遠(yuǎn)程測(cè)控技術(shù)在輪式起重機(jī)測(cè)試上的應(yīng)用

江蘇徐州重型機(jī)械有限公司 江蘇徐州 221004

隨著輪式起重機(jī)向大型化方向發(fā)展,起重機(jī)系統(tǒng)越來(lái)越復(fù)雜［1］,擴(kuò)展工況越來(lái)越多,市場(chǎng)對(duì)起重機(jī)的可靠性要求也越來(lái)越高,這些對(duì)輪式起重機(jī)的測(cè)試工作提出了更高的要求。當(dāng)前大型輪式起重機(jī)的一些測(cè)試工況較為危險(xiǎn),作業(yè)空間較大,傳統(tǒng)的測(cè)試系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足測(cè)試工作的需求,而遠(yuǎn)程測(cè)控系統(tǒng)的應(yīng)用將很好地解決這一問(wèn)題。

目前,遠(yuǎn)程測(cè)控系統(tǒng)已經(jīng)在許多行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用［2-3］,而在工程機(jī)械尤其是起重機(jī)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方面的應(yīng)用才剛剛起步。遠(yuǎn)程測(cè)控系統(tǒng)可以通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)如以太網(wǎng)、CAN總線將分布在現(xiàn)場(chǎng)的各測(cè)試設(shè)備連通,形成一個(gè)測(cè)試設(shè)備網(wǎng)絡(luò),達(dá)到資源共享和集中管控的目的,實(shí)現(xiàn)多臺(tái)設(shè)備協(xié)同工作,測(cè)試人員遠(yuǎn)程操作監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。在起重機(jī)多系統(tǒng)測(cè)試中,引入遠(yuǎn)程測(cè)控技術(shù)建立遠(yuǎn)程測(cè)控系統(tǒng),根據(jù)實(shí)際測(cè)試需求實(shí)現(xiàn)多個(gè)測(cè)試設(shè)備就近測(cè)試,解決了測(cè)試布線和測(cè)試設(shè)備放置困難等棘手問(wèn)題,極大地提升了測(cè)試布點(diǎn)空間;同時(shí),遠(yuǎn)程測(cè)控技術(shù)允許測(cè)試人員遠(yuǎn)離測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)遠(yuǎn)程操作,從而擴(kuò)展了起重機(jī)作業(yè)空間,基本消除了空間對(duì)測(cè)試工況的限制,也大大提升了測(cè)試人員的工作安全性。

1 技術(shù)構(gòu)架

本文中遠(yuǎn)程測(cè)控系統(tǒng)以以太網(wǎng)為主通訊網(wǎng)絡(luò),傳輸各遠(yuǎn)程測(cè)控設(shè)備的實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù);起重機(jī)控制器通訊以CAN總線為主,因此選用CAN總線為輔通訊網(wǎng)絡(luò)采集起重機(jī)信號(hào)。整體構(gòu)架如圖1所示,主要包含3個(gè)部分:現(xiàn)場(chǎng)層、通訊層和測(cè)控層。

1.1 現(xiàn)場(chǎng)層

現(xiàn)場(chǎng)層主要是遠(yuǎn)程測(cè)控設(shè)備通過(guò)CAN總線讀取起重機(jī)控制器運(yùn)行數(shù)據(jù),通過(guò)傳感器讀取起重機(jī)各個(gè)系統(tǒng)模擬量和數(shù)字量。

1.2 通訊層

遠(yuǎn)程測(cè)控上位機(jī)通過(guò)以太網(wǎng)與現(xiàn)場(chǎng)各個(gè)遠(yuǎn)程測(cè)控設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交互,按照測(cè)試需求遠(yuǎn)程測(cè)控設(shè)備,將現(xiàn)場(chǎng)采集的各類數(shù)據(jù)通過(guò)以太網(wǎng)傳送到遠(yuǎn)程測(cè)控上位機(jī)上。

