1米太陽望遠鏡液壓監(jiān)控系統(tǒng)*

趙雪娟，柳光乾，張 濤

(中國科學院國家天文臺云南天文臺，云南 昆明 650011)

云南天文臺1 m太陽望遠鏡(New Vacumm Solar Telescope，NVST)是我國正在建設(shè)中的目前國內(nèi)唯一的地平式真空太陽塔，主要科學目標是在0.3～2.5μm波段對太陽進行高分辨率成像和光譜觀測。為實現(xiàn)這一目標，其驅(qū)動控制系統(tǒng)必須能夠長時間高精度地跟蹤太陽，開環(huán)短周期跟蹤精度要達到0.5″/30 s［1］，因此，望遠鏡的軸承系統(tǒng)要有很高的精度［2］。NVST控制系統(tǒng)主要包括方位驅(qū)動控制系統(tǒng)和高度驅(qū)動控制系統(tǒng)，前者采用液壓軸承，后者采用滾動軸承。其中，液壓軸承的安全運轉(zhuǎn)要求液壓系統(tǒng)供油穩(wěn)定，壓力的波動必須穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)才能保證望遠鏡正常運行。NVST水平液壓系統(tǒng)由武漢重工定制，存在兩個缺陷:一是液壓系統(tǒng)只有一個簡單的壓力表，沒有數(shù)字式的液壓數(shù)據(jù)系統(tǒng)，為液壓系統(tǒng)性能的長期監(jiān)測和系統(tǒng)分析帶來不便;二是該系統(tǒng)獨立于望遠鏡控制系統(tǒng)之外，操作不便，自動化程度低，系統(tǒng)難以維護。為此，本文為NVST設(shè)計了液壓監(jiān)控系統(tǒng)，包括油壓、油溫數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及自動啟停系統(tǒng)，并通過RS232和PLC開關(guān)量控制集成到望遠鏡控制系統(tǒng)。本文第1節(jié)闡述了液壓監(jiān)控系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理，第2節(jié)給出油壓、油溫數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的傳感器選型和硬件設(shè)計，第3節(jié)介紹軟件設(shè)計，第4節(jié)給出實驗結(jié)果。

1 液壓監(jiān)控系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理

NVST控制系統(tǒng)的集成度和自動化程度都很高，主要包括望遠鏡控制系統(tǒng)、天文觀測系統(tǒng)、終端儀器系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)4部分。其中，望遠鏡控制系統(tǒng)主要完成望遠鏡的定位跟蹤(方位和高度兩個主軸伺服控制)、光譜儀消旋、光電導行、圓頂控制、望遠鏡風障控制、PLC現(xiàn)場服務(wù)系統(tǒng)和環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)等。方位液壓監(jiān)控系統(tǒng)是環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的重要組成部分，基本結(jié)構(gòu)如圖1。

油壓由多頭泵進行分油控制，每根供油管的油壓基本相同，油壓傳感器裝在其中的一根上進行油壓探測。油溫傳感器探頭則直接裝進油缸內(nèi)部。油壓、油溫傳感器信號經(jīng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)處理后送往望遠鏡控制系統(tǒng)。油壓、油溫異常時，系統(tǒng)將向更底層的PLC系統(tǒng)發(fā)送報警信號，并在原有的控制器上引出相應(yīng)的開關(guān)量，通過繼電器接到PLC系統(tǒng)進行自動啟停控制。

2 液壓監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計

2.1 傳感器選型和硬件結(jié)構(gòu)

油壓數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)選取佛山市普量電子有限公司生產(chǎn)的PT500－708微壓壓力傳感器作為油壓傳感器［3］，該傳感器為全不銹鋼封焊結(jié)構(gòu)，具有良好的防潮能力及優(yōu)異的介質(zhì)兼容性，適用于介質(zhì)壓力微弱的場合。根據(jù)液壓系統(tǒng)自帶的油壓表，望遠鏡正常工作時油壓約為0.54 Mpa，所選PT500－708量程為0～1.6 MPa，輸出信號為0～5 V(三線制)，綜合精度為0.5%FS，可滿足 NVST液壓系統(tǒng)要求。油壓數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖2。

