基于LabVIEW RT的自定義流程測控系統

引言

在當前測量與控制領(lǐng)域，對于每一個(gè)不同的被測控對象，在搭建它們的測控系統時(shí)，都需要針對性地確定一個(gè)獨立的測控實(shí)驗流程。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(lái)進(jìn)行產(chǎn)品的某個(gè)特定性能指標的測控工作。當流程中所有步驟執行完一遍以后，也就完成了對產(chǎn)品的一次測控工作過(guò)程。而在對產(chǎn)品壽命進(jìn)行檢測時(shí)，需要多次重復上述測控工作過(guò)程，這就需要引入試驗循環(huán)。然而在同一行業(yè)中，不同類(lèi)型或型號的產(chǎn)品其測控試驗流程所包含的步驟及每個(gè)步驟所模擬的試驗環(huán)境可能有所不同，因此具有用戶(hù)自定義流程功能的測控系統，將具有更好的兼容性、擴展性和通用性，可以更好地滿(mǎn)足用戶(hù)的實(shí)際需求。

基于LabVIEW RT的自定義流程測控系統

作為測控系統，其主要任務(wù)有兩項：測量和控制。測量系統由傳感器和數據采集模塊組成，控制系統由執行元件和控制模塊組成。所以要建立一個(gè)測控系統，首先要有一系列的硬件，例如傳感器、執行器、開(kāi)關(guān)量等來(lái)為軟件進(jìn)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(lái)，實(shí)現數據傳輸。也就是說(shuō)要依靠某種總線(xiàn)(如PCI或PXI總線(xiàn)等)通過(guò)硬件驅動(dòng)程序完成系統底層硬件同硬件接口的通信，實(shí)現了兩者間的數據傳輸。最后，選擇一個(gè)編程平臺，如LabVIEW、VC、VB等，根據用戶(hù)的需求。開(kāi)發(fā)出相應的應用軟件，完成要求的測量和控制任務(wù)。這樣一個(gè)簡(jiǎn)單的測控系統就建立了。

當前，隨著(zhù)測控技術(shù)的不斷發(fā)展，簡(jiǎn)單的測控系統已經(jīng)越來(lái)越不能滿(mǎn)足用戶(hù)的需求了。用戶(hù)對測控流程的要求也越來(lái)越復雜。針對這種原因，開(kāi)發(fā)了基于LabVIEW RT的自定義流程測控系統。系統程序實(shí)現了硬件配置功能，用戶(hù)可方便地將整個(gè)試驗劃分為若干步驟，自定義每個(gè)步驟的動(dòng)作；也可將若干步驟合成試驗階段，參與循環(huán)，實(shí)現復雜的試驗流程配置和數據管理。

自定義流程配置

經(jīng)過(guò)對用戶(hù)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自動(dòng)讀取得出的，用戶(hù)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(jiǎn)稱(chēng)NI)公司生產(chǎn)的各種板卡?？紤]到用戶(hù)在對各個(gè)物理量信號類(lèi)型的需求上可能有所不同，所以在該界面中，用戶(hù)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(lèi)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(lèi)型有電流和電壓。數字量輸入輸出方面，配有48路數字量輸入與輸出通道?？苫緷M(mǎn)足用戶(hù)的一般需求。

圖1 硬件通道配置

通道標定如圖2所示，無(wú)論是傳感器還是數據采集卡、信號調理模塊其本身都肯定存在一定的誤差。因此，為了保證試驗數據的準確性，將試驗誤差降低到最小，需要對每個(gè)通道分別進(jìn)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，同時(shí)獲取系統中該測試通道的電壓值，在二者間建立線(xiàn)性關(guān)系。通過(guò)該測試通道的最大和最小檢測物理量的測量，計算出線(xiàn)性關(guān)系的系數，對原有的換算關(guān)系進(jìn)行修正。多次讀取標準儀表和數據采集卡的讀數，修正換算公式中的系數，保證標定系數的準確性。標定結束后，可以檢驗標定系數，計算絕對誤差(目標值減去檢驗值)。

圖2 通道標定

在實(shí)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)執行某個(gè)試驗流程，考慮到以上這點(diǎn)，在本系統中把這樣的一個(gè)流程稱(chēng)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(gè)階段中，用戶(hù)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)行細分，即把階段分成一個(gè)或多個(gè)步續，每個(gè)步續通過(guò)獨立配置都可以模擬產(chǎn)品的一種使用環(huán)境，因此步續也就是整個(gè)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(shù)”即整個(gè)試驗完整流程，然后向下一個(gè)層次是“階段”，最低層次就是所說(shuō)的“步續”。在用戶(hù)進(jìn)行自定義流程配置之前，系統已經(jīng)預制了5個(gè)特殊階段：開(kāi)始，停車(chē)、緊急停車(chē)、空閑和斷點(diǎn)繼續。在該界面右側區域，用戶(hù)可以點(diǎn)擊相應的按鈕來(lái)插入、刪除、重命名某個(gè)自定義的階段或步續。

圖3 試驗流程配置

步續配置如圖4所示，根據實(shí)際經(jīng)驗，每個(gè)步續的結束條件可能不同，例如有時(shí)可能只是簡(jiǎn)單的讓某個(gè)步續持續運行一段時(shí)間，有時(shí)某個(gè)步續只是為下一個(gè)步續提供試驗條件，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(jìn)行的。有時(shí)試驗條件要求的某個(gè)物理量的當前值并沒(méi)有通過(guò)數據采集傳入計算機而是通過(guò)傳統儀表進(jìn)行顯示。如油品測試中，有時(shí)需要水壓達到要求后，才能繼續進(jìn)行試驗，而水壓的當前值是通過(guò)傳統儀表顯示的。

