基于LabVIEW RT的自定義流程測控系統(tǒng)

引言

在當(dāng)前測量與控制領(lǐng)域，對(duì)于每一個(gè)不同的被測控對(duì)象，在搭建它們的測控系統(tǒng)時(shí)，都需要針對(duì)性地確定一個(gè)獨(dú)立的測控實(shí)驗(yàn)流程。每個(gè)流程都可以分為若干不同的步驟，每個(gè)步驟都用來進(jìn)行產(chǎn)品的某個(gè)特定性能指標(biāo)的測控工作。當(dāng)流程中所有步驟執(zhí)行完一遍以后，也就完成了對(duì)產(chǎn)品的一次測控工作過程。而在對(duì)產(chǎn)品壽命進(jìn)行檢測時(shí)，需要多次重復(fù)上述測控工作過程，這就需要引入試驗(yàn)循環(huán)。然而在同一行業(yè)中，不同類型或型號(hào)的產(chǎn)品其測控試驗(yàn)流程所包含的步驟及每個(gè)步驟所模擬的試驗(yàn)環(huán)境可能有所不同，因此具有用戶自定義流程功能的測控系統(tǒng)，將具有更好的兼容性、擴(kuò)展性和通用性，可以更好地滿足用戶的實(shí)際需求。

基于LabVIEW RT的自定義流程測控系統(tǒng)

作為測控系統(tǒng)，其主要任務(wù)有兩項(xiàng)：測量和控制。測量系統(tǒng)由傳感器和數(shù)據(jù)采集模塊組成，控制系統(tǒng)由執(zhí)行元件和控制模塊組成。所以要建立一個(gè)測控系統(tǒng)，首先要有一系列的硬件，例如傳感器、執(zhí)行器、開關(guān)量等來為軟件進(jìn)行支持。當(dāng)然光有硬件是不夠的，下一步需要將硬件同軟件聯(lián)系起來，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。也就是說要依靠某種總線(如PCI或PXI總線等)通過硬件驅(qū)動(dòng)程序完成系統(tǒng)底層硬件同硬件接口的通信，實(shí)現(xiàn)了兩者間的數(shù)據(jù)傳輸。最后，選擇一個(gè)編程平臺(tái)，如LabVIEW、VC、VB等，根據(jù)用戶的需求。開發(fā)出相應(yīng)的應(yīng)用軟件，完成要求的測量和控制任務(wù)。這樣一個(gè)簡單的測控系統(tǒng)就建立了。

當(dāng)前，隨著測控技術(shù)的不斷發(fā)展，簡單的測控系統(tǒng)已經(jīng)越來越不能滿足用戶的需求了。用戶對(duì)測控流程的要求也越來越復(fù)雜。針對(duì)這種原因，開發(fā)了基于LabVIEW RT的自定義流程測控系統(tǒng)。系統(tǒng)程序?qū)崿F(xiàn)了硬件配置功能，用戶可方便地將整個(gè)試驗(yàn)劃分為若干步驟，自定義每個(gè)步驟的動(dòng)作；也可將若干步驟合成試驗(yàn)階段，參與循環(huán)，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的試驗(yàn)流程配置和數(shù)據(jù)管理。

自定義流程配置

經(jīng)過對(duì)用戶需求的深入研究，將自定義流程分成了以下幾個(gè)部分。

硬件通道配置如圖1所示，界面中硬件列表信息是系統(tǒng)自動(dòng)讀取得出的，用戶添加或刪除某個(gè)硬件后，硬件列表也會(huì)進(jìn)行更新，目前硬件列表只支持美國國家儀器公司(National Instrument簡稱NI)公司生產(chǎn)的各種板卡。考慮到用戶在對(duì)各個(gè)物理量信號(hào)類型的需求上可能有所不同，所以在該界面中，用戶可以選擇本次試驗(yàn)所需要的信號(hào)，并可對(duì)每路信號(hào)自由命名、選擇其對(duì)應(yīng)的物理通道、設(shè)定顯示顏色和量程。在模擬量輸入方面可以選擇的信號(hào)類型有溫度、電壓、頻率和位移。在模擬量輸出方面可以選擇的信號(hào)類型有電流和電壓。數(shù)字量輸入輸出方面，配有48路數(shù)字量輸入與輸出通道。可基本滿足用戶的一般需求。

