一種用于功率超聲的遠程控制方法

孔亞廣， 楊耀臻

(杭州電子科技大學 自動化學院，浙江 杭州310018)

目前功率超聲廣泛應用于機械、電子、電器、冶金、化工、醫藥、能源、材料、紡織、農業、環保等許多重要領域［1］。同時，隨著生產規模的擴大，功率超聲的應用也從小型化向規模化、自動化方向發展。而傳統的超聲波振動系統僅支持對單臺設備進行控制，無法實現遠程聯網控制，更無法實現定制化操作，難以滿足自動化生產的要求。為此，文中通過設計一種超聲波遠程應用的網絡架構，實現對超聲波振動系統的遠程控制，同時可根據用戶要求定制各種控制方案，實現自動化、智能化生產。

1 項目整體網絡架構

根據用戶提出的需求，文中所實現的功率超聲自動控制系統需具備如下功能:

1)系統由兩套控制柜組成，每套控制柜包含24 臺超聲波振動系統，每臺超聲波振動系統包括一臺數控超聲波發生器和一只2 kW 振動子。

2)控制柜安放在工藝現場，每臺擺放在現場的控制柜均配置觸摸屏實現對該控制柜下24 套超聲波振動系統的啟停、搜頻及功率參數設置等功能。同時在中控室擺放一臺操作員站，該操作員站需實現對48 套超聲波振動系統的遠程控制。

3)由于48 套振動系統同時啟動會出現啟動功率過大，導致電力系統無法承載，為此要求該自動控制系統需實現對48 套振動系統的順序啟動，以避免驅動負載過大。

4)每臺超聲波發生器需具備自動搜頻功能，無需人工設定。同時系統需保證每臺超聲波振動系統振幅恒定，并適應工作負載的變化。

針對上述需求，設計了如圖1 所示的網絡架構連接圖。該系統通過具備以太網轉發功能的串口服務器實現超聲波電源與觸摸屏之間的數據通信。

圖1 系統網絡架構Fig.1 System network architecture

項目配置了2 臺8 端口串口服務器，每臺串口服務器采用了6 端口，每端口通過串口連接4 臺超聲波發生器，串口服務器和超聲波發生器之間采用MODBUS 協議進行通信。MODBUS 協議是工業控制器網絡協議中的一種，采用主從通信模式，是工業過程中廣泛采用的一種通信方式［2］。

同時為支持觸摸屏就地控制和中控室操作員站的遠程控制，文中采用的串口服務器還具備了以太網數據轉發功能。該串口服務器提供以太網接口，采用組播［3］通信的方式將從超聲波發生器采集的數據轉發至觸摸屏和操作員站。另外，通過點對點方式接收來自觸摸屏或操作員站的指令，并通過MODBUS 協議實現對超聲波發生器的控制。本項目還基于觸摸屏提供的驅動接口編寫了相關驅動，以使觸摸屏支持文中所描述的通信方式，實現與超聲波發生器的數據交互。串口服務器的組播功能實現代碼如下:

sprintf(strMultiIp，"225.10.10.

%d"，g_iMultiAddr);

mreq.imr_multiaddr.s_addr

= inet_addr(strMultiIp);

mreq.imr_interface.s_addr = htonl (INADDR_

ANY);setsockopt(g_iRecvSocket ，

IPPROTO_IP，IP_ADD_MEMBERSHIP，

＆mreq，sizeof(mreq));

其中strMultiIp 為組播地址。其他以太網節點，包括操作員站和觸摸屏，均作為客戶端節點加入該組播地址。從而在組播上任意點廣播的數據，通過執行sendto(g_iSendSocket，pData，len，0，(struct sockaddr* )＆g_sdMultiAddr，sizeof(g_sdMultiAddr))來發送數據。g_sdMultiAddr1.sin_addr.s_addr = inet_addr(strMultiIp)，pData 為要發送數據的首地址。其他節點在其網絡接收線程中通過調用 recvfrom(g_iRecvSocket，g_sRecvBuf，sizeof(g_sRecvBuf)，0，(structsockaddr* )＆fromip，(socklen_t * )＆fromlen)來接收組播數據。

