热工通用多通道微机数据采集与自动控制系统.doc

热工通用多通道微机数据采集和自动控制系统Microcomputerbased Allpurpose Multichannel Data Acquisition and AutocontrolSystem Used in Pyrology Field北京航空航天大学( 100083) 周世军 梅志光 袁修干摘要 介绍了一种适用于热工领域的微机通用数据采集和自动控制系统。文章阐述了该系统硬件和软件的框架结构, 同时分析了系统的通用性、多通道和可靠性等特点。最近我们用该系统进行了试验, 总体效果很好, 尤其是带有全面帮助系统的可视化操作软件令用户使用起来十分方便。关键词: 通用, 多通道, 微机, 数据采集和自动控制, 可视化操作软件Abstract:A microcomputerbased data acquisition and autocontrol system applicable in the field of pyrology is introduced. The structure of hardware and software of this systemis expatiated, in the meant ime the characterist ic of the system, that is allpurpose, mult ichannel and reliability, is alsoanalyzed. Recently we did some experiments with this systemand the general effect was excellent, especially the visualizedoperating software with fullscale help system is very convenient for useage.Key words: allpurpose, multichannel, microcomputer,data acquisition and autocontrol, visualizedoperating software 计算机的发展及普及已使其广泛应用于国民经济的各个部门。它正在替代人来完成越来越多的工作。本人所在的热工实验室长期以来采用陈旧的测控方式: 大量显示仪表读数, 再手动控制执行机构( 如手动阀) , 边读数边控制。这样不仅操作复杂, 而且效率和精度也不高。在国家! 211工程的资助下, 开发了这套! 通用多通道微机数据采集和自动控制系统。经投入使用, 达到了预期的效果, 而且由于显示器代替了大量昂贵的显示仪表, 也大大降低了系统成本。1 对系统的要求根据设计要求, 该系统应具有:( 1) 通用性。即在不做硬、软件改动的情况下, 就可以满足不同的测控要求( 如增减待测参数, 更换传感器等) 。(2) 多通道。由于一般待测( 控) 的参数通常有几个到几十个, 所以要有多个测量输入通道和多个控制输出通道。( 3) 可靠性。防止导线常受牵拉而引起连接松动甚至断开, 避免信号的传输出现问题, 以保证系统工作可靠。(4) 自动化。测控过程无需人工参与( 或只需简单的鼠标和键盘操作) 就可自动进行, 并且可对数据进行处理。为达到以上要求, 对系统进行如下设计。2 系统的组成该系统分为硬件部分和软件部分。2. 1 硬件部分如图1 所示, 硬件部分包括传感器( 温度传感器、压力传感器和流量传感器等) 、通道扩展和选择电路板(PCLD789D) 、数据采集卡( PCL818L) 、D/A 板( PCL727) 、微机及用于连接的扁平电缆、航空插头等。PCLD789D、PCL818L 和PCL727 都是台湾研华( ADVANTECH) 的数据板。PCL818L 可进行12 位A/ D 转换、数字量输出( DO) , 拥有8 个差分输入通道。PCLD789D 用于扩展PCL818L 的输入通道。而PCL727 有12 个D/A 输出通道。该硬件系统是为满足通用性要求而设计的:( 1) 由于通常需要采集的信号有几十个, 而每块PCL818L 只有8 个差分模拟量输入通道, 所以此处通过级联7 块PCLD789D 扩展其中的7 个( 另一个差分模拟量输入通道用于热电偶的冷端补偿, 故不可扩展) 。由于PCLD789D 可将一个PCL818L 差分模拟量输入通道扩展到16 个, 因此共有112 个输入通道。PCL818L 通过向PCLD789D 送数字量来正确识别这些通道。每次试验只要从这112 个固定通道中选取一部分即可。热工通用多通道微机数据采集和自动控制系统# 33 #( 2) 为避免每次使用时重新拆、接线, 采用以下模块化结构: 该系统硬件主要由数据采集模块、控制模块和人机界面模块构成。全部硬件放置在一个立方形、四面有门且下装万向轮的控制柜内。数据采集模块: 将7 块PCLD789D! 通道扩展和选择电路板级联并插入一个带有插槽的开放式方盒内,对外只留出两端的接口, 一端通过37PIN 圆电缆连到PCL818L 的CN1 插头( PCL818L 插入PC 机的ISA 总线扩展槽) ; 另一端由PCLD789D 的112 个输入通道的接线端子连接到控制柜面板上的112 个航空插头( 带外螺纹的一端) 上, 这样由传感器送来的模拟输入信号就可以通过航空插头( 带内螺纹的一端) 与这112 个输入通道中的任一个插接, 只需在软件中进行相应的设置即可。控制模块: D/ A 板PCL727 插在PC 机的ISA 总线扩展槽中。其D/A 输出通过37PIN 圆电缆输出, 然后分开焊接到控制柜面板上的12 个用于控制的航空插头( 带外螺纹的一端) 上。这样电动执行器的控制信号输入端就可以通过航空插头( 带内螺纹的一端) 与这12 个D/A 输出通道中的任一个插接, 只需在软件中进行相应的设置即可。人机界面模块: 该模块主要指微机的显示器、键盘和鼠标。