系統(tǒng)工作時，PT500－708將油壓轉(zhuǎn)換為0～5 V模擬電壓信號，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADS7852［4］轉(zhuǎn)換為12位數(shù)字信號后送入單片機AT89S52［5］，由單片機控制數(shù)據(jù)的采集、處理、傳輸及報警等過程。由于電壓值與油壓值成線性關(guān)系，因此可由電壓值測得相應(yīng)的油壓值。當油壓異常時，單片機產(chǎn)生5 V報警信號，經(jīng)以TLP521_4光耦為核心的電平轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為24 V報警信號后送至PLC控制系統(tǒng)，由PLC采取相應(yīng)的措施，如啟動報警、停止相關(guān)儀器運行、停止望遠鏡轉(zhuǎn)動等。

油溫數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用的是DALLAS公司生產(chǎn)的DS18B20數(shù)字化溫度傳感器［6］。DS18B20采用一線式協(xié)議，測溫范圍為－55℃ ～+125℃，在－10℃ ～+85℃范圍內(nèi)精度為±0.5℃，測溫分辨率高達0.0625℃，可滿足油溫數(shù)據(jù)采集要求。油溫信號經(jīng)DS18B20轉(zhuǎn)換為12位輸出信號，經(jīng)AT89S52處理后送至望遠鏡控制系統(tǒng)，硬件結(jié)構(gòu)如圖3。

圖1 液壓監(jiān)控系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)Fig.1 The basic structure of the hydraulic monitor and its control system

圖2 油壓采集系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)Fig.2 The hardware architecture of the oil pressure data acquisition system

圖3 油溫采集系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)Fig.3 The hardware architecture of the oil temperature data acquisition system

2.2 油壓、油溫數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件設(shè)計

油壓數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的電路原理圖如圖4，主要包括模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、數(shù)據(jù)處理電路、傳輸電路和電平轉(zhuǎn)換電路。該系統(tǒng)中油壓信號的傳輸路徑為:PT500－708—ADS7852—AT89S52—MAX232/TLP521_4—上位機/PLC控制系統(tǒng)。

圖5為油溫數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的電路原理圖。設(shè)計采用多通道輸入以實現(xiàn)多點測溫，可同時監(jiān)測8個待測點的溫度。實際使用時，可根據(jù)待測點的位置和數(shù)量，靈活選擇信號輸入通道，單片機將依次讀取待測點的溫度數(shù)據(jù)。

圖4 油壓數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)電路原理圖Fig.4 The circuit diagram of the oil pressure data acquisition system

圖5 油溫采集系統(tǒng)電路原理圖Fig.5 The circuit diagram of the oil temperature data acquisition system

3 液壓監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計

3.1 下位機軟件

軟件設(shè)計的任務(wù)是協(xié)調(diào)、控制硬件完成液壓信號的采集、轉(zhuǎn)換、處理和傳輸過程，最終實現(xiàn)對液壓系統(tǒng)工作狀態(tài)的監(jiān)控，保證液壓軸承的安全運轉(zhuǎn)，實現(xiàn)望遠鏡的平穩(wěn)旋轉(zhuǎn)［7－8］。

圖6(a)為油壓數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件設(shè)計的主程序流程圖。該采集系統(tǒng)軟件設(shè)計的難點在于如何利用單片機AT89S52控制模數(shù)轉(zhuǎn)換過程準確穩(wěn)定地進行，關(guān)鍵是對模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADS7852讀寫時序的控制。為防止程序跑飛，加入了看門狗程序，每隔1 ms喂狗一次，保證對油壓數(shù)據(jù)的監(jiān)測不中斷。另外，考慮到油壓過低比油壓過高的情況嚴重，報警子程序中先判斷低壓報警，圖6(b)為報警子程序流程圖。