操作員站監控軟件采用與串口服務器相配套的組態軟件，以實現對超聲振動系統的遠程監控。

2 超聲波發生器控制方案

超聲波振動系統是一個諧振系統，要求發生器的輸出信號頻率能對在工作中變化的換能器諧振頻率進行跟蹤。目前常用的頻率跟蹤控制方案有以下幾種［4-7］:

1)聲跟蹤:聲耦合方式，從換能器上采集諧振頻率的電信號，反饋形成自激振蕩器。

2)電跟蹤:電跟蹤方式，其主要形式有:阻抗電橋形式的動態反饋系統、負載分壓方式的反饋系統和鎖相式頻率自動跟蹤。

3)數字控制方式:通過對系統工作電流或者換能器振幅進行在線測量、辨識，利用單片機或者DSP等控制芯片計算控制量，改變工作頻率至最佳值。

文中所采用的數字超聲波發生器采用數字控制方式，實現對超聲波振動系統的頻率實時跟蹤以及功率控制，其結構如圖2 所示。控制算法上則利用輸出PWM 波形的電壓信號與電流互感器所得電流信號間的相位差，進行PWM 波形頻率的調節，從而實現將相位差控制在一個較小的范圍內。由于在項目運行過程中，液體流量會發生大幅變化，導致超聲振動系統負載波動較大，造成諧振頻率和功率控制變化較大。為此，本項目所實施的超聲波發生器還特別實現了動態負載自適應控制和保護系統，以使得振動系統振幅恒定，具體采用控制策略為PI 控制，Δu(k)= Kp(e(k)－e(k－1))+Ki* e(k)。其中Δu(k)為PWM 輸出電壓幅值增量，e(k)為系統電流設定值與檢測的換能器端電流值的差，Kp，Ki分別為比例系數和積分系數。由于換能器端采樣電流存在檢測干擾，需做數字濾波和系統標定。

圖2 它激式超聲波發生器結構示意Fig.2 Diagram of external drive ultrasonic generator architecture

由于本系統需同時支持操作員站和觸摸屏就地控制，為此本項目所研發的超聲波驅動電源提供有串口RS485，并支持標準的Modbus 通信協議，可通過Modbus RTU 協議對搜頻啟動、系統運行、功率設置等參數進行讀寫，同時將超聲波電源運行狀態通過串口服務器實時轉發給觸摸屏和操作員站。

3 一鍵搜頻功能實現

在一鍵搜頻過程中，多臺控制站同時搜頻，搜頻功率過大，產生的瞬間電流過大，不利于設備的正常運行，因此需要在搜頻時實現超聲波發生器的順序啟動功能，即從第1，2 號超聲波發生器開始，每兩臺一起搜頻，間隔時間為8 s，再開始下兩臺的搜頻，從而避免搜頻瞬間電流過大。由于文中所選用的串口服務器自帶CPU，支持采用IEC61131-3 標準的編程語言實現的控制算法［8］。為此通過FBD 語言實現對超聲波發生器的一鍵搜頻及順序啟動要求，其實現方式如圖3 所示。其中，TON 為延時開計時模塊，其時序如圖4 所示。

圖3 一鍵搜頻FBD 程序Fig.3 One key search frequency FBD program

圖4 TON 模塊時序Fig.4 TON module timing diagram

具體運行方式:當在操作員站或觸摸屏端點擊“一鍵搜頻”按鈕后，“一鍵搜頻”變量被賦值為ON，開放延時計時器(TON)EN 使能，TON 開始工作;在計時2 個周期后，其輸出值為ON，分別開放MOV(賦值)功能塊的使能，將ON 分別賦值給“搜頻開關1”、“搜頻開關2”。XOR_BOOL(異或功能塊)的作用是如果設備1 或設備2 已經搜頻完成，防止再次進行搜頻。這里搜頻開關1 和搜頻開關2 分別對應一臺超聲波振動系統的搜頻按鈕。

對于每套控制柜的24 臺超聲波振動系統，分為12 個小組，實現對每臺超聲波設備的延時搜頻，對每個小組而言，只需要復制圖3 所示的算法程序，并將TON 功能塊的PT 引腳值賦予2 +16* N 即可。其中N 為小組編號，從0 ～11，從而實現超聲波發生器的順序啟動。

