趙雪娟，柳光乾，張 濤

(中國科學(xué)院國家天文臺(tái)云南天文臺(tái)，云南 昆明 650011)

云南天文臺(tái)1 m太陽望遠(yuǎn)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(xué)目標(biāo)是在0.3～2.5μm波段對(duì)太陽進(jìn)行高分辨率成像和光譜觀測(cè)。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，其驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)必須能夠長時(shí)間高精度地跟蹤太陽，開環(huán)短周期跟蹤精度要達(dá)到0.5″/30 s［1］，因此，望遠(yuǎn)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(dòng)控制系統(tǒng)和高度驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，前者采用液壓軸承，后者采用滾動(dòng)軸承。其中，液壓軸承的安全運(yùn)轉(zhuǎn)要求液壓系統(tǒng)供油穩(wěn)定，壓力的波動(dòng)必須穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)才能保證望遠(yuǎn)鏡正常運(yùn)行。NVST水平液壓系統(tǒng)由武漢重工定制，存在兩個(gè)缺陷:一是液壓系統(tǒng)只有一個(gè)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(cè)和系統(tǒng)分析帶來不便;二是該系統(tǒng)獨(dú)立于望遠(yuǎn)鏡控制系統(tǒng)之外，操作不便，自動(dòng)化程度低，系統(tǒng)難以維護(hù)。為此，本文為NVST設(shè)計(jì)了液壓監(jiān)控系統(tǒng)，包括油壓、油溫?cái)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)及自動(dòng)啟停系統(tǒng)，并通過RS232和PLC開關(guān)量控制集成到望遠(yuǎn)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?cái)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)的傳感器選型和硬件設(shè)計(jì)，第3節(jié)介紹軟件設(shè)計(jì)，第4節(jié)給出實(shí)驗(yàn)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(dòng)化程度都很高，主要包括望遠(yuǎn)鏡控制系統(tǒng)、天文觀測(cè)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(yuǎn)鏡控制系統(tǒng)主要完成望遠(yuǎn)鏡的定位跟蹤(方位和高度兩個(gè)主軸伺服控制)、光譜儀消旋、光電導(dǎo)行、圓頂控制、望遠(yuǎn)鏡風(fēng)障控制、PLC現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)系統(tǒng)和環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等。方位液壓監(jiān)控系統(tǒng)是環(huán)境監(jiān)測(cè)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(jìn)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(jìn)行油壓探測(cè)。油溫傳感器探頭則直接裝進(jìn)油缸內(nèi)部。油壓、油溫傳感器信號(hào)經(jīng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)處理后送往望遠(yuǎn)鏡控制系統(tǒng)。油壓、油溫異常時(shí)，系統(tǒng)將向更底層的PLC系統(tǒng)發(fā)送報(bào)警信號(hào)，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(jìn)行自動(dòng)啟?？刂?。

2 液壓監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

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(chǎng)合。根據(jù)液壓系統(tǒng)自帶的油壓表，望遠(yuǎn)鏡正常工作時(shí)油壓約為0.54 Mpa，所選PT500－708量程為0～1.6 MPa，輸出信號(hào)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(shí)，PT500－708將油壓轉(zhuǎn)換為0～5 V模擬電壓信號(hào)，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADS7852［4］轉(zhuǎn)換為12位數(shù)字信號(hào)后送入單片機(jī)AT89S52［5］，由單片機(jī)控制數(shù)據(jù)的采集、處理、傳輸及報(bào)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(cè)得相應(yīng)的油壓值。當(dāng)油壓異常時(shí)，單片機(jī)產(chǎn)生5 V報(bào)警信號(hào)，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(bào)警信號(hào)后送至PLC控制系統(tǒng)，由PLC采取相應(yīng)的措施，如啟動(dòng)報(bào)警、停止相關(guān)儀器運(yùn)行、停止望遠(yuǎn)鏡轉(zhuǎn)動(dòng)等。

油溫?cái)?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(cè)溫范圍為－55℃ ～+125℃，在－10℃ ～+85℃范圍內(nèi)精度為±0.5℃，測(cè)溫分辨率高達(dá)0.0625℃，可滿足油溫?cái)?shù)據(jù)采集要求。油溫信號(hào)經(jīng)DS18B20轉(zhuǎn)換為12位輸出信號(hào)，經(jīng)AT89S52處理后送至望遠(yuǎn)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?cái)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

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(hào)的傳輸路徑為:PT500－708—ADS7852—AT89S52—MAX232/TLP521_4—上位機(jī)/PLC控制系統(tǒng)。

