分布式液压机具监测系统的设计与实现

分布式液压机具监测系统的设计与实现

Abstract: The structure of distributed testing and monitoring system to evaluate and calibrate the performance of hydraulic pressure device is proposed. The implementing strategy and method of communication technology was presented in detail too. The testing and monitoring system was built by IPC and ADAM5510 and the technique of OOP(Object Oriented Programming) and multi-thread were employed, which enforced its advance and reliability. It run steadily and got a good effect.
Keywords: Industrial communication technology ADAM5510 Monitoring online
[中图分类号] TH137 [文献标识码] B 文章编号 1606-5123(2002)-12-0041-4
1 项目需求与概述
智能化的数控液压机具在出厂检验时，要检测液压机具的耐油压强度以及智能单元、变频器、电机是否正常。人工校验工作十分繁琐，效率极其低下，并且有时会因惰性缘故常出现错检、漏检的现象，极大地损害了企业的形象。为了使企业的产品质量上台阶，提高企业的质量管理水平和产品校验水平，我们研制了一套分布式的液压机具校验测试系统。
智能数控液压机具的结构示意图如图1所示:其微处理控制器采用AT89C2051微型计算机，为了便于用户采用计算机控制液压机具，产品配有RS-485半双工通信接口，同时也配有供用户采用 10～-10V模拟信号控制变频器的方式，操作液压机具的接线端子(采用串口通信方式和 10～-10V模拟信号控制变频器的方式等同，用户可选择其中任何一种方式控制液压机具)，另外还有供用户直接采集液腔油温、油压的传感器接线端子(输出为0～ 10V标准信号)，给用户使用产品提供了极大的方便。
2 测试系统检验的项目与功能
2.1 智能数控液压机具出厂需检验的项目
1) 微处理器AT89C2051、变频器、三相交流同步电机以及5组传感器工作是否正常。
2) 在上述检验均正常的情况下，监测油腔内二处的油温、油压值、电机转速。参数显示屏上显示油温、油压以及电机转速5个参数。不同油压有不同的油温与之对应，若发现油压在恒温下在30min内变化超过0.3%，则认为油腔有漏油现象，应进行检修，否则，属合格产品。
2.2 监测系统功能
监测系统具有的功能如下:
1) 一次可同时校验6台液压机具设备，测试时具有对液压机具的保护功能;
2) 在线监测变频器、三相交流同步电机以及5组传感器的工作状态;
3) 在线监测油腔内二处的油温、油压值、电机转速;
4) 测试时语音、声光提示产品合格与否;
5) 测试报告自动生成，并可按要求打印;
6) 历史校验数据查询;
7) 日、月、年报表定时、随机打印。

