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技術文章:基於LabVIEW RT 的集散控制系統
基於LabVIEW RT 的集散控制系統
發佈時間:2006/10/12 下午 12:06:21

       應用領域:工業自動化
     挑戰:利用PXI嵌入式控制器、LabVIEW RT 開發出完成高速、高精度、多即時閉環控制任務,資料獲取,邏輯控制等的多功能測控平臺。

      應用方案:使用National Instruments公司的RT系列的PXI嵌入式控制器、E系列多功能數采卡、LabVIEW RT 、LabVIEW RT控制工具包以及執行程式生成器來開發一個集多工即時控制、資料獲取、資料分析為一體的集散測控系統。

    使用的產品:PXI 8186 RT ;LabVIEW RT;PXI-6052E;PXI-6527

介紹

    近年來,隨著我國經濟的迅猛發展,測控技術,尤其是基於LabVIEW快速開發的測控系統也在各行各業得到了較好地應用。我們根據科研專案的要求開發了一個可以對多個被控物件進行高速、高精度的控制,同時對多個變數進行資料獲取和分析的多功能測控平臺,它對新開發實驗設備控制系統的優化和改進,生產線上關鍵儀器儀錶的測控及性能評估都具有重要的意義。

序言

    我們開發的應用在冶金實驗領域的實驗設備,如多功能材料實驗機、熱鍍鋅實驗機等,其被控物件都比較相似,對控制效果的要求也相似,即都具有液壓站、高精度的位移感測器、高速伺服閥、溫度控制、資料獲取等,都要求閉環控制週期盡可能的短,通常位移閉環為1ms,溫度閉環為10ms。根據上述情況,我們開發了一個具有通用性的測控系統,即基於LabVIEW RT的測控平臺。

    這個測控平臺在硬體連接上採用便於安裝和易於拓展的結構,在軟體上採用了模組化結構,便於程式的調試、優化。對於不同的被控物件,只需要對硬體和軟體做少量的修改,而總體結構不變,就可以完成對不同設備的控制,從而充分發揮了虛擬儀器的靈活性和高效率。

工藝原理簡介

    多功能材料實驗機的工作原理是利用直接焊在試樣(柱狀或板狀)軸心處的熱電偶測量溫度,採用直接電阻加熱,即使試樣中通過低電壓,大電流的方式加熱,然後通過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程的所有相關參數。熱鍍鋅實驗機的原理也是利用直接焊在試樣(片狀)上的熱電偶測量溫度,通過紅外輻射管使試樣快速升溫,然後通過控制液壓缸將試樣快速移動到事先熔化好的鋅液中浸一下,再快速返回。要求記錄浸鍍過程的所有工藝參數。加熱試樣的操作箱或石英玻璃罩內都可以抽真空或充以惰性氣體,以防止試樣被氧化。

控制系統構成

    上述實驗設備中有許多類比量控制閉環,在多功能材料實驗機中的被控物件有兩個液壓缸控制閉環,即一個Ⅰ軸錘頭打擊控制和一個Ⅱ軸的試樣變形量定位控制,試樣溫度控制、扭轉控制、淬火水流量控制。在熱鍍鋅實驗機中有兩個溫度控制閉環,即鋅液熔化爐的溫度控制、試樣溫度控制,兩個液壓缸閉環控制,即鋅液爐的水準移動的位置控制和被加熱的試樣浸鍍垂直方向移動的位置控制,冷卻水流量控制。由於控制閉環多且控制週期差異較大,因此採用了集散控制系統的方式,將控制週期短的閉環與控制週期長的閉環分別用兩個控制器來完成,這樣做能充分發揮控制器的性能且編程及調試方便。硬體配置見圖1。

    由於控制系統中的開關量被控制點很多且分佈比較分散,同時為了節省PXI嵌入式控制器CPU的時間,而採用西門子的S7-300系列的PLC,即CPU315-2DP及ET200M夠成PROFIBUS

現場匯流排的控制結構。

1.控制任務的分配

    根據對被控物件控制週期的長短將控制任務分為兩部分,其中液壓缸和液壓馬達的控制週期為1mS;而溫度、水流量的控制週期為10mS,因此分別在兩個控制器完成,這樣做使得程式的結構清晰,調試方便。

    模擬量的控制及資料獲取都是通過PXI-6052E完成的,因為該數采卡可以硬體精確定時,可以通過PFI7針使PID的輸出與資料獲取為相同的時鐘,因此控制更加精確。PXI嵌入式控制器與PLC控制系統之間是通過PXI-6527直接以點對點的方式進行通訊的,因為二者間需要交換的信息量很小。

