步主要表现在三个方面：首先是计算机技术的迅猛发展，其 次是数据采集技术和控制部件的进步，第三个方面是测控方法的不断完善。在计 算机发展方面，现在的计算机有了更快的运算速度，更大的存储空间，这为对快 速实时的被测信号进行分析、处理提供了支持，不但极大地提高了测试效率和测 试精度，而且能够促进测试系统向智能化方向发展；在部件技术方面，由于微电 子技术的迅速发展，各种集成电路的集成度越来越高，性能越柬越好。在以前， 测控系统中的各种主要部件是由分立元件或小规模集成电路组成，集成度不高、 可靠性差、性能不够稳定。现在，数据采集系统中的某一部件的功能都可以在一 片集成电路中完成，大大提高了数据采集的速度、精度、可靠性和稳定性；在测 控方法方面，近年出现了许多新的测试方法和概念，使测控器进入智能化时代， 使得高精度测量、实时测量和智能控制成为可能。组态软件的出现和发展，使得 组建性能优越的计算机测量控制系统更加方便。利用组态软件，只要将精力放到 1 0 构建测控系统的模型，并编制少量的软件，人们就能方便地组建一个基本的计算 机测控系统。 3 3 计算机测控系统的组成 计算机测控系统可简单地分为硬件和软件两部分。一般地可以划分为以下几 块：计算机( 含可视化的人机界面) 、输入输出装置( 模块) 、检测、变送机构、 执行机构。图3 - 1 给出了一个计算机测控系统的组成原理简图。【1 司 应用程序 4 巫1 一捌姚卜 被 组态软件数据库 吨列检测变送卜 测 操作系统 控 对 硬件 际i 1 城执行l象 图3 - 1 计算机测控系统组成原理图 硬件主要由计算机、输入输出装置、检测变送装置和执行机构4 大部分组成。 更进一步的划分如下所示： r 主机 r 硬件俨毽 i印机 计算机岸作系统 li 组态软件 ll 数据库 、软件_ r 控制模块 ， li 输入输出处理 ll 逻辑控制模块 谴用软件通信 l 报警处理 j 显示处理 。报表打印 膜拟量输出 f 输出 开关量输出r 步进电机脉冲输出 输入触装刊恤椭出t 粼籼 ir 模拟量输入 l 输入 开关量输入 l 计数脉冲 1 1 r 热电偶、热电阻 l 温度变送器 l 压力变送器 检测变送装置液位变送器 i 流量变送器 i 浓度检测、厚度检测、位移检测、p h 值检测 、电压检测、电流检测、频率检测、功率检测 阀节阀 1 电磁阀 i 功率放大及交流电机 执行机构 功率放大及直流电机 i 功率放大及步进电机 i 继电器 、指示灯 软件主要分为系统软件、开发软件、和应用软件3 大部分。系统软件一般为 一个操作系统。开发软件包括高级语言、组态软件和数据库等。应用软件往往可 以有输入输出处理模块、控制算法模块、逻辑控制模块、通信模块、报警处理模 块、数据处理模块或数据库、显示模块、打印模块等。1 1 3 3 4 数据采集技术 我们知道，计算机只能接收数字信号，而工业现场的信号大部分都是连续 信号，且不只是一路，而常常是多路。那么如何接收这些信号，并保持不失真， 这就是数据采集技术。 数据采集技术是信息科学的一个重要的分支，它研究温度、压力、位移等模 拟量的采集、存储、处理、显示或打印过程，在智能仪器、信号处理以及工业自 动控制领域有着广泛的应用。实现上过程的系统即是数据采集系统。 3 4 1 采样定理 3 4 1 1 信号的采样 在计算机检测系统中，一台计算机往往对工业现场的多为进行检测，这些检 测不是同时进行的，而是按照分时的方式逐个对多路测点信号进行检测。因此， 需要把时间上连续的模拟信号，转变为时间上离散的信号。这一过程称之为采术。 如图3 - 2 ( a ) 所示，连续的模拟输入信号e ( 1 ) 按一定时间间隔t 逐点地采集瞬 时值，并保持一个时间t ，从而变成时间上离散，幅值等于采样时该的输入信号 瞬时值的方波序列信号，简称采样信号e ( t ) 。两次采样之间的时间间隔t 称为 采样周期，保持时问f 称为采样时间。从理论上说不需要保持操作，但由于a d 变换需要时日j ，为了减少在变换过程中信号变化带来的影响，采样后的信号在t 中将保持幅值不变，直到完成变换。