圖1 硬件通道配置

通道標(biāo)定如圖2所示，無論是傳感器還是數(shù)據(jù)采集卡、信號(hào)調(diào)理模塊其本身都肯定存在一定的誤差。因此，為了保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，將試驗(yàn)誤差降低到最小，需要對(duì)每個(gè)通道分別進(jìn)行標(biāo)定。具體標(biāo)定方法是：利用標(biāo)準(zhǔn)儀表讀取該通道的物理量讀數(shù)，同時(shí)獲取系統(tǒng)中該測試通道的電壓值，在二者間建立線性關(guān)系。通過該測試通道的最大和最小檢測物理量的測量，計(jì)算出線性關(guān)系的系數(shù)，對(duì)原有的換算關(guān)系進(jìn)行修正。多次讀取標(biāo)準(zhǔn)儀表和數(shù)據(jù)采集卡的讀數(shù)，修正換算公式中的系數(shù)，保證標(biāo)定系數(shù)的準(zhǔn)確性。標(biāo)定結(jié)束后，可以檢驗(yàn)標(biāo)定系數(shù)，計(jì)算絕對(duì)誤差(目標(biāo)值減去檢驗(yàn)值)。

圖2 通道標(biāo)定

在實(shí)際應(yīng)用中，為了測量產(chǎn)品的使用壽命，需要多次重復(fù)模擬產(chǎn)品的某種使用環(huán)境，即重復(fù)循環(huán)執(zhí)行某個(gè)試驗(yàn)流程，考慮到以上這點(diǎn)，在本系統(tǒng)中把這樣的一個(gè)流程稱之為階段，因此階段也就是試驗(yàn)循環(huán)的最小單位。而在同一個(gè)階段中，用戶要模擬的產(chǎn)品使用環(huán)境可能會(huì)有所改變，所以又將階段進(jìn)行細(xì)分，即把階段分成一個(gè)或多個(gè)步續(xù)，每個(gè)步續(xù)通過獨(dú)立配置都可以模擬產(chǎn)品的一種使用環(huán)境，因此步續(xù)也就是整個(gè)試驗(yàn)流程的最小單位。

試驗(yàn)流程配置如圖3所示。在左側(cè)的試驗(yàn)流程列表中，最高層次是“試驗(yàn)順序樹”即整個(gè)試驗(yàn)完整流程，然后向下一個(gè)層次是“階段”，最低層次就是所說的“步續(xù)”。在用戶進(jìn)行自定義流程配置之前，系統(tǒng)已經(jīng)預(yù)制了5個(gè)特殊階段：開始，停車、緊急停車、空閑和斷點(diǎn)繼續(xù)。在該界面右側(cè)區(qū)域，用戶可以點(diǎn)擊相應(yīng)的按鈕來插入、刪除、重命名某個(gè)自定義的階段或步續(xù)。

圖3 試驗(yàn)流程配置

步續(xù)配置如圖4所示，根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，每個(gè)步續(xù)的結(jié)束條件可能不同，例如有時(shí)可能只是簡單的讓某個(gè)步續(xù)持續(xù)運(yùn)行一段時(shí)間，有時(shí)某個(gè)步續(xù)只是為下一個(gè)步續(xù)提供試驗(yàn)條件，如在油品測試中，有些測試是要在油的溫度達(dá)到120攝氏度以上的條件下進(jìn)行的。有時(shí)試驗(yàn)條件要求的某個(gè)物理量的當(dāng)前值并沒有通過數(shù)據(jù)采集傳入計(jì)算機(jī)而是通過傳統(tǒng)儀表進(jìn)行顯示。如油品測試中，有時(shí)需要水壓達(dá)到要求后，才能繼續(xù)進(jìn)行試驗(yàn)，而水壓的當(dāng)前值是通過傳統(tǒng)儀表顯示的。

