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热工通用多通道微机数据采集与自动控制系统样本.doc

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热工通用多通道微机数据采集和自动控制系统 Microcomputer􀀁based All􀀁purpose Multi􀀁channel Data Acquisition and Autocontrol System Used in Pyrology Field 北京航空航天大学( 100083) 􀀁 周世军􀀁 梅志光􀀁 袁修干 􀀂摘要 介绍了一个适适用于热工领域微机通用数据采 集和自动控制系统。文章叙述了该系统硬件和软件 框架结构, 同时分析了系统通用性、多通道和可靠性 等特点。最近我们用该系统进行了试验, 总体效果很 好, 尤其是带有全方面帮助系统可视化操作软件令用 户使用起来十分方便。 关键词: 通用, 多通道, 微机, 数据采集和自动控制, 可 视化操作软件 Abstract:A microcomputer􀀁based data acquisition and auto􀀁 control system applicable in the field of pyrology is intro􀀁 duced. The structure of hardware and software of this system is expatiated, in the meant ime the characterist ic of the sys􀀁 tem, that is all􀀁purpose, mult i􀀁channel and reliability, is also analyzed. Recently we did some experiments with this system and the general effect was excellent, especially the visualized operating software with full􀀁scale help system is very conve􀀁 nient for useage. Key words: all􀀁purpose, multi􀀁channel, microcomputer, data acquisition and autocontrol, visualized operating software 􀀁 􀀁 计算机发展及普及已使其广泛应用于国民经济 各个部门。它正在替换人来完成越来越多工作。 本人所在热工试验室长久以来采取陈旧测控方 式: 大量显示仪表读数, 再手动控制实施机构( 如手动 阀) , 边读数边控制。这么不仅操作复杂, 而且效率和 精度也不高。在国家! 211∀工程资助下, 开发了这套 ! 通用多通道微机数据采集和自动控制系统∀。经投入 使用, 达成了预期效果, 而且因为显示器替换了大量 昂贵显示仪表, 也大大降低了系统成本。 1 􀀁 对系统要求 依据设计要求, 该系统应含有: ( 1) 通用性。即在不做硬、软件改动情况下, 就 能够满足不一样测控要求( 如增减待测参数, 更换传感 器等) 。 (2) 多通道。因为通常待测( 控) 参数通常有几 个到几十个, 所以要有多个测量输入通道和多个控制 输出通道。 ( 3) 可靠性。预防导线常受牵拉而引发连接松动 甚至断开, 避免信号传输出现问题, 以确保系统工作 可靠。 (4) 自动化。测控过程无需人工参与( 或只需简 单鼠标和键盘操作) 就可自动进行, 而且可对数据进 行处理。 为达成以上要求, 对系统进行以下设计。 2 􀀁 系统组成 该系统分为硬件部分和软件部分。 2. 1 􀀁 硬件部分 图1 所表示, 硬件部分包含传感器( 温度传感器、 压力传感器和流量传感器等) 、通道扩展和选择电路板 (PCLD􀀁789D) 、数据采集卡( PCL􀀁818L) 、D/A 板( PCL􀀁 727) 、微机及用于连接扁平电缆、航空插头等。 PCLD􀀁789D、PCL􀀁818L 和PCL􀀁727 全部是台湾研华( AD􀀁 VANTECH) 数据板。PCL􀀁818L 可进行12 位A/ D 转 换、数字量输出( DO) , 拥有8 个差分输入通道。PCLD􀀁 789D 用于扩展PCL􀀁818L 输入通道。而PCL􀀁727 有 12 个D/A 输出通道。 