相应的电路就称为采样保持电路，一般地， 可取理想化的情况，即认为t t ，可忽略不计t 值，将离散后的信号e + ( t ) 看 成是理想脉冲序列。 、t 八爪 w2 v s t 7 e ( t ) 。1 一 t2 t f 卜、? 瓠1 3 4 i 2 采样定理 e ( t ) e ( t ) k t ) 图3 - 2 正弦信号的采样 ( b ) 尔。 t 盯 n i l 7 i 几、卜、 t 灯 n j 少7 采样信号只给出了采们时刻的数值e ( o ) ，e o ) ，e ( 2 d 。对连续信号来说， 它在任何时刻的数值都是已知的，但在采样后，除了能掌握e ( t ) 在采样时刻的数 值e ( k d 以外，在各采样间隔内的信号就丢失了，如图2 - 1 所示。采样周期t 越 大，信号变化越快，则信息丢失也就越严重。采样频率应如何选择才能保证无失 真地恢复原信号信息呢? 采样定理给出了选择采样频率的原则。 采样定理指出：一个带宽有限( 例如从0 到f m ) 的信号e ( t ) ，可用相隔时问 为t 1 2 f m 的若干个采样值来代表。反之，着想得到原来的信号e “) ，只要将 该信号的各采样值通过一个截止频率为f m 理想低通滤波器。即无失真采样频率 应满足f s 2 f m 。 采样定理虽然给出了选择采样周期的理论依据，但并未指出解决实际问题的 条件与计算公式。在实践中常以经验的方法确定采样周期。显然，采样周期t 越小，越接近连续系统，控制精度越高，但这时将加重计算机的负担，从而使可 控制的回路数目减少。另外采样周期也不能小于执行程序所需要的时间。所以合 理选择采样周期非常重要。 采样周期可参见表3 - 1 所列出的经验数据，再通过现场高度最后确定采样周 期t 的数值。 表3 - i 采样周期参考值 。 被控参数采样周期s备注 流量1 5优先选用1 2 压 力 3 1 0 优先选用6 8 液位 6 8 温度1 5 2 0 成分 1 5 2 0 3 4 2 数据采集系统的构成“” 1 3 典型的数据采集系统由模一数转换器、传感器、模拟多路开关、程控放大器、 采样保持器组成，其框图如图3 3 所示 模+ 一 定时与逻辑控制 i 焦壁整l - 拟 上j lj l 多 程 采 数 计 网 路 控 样模 - 开 广 |， 算 固- 关 大 保转 器 持换 机 圆 数字信号 陌五磊；习 开关信号 图3 - 3 典型的数据采集系统框图 ( 1 ) 、模一数转换器 模数转换器把离散的模拟信号转换成时间和幅度上均为离散的数字量。 转换后的精度取决于模一数转换器的位数n ，当位数足够多时，转换可以达到足 够的精度。 4 ( 2 ) 、传感器 传感器是数据采集系统中的重要组件，它将压力、流量、温度等非电量转 换成a d 转换器刖d 转换器可以接收的电压或电流。 ， ， ( 3 ) 、模拟多路开关 模拟多路开关是一种重要的器件，用来将多路被测信号传送到a d 转换 器进行转换，以便计算机能够对多路被测信号进行处理。 ( 4 ) 、程控制放大器 程控放大器用来放大传感器输出的微弱的信号，供a i d 转换器进行转换。 ( 5 ) 采样保持器 采样保持器有来对模拟信号进行采样，并保持一段时问。采样得到的是离 散的模拟信号，该信号在时l 、b j 上是离散的，幅值上是连续的。采样周期满足采样 定理的要求。 随着电子技术的发展，工业控制产品的生产厂家将模拟多路开关、程控放 大器、采样保持器、模一数转换器以及其他组件集成到一块电路板上，形成功能 各异的数据采集卡，系统开发时，根据要求的精度和速度选用合适的采集卡。 3 4 3 数据的采集方式脚 数据采集方式有顺序控制数据采集和程序控制数据采集两种。 顺序控制数据采嚎对于各路被采集参数，按照时间顺序依次进行轮流采样， 系统的性能完全由硬件设备来确定。在每次采集过程中，所采集参数的数目、采 样点数、采样速率、采样精度等都固定不变。若要改变这些指标，就须改变接线 或更换某些硬件设备。采集数据时，控制多路传输门的启闭信号来自脉冲分配器， 1 4 在时钟脉冲的推动下，这些控制信号周而复始地打开或关闭。