基于LabVIEW RT的自定義流程測控系統(tǒng)

引言

在當前測量與控制領域，對于每一個不同的被測控對象，在搭建它們的測控系統(tǒng)時，都需要針對性地確定一個獨立的測控實驗流程。每個流程都可以分為若干不同的步驟，每個步驟都用來進行產(chǎn)品的某個特定性能指標的測控工作。當流程中所有步驟執(zhí)行完一遍以后，也就完成了對產(chǎn)品的一次測控工作過程。而在對產(chǎn)品壽命進行檢測時，需要多次重復上述測控工作過程，這就需要引入試驗循環(huán)。然而在同一行業(yè)中，不同類型或型號的產(chǎn)品其測控試驗流程所包含的步驟及每個步驟所模擬的試驗環(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、擴展性和通用性，可以更好地滿足用戶的實際需求。

基于LabVIEW RT的自定義流程測控系統(tǒng)

作為測控系統(tǒng)，其主要任務有兩項：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、開關量等來為軟件進行支持。當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)通過硬件驅動程序完成系統(tǒng)底層硬件同硬件接口的通信，實現(xiàn)了兩者間的數(shù)據(jù)傳輸。最后，選擇一個編程平臺，如LabVIEW、VC、VB等，根據(jù)用戶的需求。開發(fā)出相應的應用軟件，完成要求的測量和控制任務。這樣一個簡單的測控系統(tǒng)就建立了。

當前，隨著測控技術的不斷發(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。用戶對測控流程的要求也越來越復雜。針對這種原因，開發(fā)了基于LabVIEW RT的自定義流程測控系統(tǒng)。系統(tǒng)程序實現(xiàn)了硬件配置功能，用戶可方便地將整個試驗劃分為若干步驟，自定義每個步驟的動作；也可將若干步驟合成試驗階段，參與循環(huán)，實現(xiàn)復雜的試驗流程配置和數(shù)據(jù)管理。

自定義流程配置

經(jīng)過對用戶需求的深入研究，將自定義流程分成了以下幾個部分。

硬件通道配置如圖1所示，界面中硬件列表信息是系統(tǒng)自動讀取得出的，用戶添加或刪除某個硬件后，硬件列表也會進行更新，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?？紤]到用戶在對各個物理量信號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所需要的信號，并可對每路信號自由命名、選擇其對應的物理通道、設定顯示顏色和量程。在模擬量輸入方面可以選擇的信號類型有溫度、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

通道標定如圖2所示，無論是傳感器還是數(shù)據(jù)采集卡、信號調理模塊其本身都肯定存在一定的誤差。因此，為了保證試驗數(shù)據(jù)的準確性，將試驗誤差降低到最小，需要對每個通道分別進行標定。具體標定方法是：利用標準儀表讀取該通道的物理量讀數(shù)，同時獲取系統(tǒng)中該測試通道的電壓值，在二者間建立線性關系。通過該測試通道的最大和最小檢測物理量的測量，計算出線性關系的系數(shù)，對原有的換算關系進行修正。多次讀取標準儀表和數(shù)據(jù)采集卡的讀數(shù)，修正換算公式中的系數(shù)，保證標定系數(shù)的準確性。標定結束后，可以檢驗標定系數(shù)，計算絕對誤差(目標值減去檢驗值)。

圖2 通道標定

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

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

圖3 試驗流程配置

步續(xù)配置如圖4所示，根據(jù)實際經(jīng)驗，每個步續(xù)的結束條件可能不同，例如有時可能只是簡單的讓某個步續(xù)持續(xù)運行一段時間，有時某個步續(xù)只是為下一個步續(xù)提供試驗條件，如在油品測試中，有些測試是要在油的溫度達到120攝氏度以上的條件下進行的。有時試驗條件要求的某個物理量的當前值并沒有通過數(shù)據(jù)采集傳入計算機而是通過傳統(tǒng)儀表進行顯示。如油品測試中，有時需要水壓達到要求后，才能繼續(xù)進行試驗，而水壓的當前值是通過傳統(tǒng)儀表顯示的。