圖5為油溫?cái)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)的電路原理圖。設(shè)計(jì)采用多通道輸入以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測(cè)溫，可同時(shí)監(jiān)測(cè)8個(gè)待測(cè)點(diǎn)的溫度。實(shí)際使用時(shí)，可根據(jù)待測(cè)點(diǎn)的位置和數(shù)量，靈活選擇信號(hào)輸入通道，單片機(jī)將依次讀取待測(cè)點(diǎn)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(jì)

3.1 下位機(jī)軟件

軟件設(shè)計(jì)的任務(wù)是協(xié)調(diào)、控制硬件完成液壓信號(hào)的采集、轉(zhuǎn)換、處理和傳輸過程，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓系統(tǒng)工作狀態(tài)的監(jiān)控，保證液壓軸承的安全運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)望遠(yuǎn)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(jì)的主程序流程圖。該采集系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的難點(diǎn)在于如何利用單片機(jī)AT89S52控制模數(shù)轉(zhuǎn)換過程準(zhǔn)確穩(wěn)定地進(jìn)行，關(guān)鍵是對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADS7852讀寫時(shí)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(duì)油壓數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)不中斷。另外，考慮到油壓過低比油壓過高的情況嚴(yán)重，報(bào)警子程序中先判斷低壓報(bào)警，圖6(b)為報(bào)警子程序流程圖。

圖7(a)為油溫?cái)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的主程序流程圖。采用DS18B20作溫度傳感器簡化了硬件設(shè)計(jì)，與此同時(shí)，較小的硬件開銷需要相對(duì)復(fù)雜的軟件進(jìn)行補(bǔ)償［9］。DS18B20采用的是一線式總線協(xié)議方式，有嚴(yán)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(jī)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(shí)序完成對(duì)DS18B20芯片的訪問。根據(jù)DS18B20的通訊協(xié)議，主機(jī)控制DS18B20完成溫度轉(zhuǎn)換必須經(jīng)過3個(gè)步驟:每一次讀寫之前都要對(duì)DS18B20進(jìn)行復(fù)位，復(fù)位成功后發(fā)送一條ROM指令，最后發(fā)送RAM指令，讀取存儲(chǔ)在RAM中溫度信息。圖7(b)為DS18B20復(fù)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?cái)?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(jī)軟件

考慮到上位機(jī)串口資源有限，在實(shí)際應(yīng)用中，采用總線型異步多機(jī)通信方式，只需占用一個(gè)串口便可實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與多個(gè)下位機(jī)之間的通信。這種通信方式要求串口具有識(shí)別功能，可通過對(duì)下位機(jī)進(jìn)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(jì)，設(shè)定油壓、油溫的查詢命令分別為11H和12H，上位機(jī)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(jī)軟件的運(yùn)行界面，已集成到NVST控制系統(tǒng)中。工作時(shí)，上位機(jī)發(fā)出查詢命令，下位機(jī)接收命令并通過串口中斷程序?qū)Σ樵兠钸M(jìn)行判斷，若上位機(jī)呼叫的正是本機(jī)，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?cái)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)和啟停控制的運(yùn)行測(cè)試結(jié)果

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

圖9為一段時(shí)間內(nèi)油壓和油溫的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)?？紤]到實(shí)際應(yīng)用，油壓數(shù)據(jù)間隔為0.2 s，油溫?cái)?shù)據(jù)間隔為1 min。從圖中可知，油壓上升時(shí)間約為1 s，而下降時(shí)間約為30 s，即油壓上升較下降快，望遠(yuǎn)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(shí)油壓基本穩(wěn)定在0.5 MPa附近，變動(dòng)峰值為0.05 MPa，測(cè)試表明這一變動(dòng)并不影響液壓系統(tǒng)的正常工作，也不會(huì)影響望遠(yuǎn)鏡的正常跟蹤［10］。油壓高低壓報(bào)警臨界值可設(shè)為0.55 MPa和0.45 MPa。油溫?cái)?shù)據(jù)則隨著油泵工作時(shí)間緩緩上升，持續(xù)工作時(shí)每小時(shí)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(gè)谷值出現(xiàn)。

圖9 液壓數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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?cái)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟硬件實(shí)現(xiàn)，并針對(duì)實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)。理論分析和實(shí)驗(yàn)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(yùn)行。此外，操作簡單，成本低，采用相應(yīng)的傳感器，可用于望遠(yuǎn)鏡鏡筒內(nèi)的真空監(jiān)測(cè)、光譜筒內(nèi)的溫濕度檢測(cè)以及圓頂內(nèi)的溫濕度檢測(cè)等。

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