图3 - 4 为顺序控制 数据采集原理图。 s 1 s 2 图3 - 4顺序控制数据采集原理图 图中s 1 ，s 2 ，s 。为传感器的输入信号，p a m 为多路传输门的输出信 号。控制8 路传输门开启的信道地址码由三路计数器状态确定。表3 2 为8 路传 输门开启次序与三级计数器状态的对应关系。 顺序控制数据采集的缺点是缺乏灵活性的通用性。 程序控制采集方式由硬件和软件两部分构成。在存储器中，存放若干种信号 帧格式采集程序，根据不同的采集任务，可选择相应的采集程序进行工作，或者 通过重新编程，以满足不同采集任务的要求。程序控制可以改变的参数有：采集 点；采样率；数据字长；增益；帧格式。程序控制数据采集的采样信道地址可以 随意选择，控制多路传输门开启的信道地址码由存储器中读出指令确定。改变存 储单元的指令内容就可改变信道地址，使用者通过可编程序能任意选择所需采集 的信道参数，以实现交点采集。图3 5 为程序控制数据采集原理图。 3 4 4 数据采集性能参数嘲 表征数据采集的基本技术参数有通道数、分辨率与精度、采集速度。 ， 1 分辨率与精度 数据采集常常要求高分辨率与高精度。在组成采集的各功能元件中，a d 转换器通常是最贵的，当a d 转换器的分辨率与精度确定之后，通常要求其他 功能元件的误差比a ，d 转换器小得多，以保证总误差与a d 转换器相差无几。 对于一个8 位a d 转换器，其量化误差( 最小有效位) 为2 8 = o 0 0 4 = 0 4 ；而对 于一个1 2 位的a d 转换器的量化误差为0 0 2 4 4 ，可见，采用位数多的a d 转 换器，将对相应的采样保持器、前置放大器以及多路模拟开关等提出更高的要 求。 2 采样速率 采样速率是数据采集中重要的技术指标之一。一般来说，数据采集装置的 速度主要由功能元件的时延决定，而a d 转换器的转换时间起着最主要的作用。 3 5 测控系统抗干扰知识 测控系统中，工控p c 机、p l c 、各通信线路所处环境恶劣，存在诸如电场、 强磁场、振动等各种干扰。这些干扰噪声严重影响着测量与控制的精度。因此有 必要了解抗干扰的相关知识。 3 5 1 抗干扰设计的原理和方法概述 干扰的形成必须同时具有干扰源、干扰传输通道、对干扰敏感的接收电路三 个条件。因此，抑制干扰可以分别采取如下相应的方法 ( 1 ) 消除或抑制干扰源：如使产生干扰的电气设备远离检测装置；对继电 器、接触器、断路器等采取触点来灭弧措施或改用无触点开关：消除虚焊等。 ( 2 ) 切断干扰传输途径：提高绝缘性能，采用变压器、光电耦合器等隔离 以切断路径；利用退耦、滤波、选频等电路手段，将干扰信号转换；改变接地形 式、消除共阻抗耦合干扰途径；对数字信号可采用甄别、限幅、整流等信号处理 方法或采取控制方法切断干扰途径。 ( 3 ) 削弱接收电路对干扰的敏感性：如电路中的选频措施可以削弱对全频 带噪声的敏感性；负反馈可以有效地削弱内部噪声源；采用绞线传输或差分输入 电路等。 干扰抑制方法除硬件措施外，还可采用软件措施，或将两者结合使用。在软 件方面如数字滤波、选频和相关技术及数据处理等，都可将淹埋于噪声中的有用 信号巧妙地测量出来。1 4 2 】下面分别从硬件和软件的角度介绍一些常用的抗干扰 的设计方法。 3 5 2 硬件抗干扰措施 屏蔽技术 在电子仪表或电子装置中，有时需要将电力线或磁力线的影响限定在某个范 围内，如限定在线圈的周围；有时需要阻止电力线或磁力线进入某个范围，例如 阻止其进入进入仪表外壳内，这时可以用低电阻材料铜或铝制成的容器将需要防 护的部分包围起来，或者导磁性良好的铁磁材料制的容器将需要防抗的部分包起 来。人们将防止静电或电磁的相互感应所采用的上述技术称之为屏蔽。屏蔽的目 的就是隔断场的耦合，也就是说，屏蔽主要是抑制各种场的干扰。 传输线干扰抑制技术 1 采用电流传输。采用电流传输，能增强信号的能量。 2 采用光电隔离器。光电隔离器抗干扰能力强，不受周围电磁干扰的影响： 单向传输，寄生反馈小，传输频带宽；抗震动，耐冲击：共模抑制比大；响应速 度可达几万赫兹到几十万赫兹；可用于不同电位的隔离。 