基于Labview下氣動量儀自動化測量及SPC分析

劉繼祥　錢宏文

摘要：目前市面上大多數氣動量儀都采用的都是串口進行通訊，而隨著工業集成化要求不斷提高，客戶不僅需要將多臺設備遠距離接入電腦，同時需要進行數據實時顯示、記錄及SPC制程能力分析。串口通信存在傳輸距離短，可集成度較低。本文采用串口轉網口模塊，網絡傳輸距離長，通過路由器可進行多設備同時接入電腦，然后通過labview進行數據采集、實時顯示、保存及SPC制程能力分析，實現自動化測量，便于提高質量管理水平。

關鍵詞：labview;串口;網口;SPC;自動化

中圖分類號：TG839 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）05-0182-03

0 引言

在工控領域，儀器通常需要與計算機進行通信來傳輸數據以及對儀器進行控制。而儀器上，常用的通信接口為串口，串口通信的傳輸介質是有線電纜，存在傳輸距離短，對多臺設備進行數據采集集成難度大等缺點。針對此問題，本文通過串口轉網口模塊進行數據傳輸，路由器可將多臺氣動量儀同時接入電腦，然后通過labview[1-3]進行數據采集、實時顯示、自動保存及SPC制程能力分析[4]。

1 labview簡介

本系統軟件基于NI虛擬儀器開發平臺——LabVIEW進行開發。LabVIEW是支持將簡單易用的圖形化開發方式和靈活強大的編程語言的優勢合二為一。LabVIEW提供一個開放式開發環境，并通過與測量硬件密切結合，可以迅速開發出有關數據采集和控制、數據分析和數據顯示的應用系統。

LabVIEW提供了大量的函數庫供用戶直接調用。從底層的VXI、GPIB、串口及數據采集板的硬件控制子程序到600多個儀器驅動程序，LabVIEW完全適合大型開放式測試系統的控制與測試需要，簡化開發難度，減少開發任務和縮短開發周期。

2 串口轉網口模塊

串口轉網口模塊使用山東有人USR-TCP232-304（以下簡稱T2），該模塊用于實現串口到以太網口的數據的雙向透明傳輸，用戶無需關心具體細節，模塊內部完成協議轉換。參數可以通過設置軟件進行設置，一次設置永久保存。本次使用該模塊TCPClient模式特性。

TCPClient模式說明：TCPClient為TCP網絡服務提供客戶端連接，用于實現串口數據和服務器數據的交互。根據TCP協議的相關規定，TCPClient是有連接和斷開的區別，從而保證數據的可靠交換。當連接建立后，會以大約15s的間隔發送的KeepAlive保活探查包，如果連接有異常中斷等情況，則會被立即檢測到，并促使T2斷開原先的連接并重連。

3 SPC

統計過程控制，又稱SPC（Statistical Process Control），是一種基于數理統計的方法，通過對過程的監控，進一步分析結果來解決實際的問題。SPC主要有兩種用途[6]：對過程進行分析用控制圖和對過程進行監控用控制圖。本文中SPC主要利用控制圖對過程進行監控。

4 系統架構設計

該系統的整體架構框圖如圖1所示，為了實現氣動量儀與電腦的通信，需經過T2模塊進行互聯。T2模塊作為橋梁，一邊與計算機網口相連，一邊與氣動量儀串口進行連接，測量數據通過T2模塊傳送至上位機。

4.1 主程序設計

上位機使用labview作為開發平臺，系統軟件包括3個部分：（1）初始化，上位機作為服務器與T2模塊建立通信;（2）數據采集[5]，實時顯示氣動量儀每一個測量結果，網絡掉線報警，并實時顯示SPC控制圖，以及數據定時保存;（3）數據分析及查詢，通過對歷史數據進行查閱、分類統計，并繪制SPC控制圖。一般情況下，數據的采集個數應25組，每組5個數據，以保證有足夠的點能客觀反應產品工藝的穩定程度。系統流程圖如圖2所示。

4.2 初始化

labview通過調用TCP協議的功能函數實現建立TCP監聽與讀取TCP數據等功能，見圖3所示。調用“打開TCP偵聽”使主機與指定T2模塊建立通信鏈路，T2模塊作為客戶機使用，本地計算機作為服務器，需輸入對應T2的端口號;調用“讀取TCP數據”來讀取接收到的網絡數據。

