基于LabVIEW RT 的集散控制系統(tǒng)

應(yīng)用領(lǐng)域：工業(yè)自動(dòng)化

挑戰(zhàn)：利用PXI嵌入式控制器、LabVIEW RT 開發(fā)出完成高速、高精度、多實(shí)時(shí)閉環(huán)控制任務(wù)，數(shù)據(jù)采集，邏輯控制等的多功能測(cè)控平臺(tái)。

應(yīng)用方案：使用National Instruments公司的RT系列的PXI嵌入式控制器、E系列多功能數(shù)采卡、LabVIEW RT 、labVIEW RT控制工具包以及執(zhí)行程序生成器來(lái)開發(fā)一個(gè)集多任務(wù)實(shí)時(shí)控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析為一體的集散測(cè)控系統(tǒng)。

使用的產(chǎn)品：PXI 8186 RT ;LabVIEW RT;PXI-6052E;PXI-6527

介紹

近年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，測(cè)控技術(shù)，尤其是基于LabVIEW快速開發(fā)的測(cè)控系統(tǒng)也在各行各業(yè)得到了較好地應(yīng)用。我們根據(jù)科研項(xiàng)目的要求開發(fā)了一個(gè)可以對(duì)多個(gè)被控對(duì)象進(jìn)行高速、高精度的控制，同時(shí)對(duì)多個(gè)變量進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和分析的多功能測(cè)控平臺(tái)，它對(duì)新開發(fā)實(shí)驗(yàn)設(shè)備控制系統(tǒng)的優(yōu)化和改進(jìn)，生產(chǎn)線上關(guān)鍵儀器儀表的測(cè)控及性能評(píng)估都具有重要的意義。

序言

我們開發(fā)的應(yīng)用在冶金實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，如多功能材料實(shí)驗(yàn)機(jī)、熱鍍鋅實(shí)驗(yàn)機(jī)等，其被控對(duì)象都比較相似，對(duì)控制效果的要求也相似，即都具有液壓站、高精度的位移傳感器、高速伺服閥、溫度控制、數(shù)據(jù)采集等，都要求閉環(huán)控制周期盡可能的短，通常位移閉環(huán)為1ms，溫度閉環(huán)為10ms。根據(jù)上述情況，我們開發(fā)了一個(gè)具有通用性的測(cè)控系統(tǒng)，即基于LabVIEW RT的測(cè)控平臺(tái)。

這個(gè)測(cè)控平臺(tái)在硬件連接上采用便于安裝和易于拓展的結(jié)構(gòu)，在軟件上采用了模塊化結(jié)構(gòu)，便于程序的調(diào)試、優(yōu)化。對(duì)于不同的被控對(duì)象，只需要對(duì)硬件和軟件做少量的修改，而總體結(jié)構(gòu)不變，就可以完成對(duì)不同設(shè)備的控制，從而充分發(fā)揮了虛擬儀器的靈活性和高效率。

工藝原理簡(jiǎn)介

多功能材料實(shí)驗(yàn)機(jī)的工作原理是利用直接焊在試樣（柱狀或板狀）軸心處的熱電偶測(cè)量溫度，采用直接電阻加熱，即使試樣中通過(guò)低電壓，大電流的方式加熱，然后通過(guò)液壓缸控制錘頭打擊試樣，使其快速變形。要求記錄試樣變形過(guò)程的所有相關(guān)參數(shù)。熱鍍鋅實(shí)驗(yàn)機(jī)的原理也是利用直接焊在試樣（片狀）上的熱電偶測(cè)量溫度，通過(guò)紅外輻射管使試樣快速升溫，然后通過(guò)控制液壓缸將試樣快速移動(dòng)到事先熔化好的鋅液中浸一下，再快速返回。要求記錄浸鍍過(guò)程的所有工藝參數(shù)。加熱試樣的操作箱或石英玻璃罩內(nèi)都可以抽真空或充以惰性氣體，以防止試樣被氧化。