3 采用双绞线。采用双绞线时应尽量使两条线多交叉，当有几对双绞线时， 应避免将它们平行走线。 4 传输线要合理走线。传输线的走线要尽可能地远离其他电器线路，尤其 不能靠近强电线路或与之平行。通常使信号线与功率线分开走线，电力电缆则须 单独走线。信号线应尽量先靠近地线或地线包围。 电源干扰抑制技术f 2 】 1 双电源供电。可在系统中设计两个独立的稳压电源，分别向计算机和外 部电路供电，且所有与计算机相连的外部器件皆经过光电耦合，计算机全浮空， 与外界没有任何电的直接联系，这们便可有效的抵抗经由“路”干扰。 2 隔离。由隔离变压器和两个电源变压器构成双隔离系统。它能更好地发 挥隔离变压器的抗干扰性能，保证送入直流电源的电压尽可能不含干扰信号。 3 采用u p s 电源。u p s 电源是种新型电源，具有极强的抗电网干扰能力。 3 ，5 3 软件干扰抑制技术 1 7 数字滤波【3 3 l 现场的模拟量信号经a d 转换后变为数字量信号，存入p l c 中，再利用数字 滤波程序对其进行处理，滤去噪声信号从而获得所需的有用信号。工程上的数字 滤波方法很多，常用的有：平均值滤波法、中间值滤波法、加权滤波、滑动滤波 法等。 算术平均值滤波法 适用于一般的随机干扰信号的滤波。采样次数越多，滤波效果越明显，但考 虑到采用时间及系统控制的需要，采样次数应根据系统而定。算术平均值滤波公 式为： y 他) 2 专著x ( o 其中 y ) 一一第k 次采样n 个采样的算术平均值 x ( i ) 第i 个采样值n 采样次数 加权平均滤波法 对于算术平均值滤波，各个采样值在采样的结果中所占的比重是相同的，都 是1 n 。为提高采样的效果，将各采样值选取不同的比重，这就是加权平均滤波。 加权平均滤波法可以突出或抑制某一部分信号。具有n 次采样的加权平均滤波的 公式为： l ，僻) 。专著c ( f ) 式中c 产c ，c 。，c 。，c h 为常数，称为各采样值的系数，应满足以下关系： x c i 。1 智 c 体现了各采样值在平均值中所占的比重，可以根据具体情况进行决定。 中间值滤波法 原理是在某一采样周期的k 次采样值中，除去最大值和最小值，将剩余的k 一2 个采样值进行算术平均，并将结果作为滤波值。该方法需对采样值进行排序 或比较，去掉最大值和最小值，然后求算术平均值。此方法对消除脉冲干扰和小 的随机干扰很有效。 滑动滤波法 在内存中建立一个数据缓冲区，依次存放n 个采样值，每采进一个新数据， 就将最早采进的那个值丢掉，然后求包括新值在内的n 个值的算术平均值或加权 平均值 利用监控程序对局部故障进行处理 为了提高测控系统的抗干扰能力，可以利用监控程序对系统的一些关键环 节，如i 0 通道、各级目标程序、机器运行状态进行实时监控。这样，对于一些 偶然因素造成的干扰可以及时发现处理，以避免出现停机等故障。对程序和重要 的参数进行备份，这们当内存中的程序和重要参数由于严重干扰而遭到破坏时， 程序可以自动进行判断，并调入备份，以恢复被破坏的程序，从而保证系统正常 运行。 3 6o p c 简介嘲 3 6 1 什么是o p c o p c 是o l ef o rp r o c e s sc o n t r o l 的缩写，即把o l e 应用于工业控制领域。 o l e 原意是对象链接和嵌入，随着o l e2 的发行，其范围已远远超出了这个概念。 现在的o l e 包容了许多新的特征，如统一数据传输、结构化存储和自动化，已经 成为独立于计算机语言、操作系统甚至硬件平台的一种规范，是面向对象程序设 计概念的进一步推广。o p c 建立o l e 规范之上，它为工业控制领域提供了一种标 准的数据访问机制。 工业控制领域用到大量的现场设备，在o p c 出现以前，软件开发商需要开发 大量的驱动程序来连接这些设备。即使硬件供应商在硬件上做了一些小小改动， 应用程序就可能需要重写；同时，由于不同设备甚至同一设备不同单元的驱动程 序也有可能不同，软件开发商很难同时对这些设备进行访问以优化操作。