圖4 試驗(yàn)步續(xù)配置

根據(jù)以上分析本系統(tǒng)將結(jié)束類型條件分為以下幾種：時(shí)間(即該步續(xù)執(zhí)行目標(biāo)時(shí)間后結(jié)束并按順序執(zhí)行下一個(gè)步續(xù)，或由用戶自定義轉(zhuǎn)入該步續(xù)所在階段中的其他步續(xù))；自定義條件(即某路模擬量或數(shù)字量輸入信號(hào)達(dá)到要求的目標(biāo)值后結(jié)束并按順序執(zhí)行下一個(gè)步續(xù)，或由用戶自定義轉(zhuǎn)入該步續(xù)所在階段中的其他步續(xù))、對(duì)話框提示(即在該步續(xù)開始時(shí)彈出對(duì)話框提示用戶要進(jìn)行的事情，在用戶確認(rèn)可以結(jié)束該對(duì)話框后，系統(tǒng)將轉(zhuǎn)入下一個(gè)步續(xù))；自定義條件與時(shí)間條件組合。此外在步續(xù)配置界面中還可以配置AO、DO輸出來控制執(zhí)行器，AO方面，用戶可以選擇的輸出方式有開環(huán)和閉環(huán)兩種。

開環(huán)時(shí)，用戶可以設(shè)置目標(biāo)值及到達(dá)目標(biāo)值所需要的時(shí)間。閉環(huán)時(shí)，本系統(tǒng)采用PID控制，用戶需要選擇反饋信號(hào)，并設(shè)定PID中的比例、積分和微分常數(shù)。DO方面主要是由用戶配置輸出高低電平來控制電磁閥的操作。在設(shè)置AI、DI報(bào)警方面，用戶可以自由設(shè)定超限值和報(bào)警值，以便當(dāng)試驗(yàn)出現(xiàn)意外時(shí)，能夠?qū)⒃囼?yàn)及時(shí)轉(zhuǎn)入安全處理流程，最大程度上保證試驗(yàn)儀器和用戶人身的安全。除上述功能外，對(duì)于試驗(yàn)中的某些對(duì)產(chǎn)品測量和評(píng)定起到關(guān)鍵作用的步續(xù)，用戶還可以選擇在該步續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)保存。以便以后可以對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回放和生成試驗(yàn)報(bào)表等。

階段配置如圖5所示，這是一個(gè)普通的試驗(yàn)流程，共有4個(gè)階段，如果不加上試驗(yàn)循環(huán)的話，按照上述的配置方法就可以實(shí)現(xiàn)了。但是為了模擬出一個(gè)產(chǎn)品實(shí)際使用的環(huán)境，加入了試驗(yàn)循環(huán)的概念。針對(duì)本系統(tǒng)來說，是通過軟件計(jì)數(shù)器的方式來實(shí)現(xiàn)的。對(duì)于簡單的單個(gè)循環(huán)，可以在需要循環(huán)的階段開始時(shí)對(duì)計(jì)數(shù)器進(jìn)行初始化，并在該階段結(jié)束時(shí)將計(jì)數(shù)值自加后的當(dāng)前值同目標(biāo)值進(jìn)行比較，并根據(jù)比較結(jié)果來決定試驗(yàn)流程的走向(滿足目標(biāo)值時(shí)，執(zhí)行下一個(gè)階段的第一個(gè)步續(xù)，不滿足時(shí)，重復(fù)循環(huán)當(dāng)前階段，如圖6所示。