该硬件系统是为满足通用性要求而设计: ( 1) 因为通常需要采集信号有几十个, 而每块 PCL􀀁818L 只有8 个差分模拟量输入通道, 所以此处通 过级联7 块PCLD􀀁789D 扩展其中7 个( 另一个差分 模拟量输入通道用于热电偶冷端赔偿, 故不可扩 展) 。因为PCLD􀀁789D 可将一个PCL􀀁818L 差分模拟量 输入通道扩展到16 个, 所以共有112 个输入通道。 PCL􀀁818L 经过向PCLD􀀁789D 送数字量来正确识别这 些通道。每次试验只要从这112 个固定通道中选择一 部分即可。 热工通用多通道微机数据采集和自动控制系统# 33 # ( 2) 为避免每次使用时重新拆、接线, 采取以下模 块化结构: 该系统硬件关键由数据采集模块、控制模块 和人机界面模块组成。全部硬件放置在一个立方形、 四面有门且下装万向轮控制柜内。 数据采集模块: 将7 块PCLD􀀁789D! 通道扩展和选 择电路板∀级联并插入一个带有插槽开放式方盒内, 对外只留出两端接口, 一端经过37􀀁PIN 圆电缆连到 PCL􀀁818L CN1 插头( PCL􀀁818L 插入PC 机ISA 总 线扩展槽) ; 另一端由PCLD􀀁789D 112 个输入通道 接线端子连接到控制柜面板上112 个航空插头( 带 外螺纹一端) 上, 这么由传感器送来模拟输入信号 就能够经过航空插头( 带内螺纹一端) 和这112 个输 入通道中任一个插接, 只需在软件中进行对应设 置即可。 控制模块: D/ A 板PCL􀀁727 插在PC 机ISA 总线 扩展槽中。其D/A 输出经过37􀀁PIN 圆电缆输出, 然后 分开焊接到控制柜面板上12 个用于控制航空插 头( 带外螺纹一端) 上。这么电动实施器控制信号 输入端就能够经过航空插头( 带内螺纹一端) 和这 12 个D/A 输出通道中任一个插接, 只需在软件中进 行对应设置即可。 人机界面模块: 该模块关键指微机显示器、键盘 和鼠标。微机同时属于数据采集模块和控制模块。 可见这种硬件设计能够满足通常测量和控制要 求。因为模块化设计, 所以可维护性好, 可靠性高; 由 于控制柜能够轻易地推到任何地方, 所以使用方便。 除罕见硬件损坏外, 通常无需拆、装硬件系统。 图1 􀀁 硬件结构示意图 2. 2 􀀁 软件部分 软件部分采取Visual C++ 6. 0 开发, 能够运行于 目前最受欢迎Windows 95、Windows 98 和Windows NT 操作系统, 采取面向对象程序设计方法, 界面友 好, 而且带有即时而又全方面帮助系统。软件基础结 构图2 所表示。 图2 􀀁 软件结构示意图 由图2 可见, 软件结构也含有模块化特点。 另外, 软件设计也是满足通用性要求: 每次启 动应用程序, 进入主窗体, 全部能够进行以下配置: ( 也可 以使用以前存盘配置文件, 或在此基础上加以修改, 这么往往会比重新配置方便得多。) ( 1) 参数配置。 即配置待测参数和数据采集通道( 每个通道全部有 唯一编号, 标注在控制柜面板上, 其范围为0~ 111) 对应关系。这需要依据实际插接情况进行设置。 该信息用CSele 类存放, 该类组员变量包含: 组员变量类􀀁 型含􀀁 义 m- Chan CString 通道号 m- Vname CString 参数名称 m- Vunit CString 参数单位 ( 2) 通道配置。 即配置通道号和传感器代号对应关系。这需要 依据各通道实际所安装传感器代号进行设置。 该信息用CChannel 类存放, 该类组员变量包 括: 组员变量类􀀁 型含􀀁 义 m- Seri CString 通道号 m- Sens CString 传感器代号 ( 3) 传感器配置。 即添加或更改各个传感器相关数据。 该信息用CSensor 类存放, 该类组员变量包含: # 34 # ∃测控技术% 年19卷第7期 组员变量类􀀁 型含􀀁 义 m- Numb CString 传感器代号 m- Func CString 传感器功用 m- Type CString 传感器类型 m- Date CString 传感器标定日期 m- Valid CString 传感器使用期 m- Rang CString 传感器量程范围 m- Xia double 传感器模型( 0 次项) 系数 m- Xib double 传感器模型( 1 次项) 系数 m- Xic double 传感器模型( 2 次项) 系数 m- Xid double 传感器模型( 3 次项) 系数 m- Xie double 传感器模型( 4 次项) 系数 ( 4) 控制方法配置。 