控制系統(tǒng)構(gòu)成

上述實(shí)驗(yàn)設(shè)備中有許多模擬量控制閉環(huán)，在多功能材料實(shí)驗(yàn)機(jī)中的被控對(duì)象有兩個(gè)液壓缸控制閉環(huán)，即一個(gè)Ⅰ軸錘頭打擊控制和一個(gè)Ⅱ軸的試樣變形量定位控制，試樣溫度控制、扭轉(zhuǎn)控制、淬火水流量控制。在熱鍍鋅實(shí)驗(yàn)機(jī)中有兩個(gè)溫度控制閉環(huán)，即鋅液熔化爐的溫度控制、試樣溫度控制，兩個(gè)液壓缸閉環(huán)控制，即鋅液爐的水平移動(dòng)的位置控制和被加熱的試樣浸鍍垂直方向移動(dòng)的位置控制，冷卻水流量控制。由于控制閉環(huán)多且控制周期差異較大，因此采用了集散控制系統(tǒng)的方式，將控制周期短的閉環(huán)與控制周期長(zhǎng)的閉環(huán)分別用兩個(gè)控制器來(lái)完成，這樣做能充分發(fā)揮控制器的性能且編程及調(diào)試方便。硬件配置見圖1。

由于控制系統(tǒng)中的開關(guān)量被控制點(diǎn)很多且分布比較分散，同時(shí)為了節(jié)省PXI嵌入式控制器CPU的時(shí)間，而采用西門子的S7-300系列的PLC，即CPU315-2DP及ET200M夠成PROFIBUS

現(xiàn)場(chǎng)總線的控制結(jié)構(gòu)。

1．控制任務(wù)的分配

根據(jù)對(duì)被控對(duì)象控制周期的長(zhǎng)短將控制任務(wù)分為兩部分，其中液壓缸和液壓馬達(dá)的控制周期為1mS；而溫度、水流量的控制周期為10mS，因此分別在兩個(gè)控制器完成，這樣做使得程序的結(jié)構(gòu)清晰，調(diào)試方便。

模擬量的控制及數(shù)據(jù)采集都是通過(guò)PXI-6052E完成的，因?yàn)樵摂?shù)采卡可以硬件精確定時(shí)，可以通過(guò)PFI7針使PID的輸出與數(shù)據(jù)采集為相同的時(shí)鐘，因此控制更加精確。PXI嵌入式控制器與PLC控制系統(tǒng)之間是通過(guò)PXI-6527直接以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的方式進(jìn)行通訊的，因?yàn)槎唛g需要交換的信息量很小。

2．傳感器執(zhí)行器的選擇

PXI-8186RT 控制器的運(yùn)行速度很快，且能保證實(shí)時(shí)控制的確定性。為此，就要求控制系統(tǒng)中的DAQ卡、傳感器和執(zhí)行器與控制器的性能相適應(yīng)，才能真正完成一個(gè)控制周期短的閉環(huán)控制。否則雖然控制器的速度快，而傳感器和執(zhí)行器的速度慢，盡管控制器計(jì)算了幾次PID，但采集的數(shù)據(jù)沒有變化，輸出了幾次后的數(shù)據(jù)才起作用。因此我們選擇的執(zhí)行器如三級(jí)伺服閥（MOOG閥），開口度從0到最大的時(shí)間小于6ms，定做的溫度變送器的響應(yīng)時(shí)間小于10ms。

3．系統(tǒng)的抗干擾措施

上述兩臺(tái)實(shí)驗(yàn)設(shè)備都屬于精密儀器，無(wú)論對(duì)控制實(shí)時(shí)性還是對(duì)數(shù)據(jù)采集的精度和速度方面都要比實(shí)際生產(chǎn)上要求高得多，因此必須采取措施，確保整個(gè)系統(tǒng)的精度要求。1.為了更好地濾掉干擾信號(hào)，將被采集的信號(hào)通過(guò)帶有低通濾波的信號(hào)調(diào)理模塊，同時(shí)所有的被測(cè)信號(hào)均采用差分輸入的接線方式以減小共模干擾；2.整個(gè)控制系統(tǒng)做一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的接地線，并保證接地電阻小于2Ω；3.模擬量信號(hào)的屏蔽層在靠近傳感器端一點(diǎn)接地；4.所有的線圈電壓為220VAC的接觸器、電磁閥的線圈兩端都并聯(lián)了阻容吸收模塊、所有的線圈電壓為24VDC繼電器的線圈兩端反并聯(lián)一個(gè)二極管，以減少其對(duì)控制系統(tǒng)的干擾；5.為傳感器、放大器、PLC輸入節(jié)點(diǎn)供電的開關(guān)電源輸入端并聯(lián)電源濾波器。6.采用了交流電源凈化器來(lái)減少由于電網(wǎng)波動(dòng)和來(lái)自其他大負(fù)載的干擾，同時(shí)利用UPS電源來(lái)避免由于突然停電而不能正常關(guān)機(jī)，及液壓站不能迅速卸油而造成人身和設(shè)備的損傷事故。

