热工通用多通道微机数据采集及自动控制系统.doc

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 介绍了一种适用于热工领域的微机通用数据采
集和自动控制系统。文章阐述了该系统硬件和软件的
框架结构, 同时分析了系统的通用性、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, 尤其是带有全面帮助系统的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
􀀁 􀀁 计算机的发展及普及已使其广泛应用于国民经济
的各个部门。它正在替代人来完成越来越多的工作。
本人所在的热工实验室长期以来采用陈旧的测控方
式: 大量显示仪表读数, 再手动控制执行机构( 如手动
阀) , 边读数边控制。这样不仅操作复杂, 而且效率和
精度也不高。在国家! 211∀工程的资助下, 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, 达到了预期的效果, 而且由于显示器代替了大量
昂贵的显示仪表, 也大大降低了系统成本。
1 􀀁 对系统的要求
根据设计要求, 该系统应具有:
( 1) 通用性。即在不做硬、软件改动的情况下, 就
可以满足不同的测控要求( 如增减待测参数, 更换传感
器等) 。
(2) 多通道。由于一般待测( 控) 的参数通常有几
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。防止导线常受牵拉而引起连接松动
甚至断开, 避免信号的传输出现问题, 以保证系统工作
可靠。
(4) 自动化。测控过程无需人工参与( 或只需简
单的鼠标和键盘操作) 就可自动进行, 并且可对数据进
行处理。
为达到以上要求, 对系统进行如下设计。
2 􀀁 系统的组成
该系统分为硬件部分和软件部分。
2. 1 􀀁 硬件部分
如图1 所示, 硬件部分包括传感器( 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) 、微机及用于连接的扁平电缆、航空插头等。
PCLD􀀁789D、PCL􀀁818L 和PCL􀀁727 都是台湾研华( AD􀀁
VANTECH) 的数据板。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 的输入通道。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的:
( 1) 由于通常需要采集的信号有几十个, 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 扩展其中的7 个( 另一个差分
模拟量输入通道用于热电偶的冷端补偿, 故不可扩
展) 。由于PCLD􀀁789D 可将一个PCL􀀁818L 差分模拟量
输入通道扩展到16 个, 因此共有112 个输入通道。
PCL
048577;818L 通过向PCLD􀀁789D 送数字量来正确识别这
些通道。每次试验只要从这112 个固定通道中选取一
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, 采用以下模
块化结构: 该系统硬件主要由数据采集模块、控制模块
和人机界面模块构成。全部硬件放置在一个立方形、
四面有门且下装万向轮的控制柜内。
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的开放式方盒内,
对外只留出两端的接口, 一端通过37􀀁PIN 圆电缆连到
PCL􀀁818L 的CN1 插头( PCL􀀁818L 插入PC 机的ISA 总
线扩展槽) ; 另一端由PCLD􀀁789D 的112 个输入通道的
接线端子连接到控制柜面板上的112 个航空插头( 带
外螺纹的一端) 上, 这样由传感器送来的模拟输入信号
就可以通过航空插头( 带内螺纹的一端) 与这112 个输
入通道中的任一个插接, 只需在软件中进行相应的设
置即可。
控制模块: D/ A 板PCL􀀁727 插在PC 机的ISA 总线
扩展槽中。其D/A 输出通过37𙦙7;PIN 圆电缆输出, 然后
分开焊接到控制柜面板上的12 个用于控制的航空插
头( 带外螺纹的一端) 上。这样电动执行器的控制信号
输入端就可以通过航空插头( 带内螺纹的一端) 与这
12 个D/A 输出通道中的任一个插接, 只需在软件中进
行相应的设置即可。
人机界面模块: 该模块主要指微机的显示器、键盘
和鼠标。微机同时属于数据采集模块和控制模块。
可见这种硬件设计可以满足一般的测量和控制要
求。由于模块化设计, 因而可维护性好, 可靠性高; 由
于控制柜可以容易地推到任何地方, 因而使用方便。
除罕见的硬件损坏外, 一般无需拆、装硬件系统。
图1 И577; 硬件结构示意图
2. 2 􀀁 软件部分
软件部分采用Visual C++ 6. 0 开发, 可以运行于
当前最受欢迎的Windows 95、Windows 98 和Windows
