基于LabWindows/CVI 的伺服液壓軌道衡校驗系統的程序設計

張榮軍，孫雁

(航天科技集團公司第四十四研究所，陜西西安 710025)

隨著國民經濟的快速發展，物流業迅速發展，鐵路、公路運輸量也隨之劇增，生產加工過程的質量、能量控制也越來越得到重視，電子衡器的最大稱量和結構尺寸也相應地發生了較大的變化，量程由幾十噸增加至幾百噸，特別是隨著冶金等行業工藝類稱重設備的應用，量程范圍已擴展至近千噸。傳統的實物校驗、砝碼校驗耗時、費力，已難以滿足衡器校驗需求，校驗方法和校驗手段成為當前大型衡器計量的重要課題。

計算機控制的液壓軌道衡校驗系統是針對大型軌道衡實施校驗的專用校驗系統，完全可以替代傳統的校驗方式，能夠按照檢定規程要求對大型軌道衡實施自動快速校驗。

1 校驗原理

伺服液壓軌道衡校驗系統基于液壓比對力源技術，實現方式為:液壓工作站通過液壓執行結構產生載荷，通過標準傳感器作用于軌道衡秤體，標準傳感器信號作為反饋信號被實時采集進入數據處理單元，數據處理單元經過解析處理，根據處理結果和控制算法，控制相應的液壓執行機構，來實現對設定載荷值加載以及載荷值的穩定。原理圖如圖1 所示。

圖1 校驗原理圖

2 系統硬件設計

伺服液壓軌道衡校驗系統是一個柔性模塊式標準力源，采用了多模式反饋壓力控制技術、多路壓力平衡技術，實現載荷值的準確控制。通過通道開/閉組合，實現軌道衡偏載校驗;在載荷值允許范圍內，載荷值可以任意設定。

伺服液壓軌道衡校驗系統的硬件構成如圖2 所示。主機采用臺灣研華IPC610 工控機。數字信號處理器采用美國吉時利2000 型數字萬用表，具有真六位半(22 b)的穩定數據顯示，同時采用高速低噪聲A/D 轉換技術，具備高線性、低噪聲、低漂移的特性，實現對標準稱重傳感器信號的采集。

圖2 系統硬件構成圖

考慮系統控制精度及伺服放大器接口電路的匹配，選用北京宏拓公司PCI7464 板卡。此卡是一種多功能、高性能綜合數據采集板卡，有4 路16 位獨立D/A 輸出、16 路TTL 電平開關量輸入、16 路TTL 電平開關量輸出，具有集成度高、功能強大、可靠性好、數據采集穩定的特點，可實現對伺服開度及方向的控制;同時D/A 輸出信號作為比例壓力調節閥的輸入線號，實現對液壓工作站出口壓力的控制。

選用研華PCL735 的開關量輸出功能，來控制各路電磁無泄球閥的開啟，實現通道的加載或卸載。伺服閥選用上海船舶設備研究所生產的射流管型電液伺服閥，靠射流噴嘴噴射工作液，將壓力能變成動能，控制兩個接受孔獲得能量的比例來進行力的控制，具有抗污染性強、可靠性強、使用壽命長等特點。

3 系統軟件設計

LabWindows/CVI 以ANSI C 為核心，將功能強大、使用靈活的C 語言平臺界與用于數據采集、分析和表達的測控專業工具有機地結合起來。它的集成化開發平臺、交互式編程方法、豐富的功能面板和函數庫大大增強了C 語言的功能，是數據采集系統、過程監控系統、測試系統理想的軟件開發環境。

系統軟件以LabWindows/CVl 為平臺，主要由5個功能模塊組成:接口驅動模塊、系統自校準標定模塊、在線校準模塊、數據管理模塊組成，其軟件實現過程具體如下:

3.1 接口驅動模塊

3.1.1 RS232 通信

工控機和吉時利2000 型數字萬用表之間的通信采用標準的RS232，RS232 是美國電子工業協會EIA制定的一種串行物理接口標準。作為LabWindows/CVI 的標準函數庫之一，RS232 函數庫提供了豐富的串口通信控制函數和I/O 函數，按照功能可以劃分為打開/關閉函數、I/O 讀寫函數、調制解調器控制、串口設置、寄存器狀態函數、回調函數等。該系統通過RS232 接口的操作函數實現對吉時利2000 型數字萬用表的設置控制及讀數操作。

部分源代碼如下:

3.1.2 LabWindows/CVI 對D/A 板卡的操作

PCI-7464 板卡提供Win2000/XP/NT 下的函數及測試程序，但沒有提供LabWindows/CVI 環境下的相關函數。對此作者利用LabWindows/CVI 基于C 語言的內核，編制LabWindows/CVI 環境下動態鏈接庫，然后通過調用動態鏈接庫，實現了對PCI-7464 板卡的數模轉換操作。動態鏈接庫源代碼如下:

3.1.3 LabWindows/CVI 中I/O 板的實現

系統選用研華PCL735 開關量輸出板卡，來控制電磁球閥的開啟，實現通道的加載或卸載。對此利用LabWindows/CVI 基于C 語言的內核，直接對I/O 接口進行底層操作，代碼簡潔。具體如下:

outp (0x300，n);///輸出開關量信號，0x300 為基地址，n 為對應通道進行開關量設置值

3.2 測試系統標定模塊

標定模塊為系統關鍵模塊，主要實現系統加載值的校準，校準后系統的精度直接影響衡器校準的精度。該模塊具有基本參數的設置功能(包含:濾波參數、置零范圍、波特率、分度值、小數點、滿量程及修正系數等)、標定功能(按鍵操作來實現)。其界面如圖3 所示。

圖3 測試系統標定模塊界面

3.3 在線衡器校準模塊

該模塊為系統的核心模塊，直接面向用戶，主要實現對衡器的在線校驗。主要功能包括:對液壓工作站的控制，加載過程及卸載過程控制。

液壓工作站運行正常后，顯示壓力值達到設定值。選定加載通道及加載模式，設定加載值，啟動加載，系統自動實現設定值的加載及穩定。加載過程通過數字和曲線等形式實時顯示。在線衡器校準模塊界面如圖4 所示。

圖4 在線衡器校準模塊界面

圖5 控制流程圖

校準模塊的關鍵是實現對設定值控制。該系統液壓管路長、執行機構多 (8～16 路)，同時液壓系統自身存在的緩爬、泄漏因素以及液壓系統工作過程中慣性負載的變化，尤其是閥控動力機構流量非線性等因素，導致控制過程復雜。對此，采用模糊自整定的數字PID，將模糊控制與PID 控制結合，利用模糊控制對PID 參數進行實時修正，提高了系統的控制精度和魯棒性，有較好的實用性。控制流程圖見圖5。

模糊自整定的數字PID 控制器是在常規調節器的基礎上以誤差e 和誤差變化de 作為模糊控制器的輸入，輸出量為整定的PID 參數Ki、Kp、Kd。在控制過程中，通過不斷檢測e 及de，同時根據模糊控制理論對PID 的3 個參數進行在線修正，可以滿足不同時刻的e 和de 對PID 參數自整定的要求。系統基于Lab-Windows/CVI 編制的模糊自整定的數字PID 控制部分源代碼如下:

3.4 數據管理模塊

數據管理模塊主要功能:實現校驗數據的存儲、處理、回訪、打印。LabWindows/CVI 提供了豐富的DDE 函數庫，包含服務器類函數、客戶類函數和檢查錯誤函數。此軟件采用了LabWindows/CVI 的動態數據交換技術(DDE)，通過DDE 函數實現了和其他程序(Microsoft Excel)的數據交互，借助Microsoft Excel 的強大功能實現了數據的處理、回訪、打印。

4 結束語

伺服液壓軌道衡校驗的系統是集通信、I/O 控制、D/A 轉換、模糊數字PID 控制等于一體的綜合液壓校準平臺。系統軟件開發利用了LabWindows/CVI 集成化開發平臺、交互式編程方法、強大的函數功能及圖形用戶接口(GUI)功能，實現了大型衡器高精度、快速校驗。

目前，該系統已成功應用于國內多家大型鋼鐵企業，通過計量部門的計量檢定，加載精度優于0.1%，量程段力值穩定時間大于30 s。實際應用表明:系統具有加載力值精度高，力值穩定性能良好、高安全可靠性、操作方便、校秤效率高等優點，完全能夠滿足大型衡器的校驗要求。

［1］陸軍華，蘭詩濤，王文，等.液壓式力標準機的自動控制研究［J］.機床與液壓，2004(5):80 -81.

［2］宋宇峰.LabWindows/CVI 逐步深入與開發實例［M］.北京:機械工業出版社，2003.

［3］全國衡器標準化技術委員會.GB/T 15561-2008 靜態電子軌道衡［S］.北京:中國標準出版社，2009.

［4］劉長年.液壓伺服系統分析與設計［M］.北京:科學出版社，1985.