即对需要控制哪些物理参数, 采取何种控制方法 ( 手动或自动) 、控制算法( PID、模糊PID 等) 进行设置。 该信息用CCtrolsel 类存放, 该类组员变量包含: 组员变量类􀀁 型含􀀁 义 m- Chan CString 通道号 m- Vname CString 参数名称 m- Vunit CString 参数单位 m- bManualControl bool 是否手动控制 m- iCalMethodNum int 控制算法代号 m- dKp double PID 控制参数 m- dT double PID 控制参数 m- dTi double PID 控制参数 m- dTd double PID 控制参数 m- dSetValue double 待控参数设定值 ( 5) 基地址配置。 即对PCL􀀁818L、PCL􀀁727 I/O 地址进行设置。 它们需要多个连续地址, 而首地址称为基地址。因为 计算机通常会添加部分外围设备, 这么可能会引发I/O 地址资源冲突, 经过该设置即可处理这种冲突。 ( 6) 放大倍数配置。 传感器送来模拟信号中, 有幅值比较小, 若直 接测量则误差较大。经过设置PCLD􀀁789D 放大倍 数, 可将信号大小调整到合适范围内。注意, 此处 设置应和硬件上设置相一致。 经过以上6 项配置, 并使之和硬件连接情况相符, 就能够使该测控系统含有很强通用性。 除此而外, 软件还含有以下功效: ( 1) 报警功效。若某次试验使用传感器超出有 效期, 则自动报警。 (2) 密码保护功效。因为有些设置( 如PCL􀀁818L 基地址) 错误会造成死机, 有些设置( 如传感器数据 库) 错误会造成测量结果错误, 所以只有对这些设置 精通人, 才能够对其进行更改。经过授予她们密码 能够预防外行随便更改造成错误。 (3) 软件滤波。为除去高频干扰信号, 采取数次 采集取平均方法滤去它们。 (4) 自动/ 手动统计转换。对于通常数据, 能够设 置统计间隔进行自动统计, 而对于某一时刻出现有 关键意义数据, 可立即进行手动统计。 (5) 自动/ 手动控制无扰动转换。在设定值和采 到值相差很远时, 为加紧控制速度, 能够采取手动控 制, 直接送出一个控制信号值。其它时候可采取自动 控制。 (6) 多个控制规律。采取自动控制时, 能够选择 常规PID 控制( 包含位置式、增量式、微分先行) , 模糊 PID 控制及神经网络控制等控制规律。 (7) 显示动态改变曲线。能够在同一个直角坐标 系中显示多个被测( 控) 参数随时间改变曲线, 从而 愈加直观地观察参数改变趋势。 (8) 生成并打印试验汇报。对采得数据进行处 理, 生成试验汇报, 并在需要时候将其打印。 3 􀀁 结束语 该系统已于1999 年9 月安装、调试完成。并在试 验室用它做了部分试验, 发觉在不一样试验间切换十 分方便, 达成了预期通用性要求, 而且控制速度、 精度较以往人工控制有显著提升。尽管设计目标是 将其应用于热工领域, 但该系统能够推广到其它领域, 从而带来更大经济效益。 参考文件 1 􀀁 杜勇, 宋征等编著. Visual C + + 6. 0 应用指南. 人民邮电出版社, 1999. 3 2 􀀁 于海生等编著. 微型计算机控制技术. 北京: 清华大学出版社, 1999. 3 3 􀀁 张乃尧, 阎平凡编著. 神经网络和模糊控制. 北京: 清华大学出版社, 1998. 10 4 􀀁 凌善康, 原遵东编著. & 90 国际温标通用热电偶分度表手册. 中国计 量出版社, 1994. 2 5 􀀁 PC- LabCard USER& S MANUAL. Advantech Co. ,Ltd 作者介绍: 周世军, 男, 25 岁, 现在北京航空航天大学飞行器设 计和应用力学系攻读硕士学位。研究方向: 计算机测控技术、 热工过程控制。 袁修干, 男, 66 岁, 工学博士、北京航空航天大学教授、博士 生导师, 国家特殊津贴取得者。研究方向: 人􀀁机􀀁环境系统工 程、飞行器环境控制。 梅志光, 男, 35 岁, 工程师。研究方向: 空调制冷技术、热工试验 室自动化。 ( 收稿日期: 1999- 10) 欢迎订阅 年∃测控技术%月刊 ∋ 订阅代号: 82- 533 ∋ 定价: 6􀀂00 元/ 期 ∋ 每个月18 日出刊__
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