3 测试系统结构、组成
为了使系统并行监测6台数控液压机具，且每路相互独立工作，整个监测系统以工业控制计算机IPC-610P为主控制器，采用一种总线式的网络拓扑结构，考虑到整个监测系统的实时性要求并不很高，测控系统采用了RS-485通信方式，6台数控液压机具的状态监测采用具有PLC框架结构的似PC的ADAM5510。分布式液压机具校验测试系统的结构示意图如图2所示。
(1) 测试主站计算机
考虑到特定的工业现场，上位机采用研华工业控制计算机IPC610P(PCA-6179V＋Pentium III 1GHz＋128MSDRAM)作为人机接口，主要用于启动并初始化6台ADAM5510下位机、编制和调试通信控制和测试程序、上位计算机监控程序等，用户可通过上位计算机干预监控系统，设定系统运行参数，监控系统运行状态。
(2) 监控工作站ADAM5510
ADAM5510是基于 PC 的可独立完成数据采集与控制的可编程控制器，具备通用编程功能，可用于信号的程控放大、模拟I/O、数字I/O及通讯参数的设定。它具有如下特性:a)模拟开放式PC环境，似紧凑式计算机，包括80188CPU、FLASH ROM、SRAM、COM1、COM2及一个编程端口，内置兼容MS-DOS的ROM-DOS操作系统，提供了除BIOS之外的基本MS-DOS功能调用，允许运行用C或C 等高级语言编译的应用程序;b)内置RS232/485通信口;c)内置三路隔离保护功能;d)内置实时钟和看门狗定时器，这不仅减少了系统的维护工作，而且使ADAM5510可应用于系统稳定性要求较高的场合。ADAM5510具有独立的ID编号功能和通信控制设置功能，便于上位机与之通信以及在数据通信时识别。
(3) 智能数控液压机具
考虑到设备所承担的工作任务以及与上位机通信的可行性，智能液压机具采用AT89C2051微型计算机作CPU，以提高下位机的智能水平。由于AT89C2051微型计算机的串行口的输入输出均采用TTL电平[1，2]，而 PC机采用的是RS-232的EIA 标准，因此要实现PC机和其通信，则其接口电路必须经过电平转换。在本设计时，采用SN75174、SN75175集成芯片，它们采用 5V单一电源供电。接收信号时，采用一片SN75175作为平衡差分长线接收器，将RS-485总线电平信号转换成TTL电平信号;发送信号时，采用一片SN75174作为平衡差分长线驱动器，将TTL电平信号转换成RS-485总线电平信号，并且通过光耦驱动(6N137)和上位机相连，以确保通信系统的抗干扰能力。
(4) 串行通信卡
为了实时监控6台智能数控液压机具的工作状态，也为了便于测试分布式测试下位机的通信功能，系统配有一块RS-485 通信接口板PCL-745B。PCL-745B带有两个RS-485串行通信口，分别用于监控6个下位机的工作状态和测试6个下位机的串口通信功能。
(5) 模拟信号输出卡以及信号调理板
采用 ADAM5024模拟信号输出板，其输出的-10～ 10V控制信号经变换后的0" 10V作为被校验的智能数控液压机具内置的SIEMENS公司的MicroMaster MM110/2 三相变频器的控制输入，控制油泵电机的转速、转向以达到控制油腔内压力的目的。
(6) 模拟信号采集卡
主要用于采集油腔内二处的油温、油压。为满足测试需求，采用ADAM5017。
(7) 数字I/O
采用ADAM5068，实时监控被试液压机具内的三相交流同步电机的启和停、变频器的开与关等。
(8) 编码器/定时计数卡
选择ADAM5080，实时采集被试液压机具内的三相交流同步电机的转速(经转速电机变送)，经计算机处理后，采用PID调节方式，再由ADAM5024输出变频器的控制信号，实施对变频器的闭环控制，以提高系统的测试精度，同时对油腔具有过载保护能力。
ADAM5510监控每台数控液压机具的配置如图3所示。
4 测试系统软件设计
4.1 测试软件组成
系统软件采用Windows9X，测试主站采用Visual C  Ver6.0编写界面、数据管理、通信控制等程序，ADAM5510控制器的监控程序采用Borland C 编写，具体操作方式可参照研华ADAM5510手册。测试软件结构分为以下三个部分:
(1) 人机界面及系统管理程序
主要实现实时数据显示窗口、人机交互窗口、回路PID控制参数及其参数整定窗口、动态趋势显示等。
(2) 实时测试程序