圖7(a)為油溫數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件設(shè)計的主程序流程圖。采用DS18B20作溫度傳感器簡化了硬件設(shè)計，與此同時，較小的硬件開銷需要相對復雜的軟件進行補償［9］。DS18B20采用的是一線式總線協(xié)議方式，有嚴格的通信協(xié)議保證各位數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性和完整性，而AT89S52單片機硬件上并不支持單總線協(xié)議。因此，必須采用軟件的方法模擬單總線的協(xié)議時序完成對DS18B20芯片的訪問。根據(jù)DS18B20的通訊協(xié)議，主機控制DS18B20完成溫度轉(zhuǎn)換必須經(jīng)過3個步驟:每一次讀寫之前都要對DS18B20進行復位，復位成功后發(fā)送一條ROM指令，最后發(fā)送RAM指令，讀取存儲在RAM中溫度信息。圖7(b)為DS18B20復位子程序的流程圖。

圖6 油壓數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)程序流程圖Fig.6 The flowchart of the program of the oil pressure data acquisition system

圖7 油溫數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)程序流程圖Fig.7 The flowchart of the program of the oil temperature data acquisition system

3.2 上位機軟件

考慮到上位機串口資源有限，在實際應(yīng)用中，采用總線型異步多機通信方式，只需占用一個串口便可實現(xiàn)上位機與多個下位機之間的通信。這種通信方式要求串口具有識別功能，可通過對下位機進行地址分配并采用查詢方式和串口中斷程序?qū)崿F(xiàn)。根據(jù)系統(tǒng)的軟件設(shè)計，設(shè)定油壓、油溫的查詢命令分別為11H和12H，上位機發(fā)送查詢命令即可獲取相應(yīng)的液壓數(shù)據(jù)。圖8為上位機軟件的運行界面，已集成到NVST控制系統(tǒng)中。工作時，上位機發(fā)出查詢命令，下位機接收命令并通過串口中斷程序?qū)Σ樵兠钸M行判斷，若上位機呼叫的正是本機，則發(fā)送相應(yīng)的數(shù)據(jù)，否則跳回主程序繼續(xù)采集和處理數(shù)據(jù)。

4 油壓、油溫數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和啟停控制的運行測試結(jié)果

圖8 液壓監(jiān)控系統(tǒng)的上位機運行界面Fig.8 The PC running interface of the hydraulic monitor and its control system

圖9為一段時間內(nèi)油壓和油溫的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)。考慮到實際應(yīng)用，油壓數(shù)據(jù)間隔為0.2 s，油溫數(shù)據(jù)間隔為1 min。從圖中可知，油壓上升時間約為1 s，而下降時間約為30 s，即油壓上升較下降快，望遠鏡應(yīng)在油泵開啟1 s后開始工作。液壓系統(tǒng)正常工作時油壓基本穩(wěn)定在0.5 MPa附近，變動峰值為0.05 MPa，測試表明這一變動并不影響液壓系統(tǒng)的正常工作，也不會影響望遠鏡的正常跟蹤［10］。油壓高低壓報警臨界值可設(shè)為0.55 MPa和0.45 MPa。油溫數(shù)據(jù)則隨著油泵工作時間緩緩上升，持續(xù)工作時每小時約升高1.5℃。由于數(shù)據(jù)采集過程中曾兩次斷開油泵，因此圖中有兩個谷值出現(xiàn)。

圖9 液壓數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測Fig.9 Real-time monitoring of hydraulic data

5 結(jié)語

本文主要介紹了方位液壓監(jiān)控系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理，闡述了油壓、油溫數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟硬件實現(xiàn)，并針對實際應(yīng)用進行了相應(yīng)的實驗。理論分析和實驗結(jié)果表明該系統(tǒng)工作正常，數(shù)據(jù)采集速度快、分辨率高，精度可滿足要求，能長期穩(wěn)定運行。此外，操作簡單，成本低，采用相應(yīng)的傳感器，可用于望遠鏡鏡筒內(nèi)的真空監(jiān)測、光譜筒內(nèi)的溫濕度檢測以及圓頂內(nèi)的溫濕度檢測等。

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