微机同时属于数据采集模块和控制模块。可见这种硬件设计可以满足一般的测量和控制要求。由于模块化设计, 因而可维护性好, 可靠性高; 由于控制柜可以容易地推到任何地方, 因而使用方便。除罕见的硬件损坏外, 一般无需拆、装硬件系统。图1 硬件结构示意图2. 2 软件部分软件部分采用Visual C+ 6. 0 开发, 可以运行于当前最受欢迎的Windows 95、Windows 98 和WindowsNT 操作系统, 采用面向对象的程序设计方法, 界面友好, 并且带有即时而又全面的帮助系统。软件基本结构如图2 所示。图2 软件结构示意图由图2 可见, 软件结构也具有模块化的特点。另外, 软件的设计也是满足通用性要求的: 每次启动应用程序, 进入主窗体, 都可以进行以下配置: ( 也可以使用以前存盘的配置文件, 或在此基础上加以修改,这样往往会比重新配置方便得多。)( 1) 参数配置。即配置待测参数与数据采集通道( 每个通道都有唯一的编号, 标注在控制柜面板上, 其范围为0 111)的对应关系。这需要根据实际的插接情况进行设置。该信息用CSele 类存储, 该类的成员变量包括:成员变量类 型含 义m- Chan CString 通道号m- Vname CString 参数名称m- Vunit CString 参数单位( 2) 通道配置。即配置通道号与传感器代号的对应关系。这需要根据各通道实际所安装的传感器的代号进行设置。该信息用CChannel 类存储, 该类的成员变量包括:成员变量类 型含 义m- Seri CString 通道号m- Sens CString 传感器代号( 3) 传感器配置。即添加或更改各个传感器的有关数据。该信息用CSensor 类存储, 该类的成员变量包括:# 34 # 测控技术%2000 年19卷第7期成员变量类 型含 义m- Numb CString 传感器代号m- Func CString 传感器功用m- Type CString 传感器类型m- Date CString 传感器标定日期m- Valid CString 传感器有效期m- Rang CString 传感器量程范围m- Xia double 传感器模型( 0 次项) 系数m- Xib double 传感器模型( 1 次项) 系数m- Xic double 传感器模型( 2 次项) 系数m- Xid double 传感器模型( 3 次项) 系数m- Xie double 传感器模型( 4 次项) 系数( 4) 控制方式配置。即对需要控制哪些物理参数, 采用何种控制方式( 手动或自动) 、控制算法( PID、模糊PID 等) 进行设置。该信息用CCtrolsel 类存储, 该类的成员变量包括:成员变量类 型含 义m- Chan CString 通道号m- Vname CString 参数名称m- Vunit CString 参数单位m- bManualControl bool 是否手动控制m- iCalMethodNum int 控制算法代号m- dKp double PID 控制参数m- dT double PID 控制参数m- dTi double PID 控制参数m- dTd double PID 控制参数m- dSetValue double 待控参数设定值( 5) 基地址配置。即对PCL818L、PCL727 的I/O 地址进行设置。它们需要几个连续地址, 而首地址称为基地址。由于计算机通常会添加一些外围设备, 这样可能会引起I/O地址资源的冲突, 通过该设置即可解决这种冲突。( 6) 放大倍数配置。传感器送来的模拟信号中, 有的幅值比较小, 若直接测量则误差较大。通过设置PCLD789D 的放大倍数, 可将信号大小调整到适当的范围内。注意, 此处的设置应与硬件上的设置相一致。通过以上6 项配置, 并使之与硬件连接情况相符,就可以使该测控系统具有很强的通用性。除此而外, 软件还具有以下功能:( 1) 报警功能。若某次试验使用的传感器超出有效期, 则自动报警。(2) 密码保护功能。因为有些设置( 如PCL818L基地址) 的错误会导致死机, 有些设置( 如传感器数据库) 的错误会导致测量结果错误, 所以只有对这些设置精通的人, 才可以对其进行更改。通过授予他们密码可以防止外行随便更改导致错误。(3) 软件滤波。为除去高频干扰信号, 采用多次采集取平均的方法滤去它们。(4) 自动/ 手动记录转换。对于一般数据, 可以设置记录间隔进行自动记录, 而对于某一时刻出现的有重要意义的数据, 可立即进行手动记录。(5) 自动/ 手动控制无扰动转换。在设定值和采到的值相差很远时, 为加快控制速度, 可以采用手动控制, 直接送出一个控制信号值。其他时候可采用自动控制。(6) 多种控制规律。采用自动控制时, 可以选择常规PID 控制( 包括位置式、增量式、微分先行) , 模糊PID 控制及神经网络控制等控制规律。(7) 显示动态变化曲线。可以在同一个直角坐标系中显示几个被测( 控) 参数随时间的变化曲线, 从而更加直观地观察参数的变化趋势。(8) 生成并打印实验报告。对采得的数据进行处理, 生成试验报告, 并在需要的时候将其打印。3 结束语该系统已于1999 年9 月安装、调试完毕。并在试验室用它做了一些试验, 发现在不同的试验间切换十分方便, 达到了预期的通用性要求, 而且控制的速度、精度较以往的人工控制有明显提高。尽管设计目的是将其应用于热工领域, 但该系统可以推广到其他领域,从而带来更大的经济效益。参考文献1 杜勇, 宋征等编著. Visual C + + 6. 0 应用指南. 人民邮电出版社,1999. 32 于海生等编著. 微型计算机控制技术. 北京: 清华大学出版社, 1999. 33 张乃尧, 阎平凡编著. 神经网络与模糊控制. 北京: 清华大学出版社,1998. 104 凌善康, 原遵东编著. & 90 国际温标通用热电偶分度表手册. 中国计量出版社, 1994. 25 PC- LabCard USER& S MANUAL. Ad