圖4 試驗步續(xù)配置

根據(jù)以上分析本系統(tǒng)將結束類型條件分為以下幾種：時間(即該步續(xù)執(zhí)行目標時間后結束并按順序執(zhí)行下一個步續(xù)，或由用戶自定義轉入該步續(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)字量輸入信號達到要求的目標值后結束并按順序執(zhí)行下一個步續(xù)，或由用戶自定義轉入該步續(xù)所在階段中的其他步續(xù))、對話框提示(即在該步續(xù)開始時彈出對話框提示用戶要進行的事情，在用戶確認可以結束該對話框后，系統(tǒng)將轉入下一個步續(xù))；自定義條件與時間條件組合。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，用戶可以設置目標值及到達目標值所需要的時間。閉環(huán)時，本系統(tǒng)采用PID控制，用戶需要選擇反饋信號，并設定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。在設置AI、DI報警方面，用戶可以自由設定超限值和報警值，以便當試驗出現(xiàn)意外時，能夠將試驗及時轉入安全處理流程，最大程度上保證試驗儀器和用戶人身的安全。除上述功能外，對于試驗中的某些對產(chǎn)品測量和評定起到關鍵作用的步續(xù)，用戶還可以選擇在該步續(xù)進行數(shù)據(jù)保存。以便以后可以對試驗數(shù)據(jù)進行回放和生成試驗報表等。

階段配置如圖5所示，這是一個普通的試驗流程，共有4個階段，如果不加上試驗循環(huán)的話，按照上述的配置方法就可以實現(xiàn)了。但是為了模擬出一個產(chǎn)品實際使用的環(huán)境，加入了試驗循環(huán)的概念。針對本系統(tǒng)來說，是通過軟件計數(shù)器的方式來實現(xiàn)的。對于簡單的單個循環(huán)，可以在需要循環(huán)的階段開始時對計數(shù)器進行初始化，并在該階段結束時將計數(shù)值自加后的當前值同目標值進行比較，并根據(jù)比較結果來決定試驗流程的走向(滿足目標值時，執(zhí)行下一個階段的第一個步續(xù)，不滿足時，重復循環(huán)當前階段，如圖6所示。

圖5 試驗流程圖

但是對于圖5中所示這種比較復雜的兩個循環(huán)嵌套時，除按上述方法配置兩個計數(shù)器以外，還涉及到了當兩個計數(shù)器當前值同時滿足目標值時試驗流程的走向。為此引入了優(yōu)先級概念，即當兩個或多個計數(shù)器同時滿足目標值時，系統(tǒng)根據(jù)優(yōu)先級的高低，按照高優(yōu)先級的設定來執(zhí)行試驗。為了最大程度上滿足用戶的需求，本系統(tǒng)配有8個計數(shù)器，最高支持8層的循環(huán)嵌套。

圖6 試驗循環(huán)配置

系統(tǒng)構成

本系統(tǒng)是在LabVIEW編程平臺下開發(fā)的基于LabVIEW RT技術的自定義流程測控系統(tǒng)，采用上、下位機結構，上位機主要完成對試驗的監(jiān)控、參數(shù)設置、數(shù)據(jù)記錄和顯示、試驗數(shù)據(jù)保存?zhèn)浞莸裙δ?，并將用戶下達的命令和配置參數(shù)傳送到下位機。下位機運行LabVIEW RT系統(tǒng)，對系統(tǒng)實行實時管理，并根據(jù)上位機下達的命令，完成數(shù)據(jù)采集和控制等特定功能，并將試驗數(shù)據(jù)和當前試驗狀態(tài)返回到上位機。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

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，所以上、下位機之間的數(shù)據(jù)通信采用以太網(wǎng)和TCP/IP網(wǎng)絡通信協(xié)議。上位機采用Windows 2000操作平臺，由于本系統(tǒng)是多路模擬信號同時采集，對AI、DI報警要做出實時緊急響應，PID控制對時間精度有較高的要求，所以下位機采用LabVIEW RT系統(tǒng)。LabVIEW RT不需要外圍設備，后臺程序和服務較少，能夠保證高優(yōu)先級任務優(yōu)先執(zhí)行，并準確的把握時間的精確性，穩(wěn)定性較高。作為下位機，其程序的運行不受主機的影響。

計算機配置

上位機選用高性能的PCI總線工業(yè)控制計算機。下位機選用NI公司基于PXI總線的計算機控制器、數(shù)據(jù)采集卡、工業(yè)級數(shù)字I/O卡和用于進行信號調理的各種功能模塊。

基于LabVIEW RT技術的自定義試驗流程的測量與控制系統(tǒng)如圖8所示，主要應用于對自動傳動液和四沖程摩托車機油進行性能測試以及評定。

圖8 油品測試與控制系統(tǒng)

結束語

在油品測試及評定行業(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流程方面的高度靈活性，本系統(tǒng)擁有很強的拓展空間，可廣泛應用于應用于有測試流程管理需求的諸多領域。此外，本系統(tǒng)上、下位機RT實時測量與控制的結構模式在那些對控制時間精確要求高、時間緊急決斷響應等方面也值得借鑒。