4.3 數據采集

上位機對多通道數據進行實時采集，在100秒時間內只要上位機收到數據或探測包則認為TCP連接正常，否則進行聲音報警并進行自動重連，此時不影響連接正常通道數據采集;軟件每2分鐘將數據自動保存到excel中，避免因異常情況導致數據丟失;具有實時圖表顯示，當長時間沒有測量數據時，T2模塊會以大約15s的間隔發送的KeepAlive保活探查包。

4.4 數據分析及查詢

上位機對量儀數據，根據spc控制圖進行當前制程能力實時計算、對歷史數據制程能力分析及對結果匯總分類。制程能力主要相關公式如下：

Ca：制程準確度

制程能力指數公式

σ：為估計標準偏差

Cpk：制程能力指數，是某個工程或制程水準的量化反應，也是工程評估是一類指標。

Cpk=（1-k）*Cp或MIN{CPU，CPL}

Cp ：制程精密度

Cpl：下限過程能力指數

Cpu：上限過程能力指數

制程表現指數公式

σ：為制程標準偏差

Ppk：修正的過程性能指數

Ppk=（1-k）*Pp或MIN{Ppl，Ppu}

Pp：過程性能指數（長期）

Ppl：下限過程性能指數

Ppu：上限過程性能指數

4.5 數據回放

數據回放功能是對歷史數據查閱、分類以及分析，分為單通道查詢和多通道查詢。單通道查詢，通過Cpk控制圖分析有利于對產品制造過程特性參數進行測量、控制和品質改善;多通道查詢可以進行分類顯示及統計產品整體合格率。

5 效果驗證

為了驗證系統及軟件的可靠性和穩定性，本文通過對16路氣動量儀應用T2模塊進行組網測量，T2模塊波特率9600，遠程端口8234-8240，遠程IP：192.168.0.201;服務器IP：192.168.0.201。待氣動量儀與T2模塊供電后，啟動SPC測試軟件、TCP初始化完成后，開始進行16通道數據采集，結果如圖4、圖5所示。

6 功能擴展

在小型廠房內，有線傳輸能適應絕大多數的工業環境，但在一些特殊環境中（如強腐蝕性、布線困難、儀器產生交叉運動等），有線傳輸由于其自身的缺陷將無法適應。只需將T2模塊更換為W610模塊（串口轉WiFi），W610作為STA連接到其它AP（如局域網中的路由）上，組成一個無線網絡。所有的STA都以該AP作為無線網絡的中心，STA之間的相互通信都通過AP轉發完成。AP通過網線與計算機相連接即可。只需對w610進行相應設置，上位機改軟件通過配置文件更新模塊端口號即可實現氣動量儀有限連接轉無線自動測量。

7 結語

該系統實現了氣動量儀的自動測量，具有SPC控制圖實時顯示、數據自動保存等功能，極大地提高了管理效率。隨著網絡技術的廣泛應用，傳統的有線短距離傳輸逐漸被網線、無線傳輸所取代，網線傳輸距離遠，組網方便;無線傳輸不受線纜的束縛，設備位置改變不需要重新布線等優勢。通過基于Labview下氣動量儀遠距離組網自動化測量，使得串口設備之間的連接更加方便快捷。該方法成本低，使用方便，并且具有良好的通用性和可擴展性;也可以將該方法推廣至其他類似場合，具有很高的實用價值。

參考文獻

[1] 鄭樹元.精通labview虛擬儀器程序設計[M].北京：清華大學出版社，2012：4-9.

[2] 梁惺彥，和衛星.labview實現遠程數據采集與傳輸[J].微機計算機，2004，9（20）：44-45.

[3] 陳樹學，劉萱.labview寶典[M].北京：電子工業出版社，2011：438-439.

[4] 馬敏莉.應用SPC技術對機械零件加工過程的管理和控制[J].機械設計與制造，2005（5）：154-156.

[5] 唐磊，孟祥印，唐波.氣動量儀自動數據采集及處理系統的設計與實現[J].機床與液壓，2014（14）：107-109.

[6] 王健，徐習亮，孫騰琳.SPC在質量管理中的誤區分析[J].電子世界，2019（02）：49-50+53.