2.感測器執行器的選擇

    PXI-8186RT 控制器的運行速度很快,且能保證即時控制的確定性。為此,就要求控制系統中的DAQ卡、感測器和執行器與控制器的性能相適應,才能真正完成一個控制週期短的閉環控制。否則雖然控制器的速度快,而感測器和執行器的速度慢,儘管控制器計算了幾次PID,但採集的資料沒有變化,輸出了幾次後的資料才起作用。因此我們選擇的執行器如三級伺服閥(MOOG閥),開口度從0到最大的時間小於6ms,定做的溫度變送器的回應時間小於10ms。

3.系統的抗*擾措施

    上述兩台實驗設備都屬於精密儀器,無論對控制即時性還是對資料獲取的精度和速度方面都要比實際生產上要求高得多,因此必須採取措施,確保整個系統的精度要求。1.為了更好地濾掉*擾信號,將被採集的信號通過帶有低通濾波的信號調理模組,同時所有的被測信號均採用差分輸入的接線方式以減小共模*擾;2.整個控制系統做一個標準的接地線,並保證接地電阻小於2Ω;3.類比量信號的遮罩層在*近感測器端一點接地;4.所有的線圈電壓為220VAC的接觸器、電磁閥的線圈兩端都並聯了阻容吸收模組、所有的線圈電壓為24VDC繼電器的線圈兩端反並聯一個二極體,以減少其對控制系統的*擾;5.為感測器、放大器、PLC輸入節點供電的開關電源輸入端並聯電源濾波器。6.採用了交流電源淨化器來減少由於電網波動和來自其他大負載的*擾,同時利用UPS電源來避免由於突然停電而不能正常關機,及液壓站不能迅速卸油而造成人身和設備的損傷事故。

系統軟體

1.軟體的總體結構及功能

    控制系統的軟體分為管理和控制兩部分,管理部分的軟體運行在WINDOWS平臺下,完成人機介面(HMI),資料分析、處理、報表等功能。控制部分的軟體為Real-time控制程式,運行在即時操作系統下,完成即時控制任務、通訊、資料存儲等功能。管理部分軟體通過TCP/IP協定分別與兩個控制器通訊,傳送控制參數及接收資料。其任務分配見圖2。

2.調度程式的結構

    在管理和控制程式的每個部分都有一個中心調度程式,其結構為LabVIEW提供的狀態機,它由While Loop內部的一個Case結構和位移寄存器中所攜帶的Case選擇器組成,這種Case結構的每個框架都可以向下一個迭帶中的其他框架傳輸控制或直接終止While Loop。但此結構中如果觸發的事件特別多時,就會使用較多嵌套的Case,過多使用Case將導致程式運行速度急劇下降。為此採用了多個Select函數和兩個Case結構就可以對原來的狀態機進行優化,這樣做省去了多個嵌套的Case,極大地提高了程式的運行效率。具體結構見圖3。當然在LabVIEW6.1以後的版本中,也可以選擇Event來回應觸發事件。管理部分的不同程式是由主介面上的按鈕來觸發運行的,而不同的控制是由人機介面通過通訊發送到PXI控制器的不同編碼來觸發運行的。優化後的狀態機結構見圖5。

3.控制程式間的切換問題

    由於工藝過程的複雜性和結構化編程思想的要求,使得一個程式不可能完成所有的控制任務,必須由多個控制程式相互協調配合才能完成,因此就存在控制程式間的切換問題。如在多功能材料實驗機中,當PXI開機後就運行一個接收控制編碼及控制液壓馬達保持二軸原位不動的副程式,當接收到某種控制編碼後就轉到相應的控制程式中,由於每個程式開始運行時都要Confige,結束時要Clear,因此在上一個程式結束到下一個程式開始之間,有一瞬間失控狀態,因此要保持上一個程式結束時PID輸出電壓值,直到下一個程式開始為止。而在LabVIEW7.0以後的版本中,由於DAQ底層驅動程式速度的提高,程式的切換問題迎刃而解。

結束語

    本測控平臺的控制精度高,即時性好,結構靈活,可以隨時增減被控物件。隨著LabVIEW不斷地升級,極大地減少了編程量,同時由於使用LabVIEW次數的增多,編程速度和調試技巧都有了較大的提高,因此大大地縮短了整個系統應用軟體的開發時間。

    該測控平臺得到了國家985科技創新平臺項目經費的支持,對提高實驗室綜合測控水準,更好地為生產實踐和工藝性新實驗的開發提供強大的技術支撐。

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