圖5 試驗(yàn)流程圖

但是對(duì)于圖5中所示這種比較復(fù)雜的兩個(gè)循環(huán)嵌套時(shí)，除按上述方法配置兩個(gè)計(jì)數(shù)器以外，還涉及到了當(dāng)兩個(gè)計(jì)數(shù)器當(dāng)前值同時(shí)滿足目標(biāo)值時(shí)試驗(yàn)流程的走向。為此引入了優(yōu)先級(jí)概念，即當(dāng)兩個(gè)或多個(gè)計(jì)數(shù)器同時(shí)滿足目標(biāo)值時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)優(yōu)先級(jí)的高低，按照高優(yōu)先級(jí)的設(shè)定來執(zhí)行試驗(yàn)。為了最大程度上滿足用戶的需求，本系統(tǒng)配有8個(gè)計(jì)數(shù)器，最高支持8層的循環(huán)嵌套。

圖6 試驗(yàn)循環(huán)配置

系統(tǒng)構(gòu)成

本系統(tǒng)是在LabVIEW編程平臺(tái)下開發(fā)的基于LabVIEW RT技術(shù)的自定義流程測控系統(tǒng)，采用上、下位機(jī)結(jié)構(gòu)，上位機(jī)主要完成對(duì)試驗(yàn)的監(jiān)控、參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)記錄和顯示、試驗(yàn)數(shù)據(jù)保存?zhèn)浞莸裙δ?，并將用戶下達(dá)的命令和配置參數(shù)傳送到下位機(jī)。下位機(jī)運(yùn)行LabVIEW RT系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)實(shí)行實(shí)時(shí)管理，并根據(jù)上位機(jī)下達(dá)的命令，完成數(shù)據(jù)采集和控制等特定功能，并將試驗(yàn)數(shù)據(jù)和當(dāng)前試驗(yàn)狀態(tài)返回到上位機(jī)。系統(tǒng)框圖如圖7所示。

圖7 自定義流程測控系統(tǒng)示意圖

通信網(wǎng)絡(luò)

考慮到TCP/IP通信具有傳輸速度快，數(shù)據(jù)不易丟失的特點(diǎn)，所以上、下位機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信采用以太網(wǎng)和TCP/IP網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議。上位機(jī)采用Windows 2000操作平臺(tái)，由于本系統(tǒng)是多路模擬信號(hào)同時(shí)采集，對(duì)AI、DI報(bào)警要做出實(shí)時(shí)緊急響應(yīng)，PID控制對(duì)時(shí)間精度有較高的要求，所以下位機(jī)采用LabVIEW RT系統(tǒng)。LabVIEW RT不需要外圍設(shè)備，后臺(tái)程序和服務(wù)較少，能夠保證高優(yōu)先級(jí)任務(wù)優(yōu)先執(zhí)行，并準(zhǔn)確的把握時(shí)間的精確性，穩(wěn)定性較高。作為下位機(jī)，其程序的運(yùn)行不受主機(jī)的影響。

計(jì)算機(jī)配置

上位機(jī)選用高性能的PCI總線工業(yè)控制計(jì)算機(jī)。下位機(jī)選用NI公司基于PXI總線的計(jì)算機(jī)控制器、數(shù)據(jù)采集卡、工業(yè)級(jí)數(shù)字I/O卡和用于進(jìn)行信號(hào)調(diào)理的各種功能模塊。

基于LabVIEW RT技術(shù)的自定義試驗(yàn)流程的測量與控制系統(tǒng)如圖8所示，主要應(yīng)用于對(duì)自動(dòng)傳動(dòng)液和四沖程摩托車機(jī)油進(jìn)行性能測試以及評(píng)定。

圖8 油品測試與控制系統(tǒng)

結(jié)束語

在油品測試及評(píng)定行業(yè)，本系統(tǒng)具有一定的通用性，可完全滿足一般用戶的需求。另外鑒于在硬件配置以及試驗(yàn)流程方面的高度靈活性，本系統(tǒng)擁有很強(qiáng)的拓展空間，可廣泛應(yīng)用于應(yīng)用于有測試流程管理需求的諸多領(lǐng)域。此外，本系統(tǒng)上、下位機(jī)RT實(shí)時(shí)測量與控制的結(jié)構(gòu)模式在那些對(duì)控制時(shí)間精確要求高、時(shí)間緊急決斷響應(yīng)等方面也值得借鑒。