圖1 遠(yuǎn)程測(cè)控系統(tǒng)技術(shù)構(gòu)架

1.3 測(cè)控層

測(cè)控層主要包含遠(yuǎn)程測(cè)控上位機(jī)。測(cè)控上位機(jī)主要完成測(cè)試任務(wù)、采集內(nèi)容、采集通道、采樣率等內(nèi)容的設(shè)置,測(cè)試數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示,測(cè)試數(shù)據(jù)的保存、分析、上傳數(shù)據(jù)庫(kù)等工作。

測(cè)試人員通過(guò)測(cè)控上位機(jī)遠(yuǎn)程操作現(xiàn)場(chǎng)各個(gè)遠(yuǎn)程測(cè)控設(shè)備,進(jìn)行采集和測(cè)試數(shù)據(jù)的進(jìn)一步操作。

2 硬件系統(tǒng)

硬件系統(tǒng)主要包含遠(yuǎn)程測(cè)控設(shè)備和遠(yuǎn)程測(cè)控上位機(jī)。

2.1 遠(yuǎn)程測(cè)控設(shè)備

在起重機(jī)測(cè)試點(diǎn)相對(duì)集中的區(qū)域設(shè)置遠(yuǎn)程測(cè)控設(shè)備完成該區(qū)域的數(shù)據(jù)采集,遠(yuǎn)程測(cè)控設(shè)備要求體積小巧,數(shù)據(jù)采集主要是模擬量、數(shù)字量和CAN信號(hào);同時(shí)要求有以太網(wǎng)、CAN通訊功能,時(shí)間同步接口等。根據(jù)以上分析,基于NI CompactRIO系統(tǒng)完成遠(yuǎn)程測(cè)控設(shè)備設(shè)計(jì),具體硬件配置選型要求表1所求。

2.2 遠(yuǎn)程測(cè)控上位機(jī)

遠(yuǎn)程測(cè)控上位機(jī)采用常規(guī)測(cè)控系統(tǒng)常用的研華工控機(jī)610H,具體配置如下:

? 機(jī)箱:研華610H(300W電源)

表1 遠(yuǎn)程測(cè)控設(shè)備參數(shù)需求明細(xì)表

? 主板:研華H61工業(yè)ATX主板AIMB 701

? CPU:Intel 酷睿i5 2400(四核3.1G)

? RAM:DDR3 三代4G內(nèi)存

? 顯卡:獨(dú)顯,研華 96VG-1G-PE-LE2

? 操作系統(tǒng):win7

2.3 對(duì)時(shí)系統(tǒng)

對(duì)時(shí)系統(tǒng)主要功能是確保遠(yuǎn)程測(cè)控系統(tǒng)內(nèi)所有遠(yuǎn)程測(cè)控設(shè)備的時(shí)間采用同一個(gè)時(shí)間點(diǎn),本文使用NI 的C模塊中GPS同步模塊為整個(gè)系統(tǒng)提供精確的時(shí)間同步。

3 采集和遠(yuǎn)程傳輸技術(shù)設(shè)計(jì)

本文中的遠(yuǎn)程測(cè)控技術(shù)重點(diǎn)功能是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集并遠(yuǎn)程傳輸,本章針對(duì)這兩點(diǎn)說(shuō)明本系統(tǒng)采用的創(chuàng)新技術(shù)。

3.1 CAN節(jié)點(diǎn)采集技術(shù)

CAN節(jié)點(diǎn)采集的關(guān)鍵點(diǎn)是波特率的設(shè)置和數(shù)據(jù)包解析。CAN模塊帶有波特率設(shè)置功能,但是在具體使用時(shí),會(huì)出現(xiàn)丟包現(xiàn)象,因此根據(jù)CAN采集模塊的硬件特性并結(jié)合長(zhǎng)期設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)出本系統(tǒng)特有的波特率驅(qū)動(dòng)技術(shù)。在實(shí)際使用中,采集人員只需在人機(jī)界面中寫(xiě)入所需要的波特率,系統(tǒng)底層軟件將按照波特率驅(qū)動(dòng)技術(shù)計(jì)算相關(guān)參數(shù)并驅(qū)動(dòng)硬件區(qū)達(dá)到相應(yīng)效果。波特率驅(qū)動(dòng)技術(shù)包含概念如下:

◆位時(shí)間(Bitt)——CAN模塊傳輸一位數(shù)據(jù)需要的時(shí)間,其倒數(shù)是波特率(BitRate);

◆波特率(BitRate)——每秒鐘傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位數(shù);

◆時(shí)間沖量(Tq)——CAN模塊內(nèi)部時(shí)鐘,在本系統(tǒng)中需要結(jié)合CAN模塊和控制器處理時(shí)間的原子單位獲取,設(shè)置不同差異較大。

根據(jù)CAN2.0規(guī)范,結(jié)合本系統(tǒng)的波特率驅(qū)動(dòng)技術(shù)將位時(shí)間分成三段,如圖2所示。

圖2 位時(shí)間Bitt與時(shí)間段的關(guān)系圖

具體說(shuō)明如下:

◆SYNC_SEG——一個(gè)長(zhǎng)度固定的時(shí)間沖量Tq本系統(tǒng)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)為C1個(gè)時(shí)間沖量Tq;

◆時(shí)段1TSG1——包含CAN標(biāo)準(zhǔn)的PROP_SEG和PHASE_SEG1,通過(guò)設(shè)置參數(shù)TSG1完成,本系統(tǒng)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)為C2個(gè)時(shí)間沖量Tq;

◆時(shí)段2TSG2——包含CAN標(biāo)準(zhǔn)的PHASE_SEG2,通過(guò)設(shè)置參數(shù)TSG2完成,本系統(tǒng)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)為C3個(gè)時(shí)間沖量Tq;

綜上,位時(shí)間Bitt使用若干個(gè)時(shí)間沖量Tq時(shí)鐘組成,公式如下:式中,C1、C2、C3——分別為根據(jù)經(jīng)驗(yàn)獲得的一個(gè)整數(shù)數(shù)集空間,根據(jù)不同波特率需求有不同的整數(shù)組合。

波特率的計(jì)算公式如下:

式中,BP——可設(shè)置整型參數(shù),根據(jù)不同波特率需求選取不同的參數(shù);

fCANCLK——CAN模塊的時(shí)鐘,可選用系統(tǒng)時(shí)鐘也可選用FPGA時(shí)鐘。

3.2 FIFO實(shí)時(shí)傳輸技術(shù)

各遠(yuǎn)程測(cè)控設(shè)備采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)量大、種類多,如何避免遠(yuǎn)程傳送給上位機(jī)時(shí)丟失數(shù)據(jù),是本系統(tǒng)的關(guān)鍵點(diǎn)和難點(diǎn)。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)基于網(wǎng)絡(luò)變量的方式,設(shè)計(jì)FIFO實(shí)時(shí)傳輸技術(shù)具體如圖3所示。

圖3 FIFO實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程傳輸液技術(shù)示意圖

以輪詢的方式將各個(gè)遠(yuǎn)程測(cè)控設(shè)備采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)放入FIFO隊(duì)列中,為防止系統(tǒng)讀/寫(xiě)速度的臨時(shí)波動(dòng)引起數(shù)據(jù)丟失問(wèn)題,引入FIFO緩沖區(qū)。上位機(jī)按照既定的讀取速度從FIFO緩沖區(qū)中讀取數(shù)據(jù)顯示在人機(jī)界面中,FIFO緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)是循環(huán)發(fā)送到上位機(jī)的讀取隊(duì)列中的。

FIFO緩沖區(qū)深度是整個(gè)FIFO實(shí)時(shí)傳輸技術(shù)的核心點(diǎn),其設(shè)計(jì)若不合理將會(huì)影響整個(gè)FIFO實(shí)時(shí)傳輸?shù)姆€(wěn)定性,導(dǎo)致上位機(jī)實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)出現(xiàn)間斷或者失真,從而導(dǎo)致重大錯(cuò)誤。

FIFO緩沖區(qū)深度設(shè)計(jì)原理如下:

式中,C4——根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值獲得的整型參數(shù)區(qū)間;