系統(tǒng)軟件

1．軟件的總體結(jié)構(gòu)及功能

控制系統(tǒng)的軟件分為管理和控制兩部分，管理部分的軟件運(yùn)行在WINDOWS平臺(tái)下，完成人機(jī)界面（HMI），數(shù)據(jù)分析、處理、報(bào)表等功能。控制部分的軟件為Real-time控制程序，運(yùn)行在實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)下，完成實(shí)時(shí)控制任務(wù)、通訊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能。管理部分軟件通過(guò)TCP/IP協(xié)議分別與兩個(gè)控制器通訊，傳送控制參數(shù)及接收數(shù)據(jù)。其任務(wù)分配見圖2。

2．調(diào)度程序的結(jié)構(gòu)

在管理和控制程序的每個(gè)部分都有一個(gè)中心調(diào)度程序，其結(jié)構(gòu)為LabVIEW提供的狀態(tài)機(jī)，它由While Loop內(nèi)部的一個(gè)Case結(jié)構(gòu)和位移寄存器中所攜帶的Case選擇器組成，這種Case結(jié)構(gòu)的每個(gè)框架都可以向下一個(gè)迭帶中的其他框架傳輸控制或直接終止While Loop。但此結(jié)構(gòu)中如果觸發(fā)的事件特別多時(shí)，就會(huì)使用較多嵌套的Case，過(guò)多使用Case將導(dǎo)致程序運(yùn)行速度急劇下降。為此采用了多個(gè)Select函數(shù)和兩個(gè)Case結(jié)構(gòu)就可以對(duì)原來(lái)的狀態(tài)機(jī)進(jìn)行優(yōu)化，這樣做省去了多個(gè)嵌套的Case，極大地提高了程序的運(yùn)行效率。具體結(jié)構(gòu)見圖3。當(dāng)然在LabVIEW6.1以后的版本中，也可以選擇Event來(lái)響應(yīng)觸發(fā)事件。管理部分的不同程序是由主界面上的按鈕來(lái)觸發(fā)運(yùn)行的，而不同的控制是由人機(jī)界面通過(guò)通訊發(fā)送到PXI控制器的不同編碼來(lái)觸發(fā)運(yùn)行的。優(yōu)化后的狀態(tài)機(jī)結(jié)構(gòu)見圖5。

3．控制程序間的切換問(wèn)題

由于工藝過(guò)程的復(fù)雜性和結(jié)構(gòu)化編程思想的要求，使得一個(gè)程序不可能完成所有的控制任務(wù)，必須由多個(gè)控制程序相互協(xié)調(diào)配合才能完成，因此就存在控制程序間的切換問(wèn)題。如在多功能材料實(shí)驗(yàn)機(jī)中，當(dāng)PXI開機(jī)后就運(yùn)行一個(gè)接收控制編碼及控制液壓馬達(dá)保持二軸原位不動(dòng)的子程序，當(dāng)接收到某種控制編碼后就轉(zhuǎn)到相應(yīng)的控制程序中，由于每個(gè)程序開始運(yùn)行時(shí)都要Confige，結(jié)束時(shí)要Clear，因此在上一個(gè)程序結(jié)束到下一個(gè)程序開始之間，有一瞬間失控狀態(tài)，因此要保持上一個(gè)程序結(jié)束時(shí)PID輸出電壓值，直到下一個(gè)程序開始為止。而在LabVIEW7.0以后的版本中，由于DAQ底層驅(qū)動(dòng)程序速度的提高，程序的切換問(wèn)題迎刃而解。

結(jié)束語(yǔ)

本測(cè)控平臺(tái)的控制精度高，實(shí)時(shí)性好，結(jié)構(gòu)靈活，可以隨時(shí)增減被控對(duì)象。隨著LabVIEW不斷地升級(jí)，極大地減少了編程量，同時(shí)由于使用LabVIEW次數(shù)的增多，編程速度和調(diào)試技巧都有了較大的提高，因此大大地縮短了整個(gè)系統(tǒng)應(yīng)用軟件的開發(fā)時(shí)間。

該測(cè)控平臺(tái)得到了國(guó)家985科技創(chuàng)新平臺(tái)項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)的支持，對(duì)提高實(shí)驗(yàn)室綜合測(cè)控水平，更好地為生產(chǎn)實(shí)踐和工藝性新實(shí)驗(yàn)的開發(fā)提供強(qiáng)大的技術(shù)支撐。