NT 操作系统, 采用面向对象的程序设计方法, 界面友
好, 并且带有即时而又全面的帮助系统。软件基本结
构如图2 所示。
图2 􀀁 软件结构示意图
由图2 可见, 软件结构也具有模块化的特点。
另外, 软件的设计也是满足通用性要求的: 每次启
动应用程序, 进入主窗体, 都可以进行以下配置: ( 也可
以使用以前存盘的配置文件, 或在此基础上加以修改,
这样往往会比重新配置方便得多。)
( 1) 参数配置。
即配置待测参数与数据采集通道( 每个通道都有
唯一的编号, 标注在控制柜面板上, 其范围为0~ 111)
的对应关系。这需要根据实际的插接情况进行设置。
该信息用CSele 类存储, 该类的成员变量包括:
成员变量类􀀁 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。
即配置通道号与传感器代号的对应关系。这需要
根据各通道实际所安装的传感器的代号进行设置。
该信息用CChannel 类存储, 该类的成员变量包
括:
成员变量类􀀁 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的有关数据。
该信息用CSensor 类存储, 该类的成员变量包括:
# 34 # ∃测控技术%2000 年19卷第7期
成员变量类􀀁 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 传感器有效期
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) 控制方式配置。
即对需要控制哪些物理参数, 采用何种控制方式
( 手动或自动) 、控制算法( PID、模糊PID 等) 进行设置。
该信息用CCtrolsel 类存储, 该类的成员变量包括:
成员变量类􀀁 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 的I/O 地址进行设置。
它们需要几个连续地址, 而首地址称为基地址。由于
计算机通常会添加一些外围设备, 这样可能会引起I/O
地址资源的冲突, 通过该设置即可解决这种冲突。
( 6) 放大倍数配置。
传感器送来的模拟信号中, 有的幅值比较小, 若直
接测量则误差较大。通过设置PCLD􀀁789D 的放大倍
数, 可将信号大小调整到适当的范围内。注意, 此处的
设置应与硬件上的设置相一致。
通过以上6 项配置, 并使之与硬件连接情况相符,
就可以使该测控系统具有很强的通用性。
除此而外, 软件还具有以下功能:
( 1) 报警功能。若某次试验使用的传感器超出有
效期, 则自动报警。
(2) 密码保护功能。因为有些设置( 如PCL􀀁818L
基地址) 的错误会导致死机, 有些设置( 如传感器数据
库) 的错误会导致测量结果错误, 所以只有对这些设置
精通的人, 才可以对其进行更改。通过授予他们密码
可以防止外行随便更改导致错误。
(3) 软件滤波。为除去高频干扰信号, 采用多次
采集取平均的方法滤去它们。
(4) 自动/ 手动记录转换。对于一般数据, 可以设
置记录间隔进行自动记录 而对于某一时刻出现的有
重要意义的数据, 可立即进行手动记录。
(5) 自动/ 手动控制无扰动转换。在设定值和采
到的值相差很远时, 为加快控制速度, 可以采用手动控
制, 直接送出一个控制信号值。其他时候可采用自动
控制。
(6) 多种控制规律。采用自动控制时, 可以选择
常规PID 控制( 包括位置式、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) 显示动态变化曲线。可以在同一个直角坐标
系中显示几个被测( 控) 参数随时间的变化曲线, 从而
更加直观地观察参数的变化趋势。
(8) 生成并打印实验报告。对采得的数据进行处
理, 生成试验报告, 并在需要的时候将其打印。
3 􀀁 结束语
该系统已于1999 年9 月安装、调试完毕。并在试
验室用它做了一些试验, 发现在不同的试验间切换十
分方便, 达到了预期的通用性要求, 而且控制的速度、
精度较以往的人工控制有明显提高。尽管设计目的是
将其应用于热工领域, 但该系统可以推广到其他领域,
从而带来更大的经济效益。
参考文献
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. 神经网络与模糊控制. 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
作者简介: 周世军, 男, 25 岁, 现在北京航空航天大学飞行器设
计与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, 国家特殊津贴获得者。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、热工实验
室自动化。
( 收稿日期: 1999- 10)
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