硬件供 应商也在尝试解决这个问题，然而由于不同客户有着不同的需要，同时也存在着 不同的数据传输协议，因此也一直没有完整的解决方案。 自o p c 提出以后，这个问题终于得到解决。o p c 规范包括o p c 服务器和o p c 客户两个部分，其实质是在硬件供应商和软件开发商之间建立了一套完整的“规 则”，只要遵循这套规则，数据交互对两者来说都是透明的，硬件供应商无需 考虑应用程序的多种需求和传输协议，软件开发商也无需了解硬件的实质和操作 过程。o p c 规范如图3 6 所示。 图3 - 6o p c 规范 1 9 范 o p c 的优越性是显而易见的： 1 硬件供应商只需提供一套符合o p cs e r v e r 规范的程序组，无需考虑工程人 员需求。 2 软件开发商无需重写大量的设备驱动程序。 3 工程人员在设备选型上有了更多的选择。 4 o p c 扩展了设备的概念。只要符合o p c 服务器的规范，o p c 客户都可与之进 行数据交互，而无需了解设备究竟是p l c 还是仪表，甚至在数据库系统上建立了 o p c 规范，o p c 客户也可与之方便地实现数据交互。 。 3 6 2o p c 的适用范围 o p c 设计者们最终目标是在工业领域建立一套数据传输规范，并为之制定了 一系列的发展计划。现有的o p c 规范涉及如下领域： 在线数据监测。实现了应用程序和工业控制设备之间高效、灵活的数据读 写。 报警和事件处理。提供了o p c 服务器发生异常时，以及o p c 服务器设定事 件到来时向o p c 客户发送通知的一种机制。 历史数据访问。实现了读取、操作，编辑历史数据库的方法。 远程数据访问。借助m i c r o s o f t 的d c o m 技术，o p c 实现了高性能的远程数 据访问能力。 3 6 3 组态王的o p c 设备 组态王充分利用了o p c 服务器的强大性能，为工程人员提供方便高效的数据 访问能力。在组态王中可以同时挂接任意多个o p c 服务器，每个o p c 服务器都被 作为一个外部设备，工程人员可以定义、增加或删除它，如同一个p l c 或仪表设 备一样。 一般来说，工程人员在o p c 服务器中定义通讯的物理参数，定义需要采集的 下位机变量( 称为数据项，详见下文解释) ；然后在组态王中定义组态王变量和 下位机变量( 数据项) 的对应关系。在运行系统中，组态王和每个o p c 服务器建 立连接，自动完成和o p c 服务器之间的数据交换。 3 6 4o p c 的基本概念 服务器、组、数据项 o p c 服务器由三类对象组成：服务器( s e r v e r ) 、组( g r o u p ) 、数据项( i t e m ) 。 服务器对象( s e r v e r ) 拥有服务器的所有信息，同时也是组对象( g r o u p ) 的容 器。组对象( g r o u p ) 拥有本组的所有信息，同时包容并逻辑组织o p c 数据项 ( i t e m ) 。 o p c 组对象( g r o u p ) 提供了客户组织数据的种方法。客户可对之进行读写， 还可设置客户端的数据更新速率。当服务器缓冲区内数据发生改变时，o p c 将向 客户发出通知，客户得到通知后再进行必要的处理，而无需浪费大量的时间进行 查询。o p t 规范定义了两种组对象：公共组和局部组( 私有组) 。公共组由多个 客户共有，局部组只隶属于一个o p c 客户。一般说来，客户和服务器的一对连接 2 0 只需要定义一个组对象。在每个组对象中，客户可以加入多个0 p c 数据项( i t e m ) 0 p c 数据项是服务器端定义的对象，通常指向设备的一个寄存器单元。0 p c 客户对设备寄存器的操作都是通过其数据项来完成的，通过定义数据项，0 p c 规 范尽可能的隐藏了设备的特殊信息，也使0 p c 服务器的通用性大大增强。0 p c 数 据项并不提供对外接口，客户不能直接对之进行操作，所有操作都是通过组对象 进行的。客户操作数据项的一般步骤为： ( 1 ) 通过服务器对象接口枚举服务器端定义的所有数据项，如果客户对服 务器所定义的数据项