SRn——遠(yuǎn)程測(cè)控設(shè)備n的采樣率,一般遠(yuǎn)程測(cè)控設(shè)備的采樣率數(shù)值都是一致的;

SPn——遠(yuǎn)程測(cè)控設(shè)備n的采集通道;

CANn(b)——遠(yuǎn)程測(cè)控設(shè)備n的采集數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為6個(gè)32為整數(shù)數(shù)據(jù)后的數(shù)據(jù)量。

4 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

軟件部分是在labview平臺(tái)上開(kāi)發(fā)的程序［4］,其設(shè)計(jì)按照模塊化原則,按功能分類主要包含以下模塊:用戶管理模塊、采集設(shè)置模塊,傳感器配置模塊,實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示模塊,數(shù)據(jù)文件操作模塊,數(shù)據(jù)分析模塊。具體內(nèi)容如圖4所示。

圖4 軟件功能模塊圖

在軟件運(yùn)行上采用多線程并行運(yùn)行技術(shù),可實(shí)現(xiàn)資源的合理分配,保證整個(gè)系統(tǒng)的高效運(yùn)行。

5 遠(yuǎn)程測(cè)控?cái)?shù)據(jù)采集交互界面

遠(yuǎn)程測(cè)控?cái)?shù)據(jù)采集交互界面如圖5所示,具體功能如下:

? 在“開(kāi)始存儲(chǔ)”、“暫停存儲(chǔ)”、“停止存儲(chǔ)”按鈕功能區(qū),設(shè)置了互鎖功能,防止用戶誤操作導(dǎo)致數(shù)據(jù)存儲(chǔ)不成功;

? 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)實(shí)時(shí)顯示;

? 存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的過(guò)程中,頁(yè)面中依然可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)的顯示;

? 點(diǎn)擊“開(kāi)始采集”,開(kāi)啟板卡采集,在波形圖區(qū)域?qū)@示測(cè)試曲線;

? 隨時(shí)都可以點(diǎn)擊“開(kāi)始存儲(chǔ)”,將采集數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到指定區(qū)域;

? 點(diǎn)擊“暫停存儲(chǔ)”,在波形圖區(qū)域顯示的測(cè)試曲線將靜止;

? 點(diǎn)擊“停止存儲(chǔ)”,板卡采集停止,存儲(chǔ)數(shù)據(jù)停止,在波形圖區(qū)域顯示的測(cè)試曲線依然實(shí)時(shí)顯示;

? 點(diǎn)擊退出系統(tǒng)按鈕將推出整個(gè)軟件并提示是否確定要推出軟件。

圖5 遠(yuǎn)程測(cè)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集界面

6 總結(jié)

本文針對(duì)汽車起重機(jī)測(cè)試工作的瓶頸問(wèn)題,引進(jìn)遠(yuǎn)程測(cè)控技術(shù),以NI CompactRIO系統(tǒng)為硬件系統(tǒng),基于以太網(wǎng)、CAN網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)遠(yuǎn)程測(cè)控網(wǎng)絡(luò)。該遠(yuǎn)程測(cè)控系統(tǒng)硬件系統(tǒng)構(gòu)架清晰簡(jiǎn)潔,易實(shí)現(xiàn),通用性強(qiáng);軟件系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì),采用并行技術(shù),運(yùn)行效率高;操作界面簡(jiǎn)潔,系統(tǒng)響應(yīng)快,操作靈活便捷。該遠(yuǎn)程測(cè)控系統(tǒng)改變了傳統(tǒng)的測(cè)試方式,測(cè)試設(shè)備分布放置,多臺(tái)設(shè)備協(xié)同工作,實(shí)現(xiàn)資源共享和集中管控,實(shí)現(xiàn)測(cè)試人員遠(yuǎn)離測(cè)試現(xiàn)場(chǎng),擴(kuò)展測(cè)試空間拓展測(cè)試工況,提升測(cè)試作業(yè)安全性和測(cè)試安全性,在實(shí)際應(yīng)用中取得了良好的效果。