基于LabVIEW RT 的集散控制系統(tǒng)

應(yīng)用領(lǐng)域：工業(yè)自動化

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、多實時閉環(huán)控制任務(wù)，數(shù)據(jù)采集，邏輯控制等的多功能測控平臺。

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)行程序生成器來開發(fā)一個集多任務(wù)實時控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析為一體的集散測控系統(tǒng)。

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

介紹

近年來，隨著我國經(jīng)濟的迅猛發(fā)展，測控技術(shù)，尤其是基于LabVIEW快速開發(fā)的測控系統(tǒng)也在各行各業(yè)得到了較好地應(yīng)用。我們根據(jù)科研項目的要求開發(fā)了一個可以對多個被控對象進行高速、高精度的控制，同時對多個變量進行數(shù)據(jù)采集和分析的多功能測控平臺，它對新開發(fā)實驗設(shè)備控制系統(tǒng)的優(yōu)化和改進，生產(chǎn)線上關(guān)鍵儀器儀表的測控及性能評估都具有重要的意義。

序言

我們開發(fā)的應(yīng)用在冶金實驗領(lǐng)域的實驗設(shè)備，如多功能材料實驗機、熱鍍鋅實驗機等，其被控對象都比較相似，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)了一個具有通用性的測控系統(tǒng)，即基于LabVIEW RT的測控平臺。

這個測控平臺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。對于不同的被控對象，只需要對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，采用直接電阻加熱，即使試樣中通過低電壓，大電流的方式加熱，然后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(guān)參數(shù)。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，然后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(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

上述實驗設(shè)備中有許多模擬量控制閉環(huán)，在多功能材料實驗機中的被控對象有兩個液壓缸控制閉環(huán)，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(zhuǎn)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(huán)，即鋅液熔化爐的溫度控制、試樣溫度控制，兩個液壓缸閉環(huán)控制，即鋅液爐的水平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)與控制周期長的閉環(huán)分別用兩個控制器來完成，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)量被控制點很多且分布比較分散，同時為了節(jié)省PXI嵌入式控制器CPU的時間，而采用西門子的S7-300系列的PLC，即CPU315-2DP及ET200M夠成PROFIBUS

現(xiàn)場總線的控制結(jié)構(gòu)。

1．控制任務(wù)的分配

根據(jù)對被控對象控制周期的長短將控制任務(wù)分為兩部分，其中液壓缸和液壓馬達的控制周期為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PXI-6052E完成的，因為該數(shù)采卡可以硬件精確定時，可以通過PFI7針使PID的輸出與數(shù)據(jù)采集為相同的時鐘，因此控制更加精確。PXI嵌入式控制器與PLC控制系統(tǒng)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．傳感器執(zhí)行器的選擇

PXI-8186RT 控制器的運行速度很快，且能保證實時控制的確定性。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)行器如三級伺服閥（MOOG閥），開口度從0到最大的時間小于6ms，定做的溫度變送器的響應(yīng)時間小于10ms。

3．系統(tǒng)的抗干擾措施

上述兩臺實驗設(shè)備都屬于精密儀器，無論對控制實時性還是對數(shù)據(jù)采集的精度和速度方面都要比實際生產(chǎn)上要求高得多，因此必須采取措施，確保整個系統(tǒng)的精度要求。1.為了更好地濾掉干擾信號，將被采集的信號通過帶有低通濾波的信號調(diào)理模塊，同時所有的被測信號均采用差分輸入的接線方式以減小共模干擾；2.整個控制系統(tǒng)做一個標(biāo)準(zhǔn)的接地線，并保證接地電阻小于2Ω；3.模擬量信號的屏蔽層在靠近傳感器端一點接地；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)一個二極管，以減少其對控制系統(tǒng)的干擾；5.為傳感器、放大器、PLC輸入節(jié)點供電的開關(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減少由于電網(wǎng)波動和來自其他大負(fù)載的干擾，同時利用UPS電源來避免由于突然停電而不能正常關(guān)機，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，管理部分的軟件運行在WINDOWS平臺下，完成人機界面（HMI），數(shù)據(jù)分析、處理、報表等功能?？刂撇糠值能浖?/SPAN>Real-time控制程序，運行在實時操作系統(tǒng)下，完成實時控制任務(wù)、通訊、數(shù)據(jù)存儲等功能。管理部分軟件通過TCP/IP協(xié)議分別與兩個控制器通訊，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部分都有一個中心調(diào)度程序，其結(jié)構(gòu)為LabVIEW提供的狀態(tài)機，它由While Loop內(nèi)部的一個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(jié)構(gòu)中如果觸發(fā)的事件特別多時，就會使用較多嵌套的Case，過多使用Case將導(dǎo)致程序運行速度急劇下降。為此采用了多個Select函數(shù)和兩個Case結(jié)構(gòu)就可以對原來的狀態(tài)機進行優(yōu)化，這樣做省去了多個嵌套的Case，極大地提高了程序的運行效率。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觸發(fā)運行的，而不同的控制是由人機界面通過通訊發(fā)送到PXI控制器的不同編碼來觸發(fā)運行的。優(yōu)化后的狀態(tài)機結(jié)構(gòu)見圖5。

3．控制程序間的切換問題

由于工藝過程的復(fù)雜性和結(jié)構(gòu)化編程思想的要求，使得一個程序不可能完成所有的控制任務(wù)，必須由多個控制程序相互協(xié)調(diào)配合才能完成，因此就存在控制程序間的切換問題。如在多功能材料實驗機中，當(dāng)PXI開機后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，由于每個程序開始運行時都要Confige，結(jié)束時要Clear，因此在上一個程序結(jié)束到下一個程序開始之間，有一瞬間失控狀態(tài)，因此要保持上一個程序結(jié)束時PID輸出電壓值，直到下一個程序開始為止。而在LabVIEW7.0以后的版本中，由于DAQ底層驅(qū)動程序速度的提高，程序的切換問題迎刃而解。

結(jié)束語

本測控平臺的控制精度高，實時性好，結(jié)構(gòu)靈活，可以隨時增減被控對象。隨著LabVIEW不斷地升級，極大地減少了編程量，同時由于使用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系統(tǒng)應(yīng)用軟件的開發(fā)時間。

該測控平臺得到了國家985科技創(chuàng)新平臺項目經(jīng)費的支持，對提高實驗室綜合測控水平，更好地為生產(chǎn)實踐和工藝性新實驗的開發(fā)提供強大的技術(shù)支撐。