采用后台方式，实时采集24点的模拟量、控制12个点的模拟操作量、采集12个数字输入量、输出12个数字监控量、6个电机转速的时间脉冲量。
(3) 通信管理、控制程序
上位机和下位机的通信采用查询方式，即上位机根据所给的下位机的站址，按小站址到大站址顺序查询各下位机的站址，当上位机要向下位机发送数据信号时，待查询到所指定的下位机站址后发送数据信号，下位机在接到上位机发来的命令后，首先检查命令中的站址是否与自己的站址相符，如果不一致，说明上位机在与其他下位机在进行通信，从而忽略该命令;如果一致，就响应该命令，将执行结果回送到上位机，结束本次通信。当下位机有信号要发送给上位机时，只有当上位机查询到该站址的标志位后才接收此信号。
4.2 通信控制
在整个分布式测试系统中，通信控制是关键。Windows 操作系统是一多任务操作系统，但为非实时操作系统，我们希望通信程序能够接收随机到来的数据而不影响前台程序的运行。为此，我们采取MSCOMM.OCX控件中的事件驱动方式进行数据通信，整个程序采用面向对象的程序设计方法，并且在多线程程序设计中注意了如下几点:
a) 注意释放内存，避免线程阻塞在系统的调试过程中。
b) 注意节约占用CPU的时间，系统规定数据通信线程和数据处理线程的优先级为最高，其余任务必须注意节约占用CPU的时间，否则会降低系统的运行效率。
c) 合理规划线程内容，控制线程个数。虽然多线程模型可以有效地提高监控效率，但系统中所拥有的线程不能太多，否则会影响系统的吞吐量，反而降低系统效率。
在设计分布式计算机监测系统多机通信规约中规定:主机下发分地址部分和参数部分，地址部分采用P=Mark(标记)模式发送，参数部分采用P=Space(空格)模式发送。现场监控单元上报数据一律采用P=Space模式发送。这样做的特点是:现场监控单元可尽量少受与本单元无关的通信数据的干扰。其通信过程为:
(1) 初始化过程
选定通信端口、设置通信方式、设置通信缓冲区的大小、清除通信缓冲区、设置每次从接收缓冲区读出的字节数。
(2) 发送过程
设置多机通信方式，在OnComm事件过程中，由CommEvent属性确定发送结束，同时设置RTS信号为Flase，进入待机接收状态。
(3) 接收过程
在OnComm事件过程中，由CommEvent属性确定已接收数据，由Input属性读回字节。由于Windows操作系统的实时性较差，RS-485没有数据控发信号，以及主机与下位机的波特率的控制误差，所以经常出现要么不产生OnComm事件，要么得不到完整的数据(可能有1"2个干扰字节进入接收缓冲区而影响接收数据的完整性)。为克服上述不足，对通信程序进行了如下改进:
a) 改后台事件发送为前台轮询单字节发送，间隔时间小于一个字节的发送时间，从而保证发送数据完整。这在一般情况下尤其是在1GHz主频的CPU是完全许可的，数据发送占用的几秒时间对人机界面的影响是微不足道的。
b) 在通信程序中引入多线程技术，限定一个用户线程监控数据接收结束时的OnComm事件，保证有数据到来时一定能将数据都收回，从而避免了数据丢漏，并能在一定程度上可清除干扰字节的影响，等待时间在19200波特率下小于每秒1ms。
4.3 数据库管理
为便于跟踪产品质量、便于产品质量查询，测试系统对每个智能液压机具的测试结果进行记录、登记，存入数据库中。考虑到测试系统的数据库的安全、简洁等，数据库采用Access2000的数据库。在启用Access2000的数据库时，必须安装Visual Studio SP5和mdac_typ，否则Visual C  Ver6.0将无法识别Access2000的数据库格式，数据库的连接采用传统的ODBC方式。数据库连接与驱动图如4所示。
5 结束语
本测试校验系统具有运行可靠、功能齐全、投资低、扩充方便、控制系统的风险低等特点，系统为操作者提供了较完善的系统运行信息、分析结果及远程控制手段，为企业提高产品检验水平、产品售后服务水平奠定了强有力的基础，并为提高企业的管理水平、进行ISO-9001质量体系认证作出了巨大的贡献。

参考文献
[1] 林生.计算机通讯网原理.西安电子科技大学，1997
[2] 于海生，等.微型计算机控制技术.北京:清华大学出版社，1999

作者简介
吴道虎 男 博士，主要研究网络通信控制及其安全、先进的计算机监测技术等。
李敬武 男 硕士，主要从事计算机监测、现场总线控制等方面工作。