圖4 試驗步續配置

根據以上分析本系統將結束類(lèi)型條件分為以下幾種：時(shí)間(即該步續執行目標時(shí)間后結束并按順序執行下一個(gè)步續，或由用戶(hù)自定義轉入該步續所在階段中的其他步續)；自定義條件(即某路模擬量或數字量輸入信號達到要求的目標值后結束并按順序執行下一個(gè)步續，或由用戶(hù)自定義轉入該步續所在階段中的其他步續)、對話(huà)框提示(即在該步續開(kāi)始時(shí)彈出對話(huà)框提示用戶(hù)要進(jìn)行的事情，在用戶(hù)確認可以結束該對話(huà)框后，系統將轉入下一個(gè)步續)；自定義條件與時(shí)間條件組合。此外在步續配置界面中還可以配置AO、DO輸出來(lái)控制執行器，AO方面，用戶(hù)可以選擇的輸出方式有開(kāi)環(huán)和閉環(huán)兩種。

開(kāi)環(huán)時(shí)，用戶(hù)可以設置目標值及到達目標值所需要的時(shí)間。閉環(huán)時(shí)，本系統采用PID控制，用戶(hù)需要選擇反饋信號，并設定PID中的比例、積分和微分常數。DO方面主要是由用戶(hù)配置輸出高低電平來(lái)控制電磁閥的操作。在設置AI、DI報警方面，用戶(hù)可以自由設定超限值和報警值，以便當試驗出現意外時(shí)，能夠將試驗及時(shí)轉入安全處理流程，最大程度上保證試驗儀器和用戶(hù)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(guān)鍵作用的步續，用戶(hù)還可以選擇在該步續進(jìn)行數據保存。以便以后可以對試驗數據進(jìn)行回放和生成試驗報表等。

階段配置如圖5所示，這是一個(gè)普通的試驗流程，共有4個(gè)階段，如果不加上試驗循環(huán)的話(huà)，按照上述的配置方法就可以實(shí)現了。但是為了模擬出一個(gè)產(chǎn)品實(shí)際使用的環(huán)境，加入了試驗循環(huán)的概念。針對本系統來(lái)說(shuō)，是通過(guò)軟件計數器的方式來(lái)實(shí)現的。對于簡(jiǎn)單的單個(gè)循環(huán)，可以在需要循環(huán)的階段開(kāi)始時(shí)對計數器進(jìn)行初始化，并在該階段結束時(shí)將計數值自加后的當前值同目標值進(jìn)行比較，并根據比較結果來(lái)決定試驗流程的走向(滿(mǎn)足目標值時(shí)，執行下一個(gè)階段的第一個(gè)步續，不滿(mǎn)足時(shí)，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(gè)循環(huán)嵌套時(shí)，除按上述方法配置兩個(gè)計數器以外，還涉及到了當兩個(gè)計數器當前值同時(shí)滿(mǎn)足目標值時(shí)試驗流程的走向。為此引入了優(yōu)先級概念，即當兩個(gè)或多個(gè)計數器同時(shí)滿(mǎn)足目標值時(shí)，系統根據優(yōu)先級的高低，按照高優(yōu)先級的設定來(lái)執行試驗。為了最大程度上滿(mǎn)足用戶(hù)的需求，本系統配有8個(gè)計數器，最高支持8層的循環(huán)嵌套。

圖6 試驗循環(huán)配置

系統構成

本系統是在LabVIEW編程平臺下開(kāi)發(fā)的基于LabVIEW RT技術(shù)的自定義流程測控系統，采用上、下位機結構，上位機主要完成對試驗的監控、參數設置、數據記錄和顯示、試驗數據保存備份等功能，并將用戶(hù)下達的命令和配置參數傳送到下位機。下位機運行LabVIEW RT系統，對系統實(shí)行實(shí)時(shí)管理，并根據上位機下達的命令，完成數據采集和控制等特定功能，并將試驗數據和當前試驗狀態(tài)返回到上位機。系統框圖如圖7所示。

圖7 自定義流程測控系統示意圖

通信網(wǎng)絡(luò )

考慮到TCP/IP通信具有傳輸速度快，數據不易丟失的特點(diǎn)，所以上、下位機之間的數據通信采用以太網(wǎng)和TCP/IP網(wǎng)絡(luò )通信協(xié)議。上位機采用Windows 2000操作平臺，由于本系統是多路模擬信號同時(shí)采集，對AI、DI報警要做出實(shí)時(shí)緊急響應，PID控制對時(shí)間精度有較高的要求，所以下位機采用LabVIEW RT系統。LabVIEW RT不需要外圍設備，后臺程序和服務(wù)較少，能夠保證高優(yōu)先級任務(wù)優(yōu)先執行，并準確的把握時(shí)間的精確性，穩定性較高。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(xiàn)工業(yè)控制計算機。下位機選用NI公司基于PXI總線(xiàn)的計算機控制器、數據采集卡、工業(yè)級數字I/O卡和用于進(jìn)行信號調理的各種功能模塊。

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

圖8 油品測試與控制系統

結束語(yǔ)

在油品測試及評定行業(yè)，本系統具有一定的通用性，可完全滿(mǎn)足一般用戶(hù)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(lǐng)域。此外，本系統上、下位機RT實(shí)時(shí)測量與控制的結構模式在那些對控制時(shí)間精確要求高、時(shí)間緊急決斷響應等方面也值得借鑒。