由于本項目采用了兩臺串口服務器，圖3 所示的每臺超聲波振動系統的搜頻控制算法是運行在其對應的串口服務器上的，要保證48 臺超聲波振動系統的順序搜頻，就需要設置一個變量，以保證兩臺串口服務器間的時序。為此，利用該串口服務器所提供的數據共享功能，在1#串口服務器設置了一個變量bSFEnd(表明對該串口服務器的24 臺超聲波振動系統搜頻結束)，該變量在1# 串口服務器的第12 組超聲波振動系統搜頻結束后被設置為TRUE。而在2#串口服務器中監聽該變量的值，當發現該值為TRUE 后，2#串口服務器的第1 組開始搜頻，其控制程序如圖5 所示。

具體運行方式:當1# 串口服務器的第12 組超聲波振動系統搜頻結束后bSFEnd 被置為TRUE。由于2#串口服務器中監聽該變量的值，所以使2# 串口服務器第1 組的TON 模塊EN 被值為TRUE，開放延時計時器(TON)EN 使能，TON 開始工作;在計時2 個周期后，其輸出值為ON，分別開放MOV(賦值)功能塊的使能，將ON 分別賦值給“搜頻開關25”、“搜頻開關26”。

兩臺串口服務器的數據共享功能同樣是通過組播的方式來進行數據通信的，具體方法參見第1部分所述。

圖5 2#串口服務器第1 組控制程序Fig.5 2# serial port server 1st group control program

4 觸摸屏組態軟件功能的實現

文中采用的觸摸屏為FE2000 系列，由于本項目針對串口服務器開發了FE2000 觸摸屏的數據驅動，組態畫面與數據驅動之間，通過LW 和LB 來交換數據。

而該串口服務器所轉發的數據均為float 類型變量，為此必須采用FD2000 的宏指令來實現對數據類型的轉換，將bit 類型變量轉化為float 型。具體方法:單擊【選項】菜單→【加入宏代碼】創建宏后，系統會彈出【建立宏】對話框，點擊【建立】進入宏代碼編輯窗口，在編寫宏代碼前，首先在【宏代碼變量窗口】列表區域定義變量如圖6 所示。

圖6 定義宏代碼變量Fig.6 Definition of macro code variables

其中地址40 為根據數據驅動接口所對應的變量ID，地址0 是根據觸摸屏內部變量的要求設定的。

宏代碼:

intMacroEntry()

{

if(LB0 = = 0){LW0 = 0;}

if(LB0 = = 1){LW0 = 1;}

}

經過宏指令代碼，可以將觸摸屏上的按鈕開關bit 型轉換為串口服務器所需要的float 類型，從而使得串口服務器能夠接收正確的操控指令并轉發給超聲波發生器;當然同樣需要寫一段宏代碼，將串口服務器的float 型轉換為bit 型，以使觸摸屏能夠正常顯示相應的按鈕狀態，如圖7 所示。

該觸摸屏提供了以太網接口，與串口服務器、操作員站同處于一個局域網內，這樣觸摸屏的操作指令及效果可實時在操作員中加以顯示和監控。

5 結 語

本項目在現場調試時，出現個別設備通信接口接觸不良以及操作太過頻繁的情況，此時可能會出現串口服務器無法進行正常數據轉發和通信的故障。這是因為文中所采用的串口服務器采用固定周期讀取超聲波設備狀態，當某臺設備出現通信故障后，由于串口服務器會出現通信超時，并嘗試多次連接，導致CPU 的占用率過高，從而降低了運算和通信能力，影響正常通信。

圖7 運行界面Fig.7 Operation window

為此文中將串口服務器的通信方式進行了部分改進，當出現某臺設備與串口服務器通信故障后，系統自動將該臺故障設備的通信周期加以延長，直到某次通信正常后再將通信周期恢復為正常值，從而使得系統CPU 維持在一個較低的水平，當單臺通信故障后不至于影響對其他設備的通信。

文中給出了一種超聲波遠程控制的應用實例，這種方式靈活、方便，可靠性高，既實現了對超聲波振動系統的就地自動控制，也實現了操作員站的遠程控制，大大提高了超聲波系統的自動化水平。

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