張榮軍，孫雁

(航天科技集團(tuán)公司第四十四研究所，陜西西安 710025)

隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，物流業(yè)迅速發(fā)展，鐵路、公路運(yùn)輸量也隨之劇增，生產(chǎn)加工過程的質(zhì)量、能量控制也越來越得到重視，電子衡器的最大稱量和結(jié)構(gòu)尺寸也相應(yīng)地發(fā)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(yè)工藝類稱重設(shè)備的應(yīng)用，量程范圍已擴(kuò)展至近千噸。傳統(tǒng)的實(shí)物校驗(yàn)、砝碼校驗(yàn)耗時、費(fèi)力，已難以滿足衡器校驗(yàn)需求，校驗(yàn)方法和校驗(yàn)手段成為當(dāng)前大型衡器計量的重要課題。

計算機(jī)控制的液壓軌道衡校驗(yàn)系統(tǒng)是針對大型軌道衡實(shí)施校驗(yàn)的專用校驗(yàn)系統(tǒng)，完全可以替代傳統(tǒng)的校驗(yàn)方式，能夠按照檢定規(guī)程要求對大型軌道衡實(shí)施自動快速校驗(yàn)。

1 校驗(yàn)原理

伺服液壓軌道衡校驗(yàn)系統(tǒng)基于液壓比對力源技術(shù)，實(shí)現(xiàn)方式為:液壓工作站通過液壓執(zhí)行結(jié)構(gòu)產(chǎn)生載荷，通過標(biāo)準(zhǔn)傳感器作用于軌道衡秤體，標(biāo)準(zhǔn)傳感器信號作為反饋信號被實(shí)時采集進(jìn)入數(shù)據(jù)處理單元，數(shù)據(jù)處理單元經(jīng)過解析處理，根據(jù)處理結(jié)果和控制算法，控制相應(yīng)的液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)，來實(shí)現(xiàn)對設(shè)定載荷值加載以及載荷值的穩(wěn)定。原理圖如圖1 所示。

圖1 校驗(yàn)原理圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

伺服液壓軌道衡校驗(yàn)系統(tǒng)是一個柔性模塊式標(biāo)準(zhǔn)力源，采用了多模式反饋壓力控制技術(shù)、多路壓力平衡技術(shù)，實(shí)現(xiàn)載荷值的準(zhǔn)確控制。通過通道開/閉組合，實(shí)現(xiàn)軌道衡偏載校驗(yàn);在載荷值允許范圍內(nèi)，載荷值可以任意設(shè)定。

伺服液壓軌道衡校驗(yàn)系統(tǒng)的硬件構(gòu)成如圖2 所示。主機(jī)采用臺灣研華IPC610 工控機(jī)。數(shù)字信號處理器采用美國吉時利2000 型數(shù)字萬用表，具有真六位半(22 b)的穩(wěn)定數(shù)據(jù)顯示，同時采用高速低噪聲A/D 轉(zhuǎn)換技術(shù)，具備高線性、低噪聲、低漂移的特性，實(shí)現(xiàn)對標(biāo)準(zhǔn)稱重傳感器信號的采集。

圖2 系統(tǒng)硬件構(gòu)成圖

考慮系統(tǒng)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(shù)據(jù)采集板卡，有4 路16 位獨(dú)立D/A 輸出、16 路TTL 電平開關(guān)量輸入、16 路TTL 電平開關(guān)量輸出，具有集成度高、功能強(qiáng)大、可靠性好、數(shù)據(jù)采集穩(wěn)定的特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)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(diào)節(jié)閥的輸入線號，實(shí)現(xiàn)對液壓工作站出口壓力的控制。

選用研華PCL735 的開關(guān)量輸出功能，來控制各路電磁無泄球閥的開啟，實(shí)現(xiàn)通道的加載或卸載。伺服閥選用上海船舶設(shè)備研究所生產(chǎn)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(jìn)行力的控制，具有抗污染性強(qiáng)、可靠性強(qiáng)、使用壽命長等特點(diǎn)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

LabWindows/CVI 以ANSI C 為核心，將功能強(qiáng)大、使用靈活的C 語言平臺界與用于數(shù)據(jù)采集、分析和表達(dá)的測控專業(yè)工具有機(jī)地結(jié)合起來。它的集成化開發(fā)平臺、交互式編程方法、豐富的功能面板和函數(shù)庫大大增強(qiáng)了C 語言的功能，是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、過程監(jiān)控系統(tǒng)、測試系統(tǒng)理想的軟件開發(fā)環(huán)境。

系統(tǒng)軟件以LabWindows/CVl 為平臺，主要由5個功能模塊組成:接口驅(qū)動模塊、系統(tǒng)自校準(zhǔn)標(biāo)定模塊、在線校準(zhǔn)模塊、數(shù)據(jù)管理模塊組成，其軟件實(shí)現(xiàn)過程具體如下:

3.1 接口驅(qū)動模塊

3.1.1 RS232 通信

工控機(jī)和吉時利2000 型數(shù)字萬用表之間的通信采用標(biāo)準(zhǔn)的RS232，RS232 是美國電子工業(yè)協(xié)會EIA制定的一種串行物理接口標(biāo)準(zhǔn)。作為LabWindows/CVI 的標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)庫之一，RS232 函數(shù)庫提供了豐富的串口通信控制函數(shù)和I/O 函數(shù)，按照功能可以劃分為打開/關(guān)閉函數(shù)、I/O 讀寫函數(shù)、調(diào)制解調(diào)器控制、串口設(shè)置、寄存器狀態(tài)函數(shù)、回調(diào)函數(shù)等。該系統(tǒng)通過RS232 接口的操作函數(shù)實(shí)現(xiàn)對吉時利2000 型數(shù)字萬用表的設(shè)置控制及讀數(shù)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(shù)及測試程序，但沒有提供LabWindows/CVI 環(huán)境下的相關(guān)函數(shù)。對此作者利用LabWindows/CVI 基于C 語言的內(nèi)核，編制LabWindows/CVI 環(huán)境下動態(tài)鏈接庫，然后通過調(diào)用動態(tài)鏈接庫，實(shí)現(xiàn)了對PCI-7464 板卡的數(shù)模轉(zhuǎn)換操作。動態(tài)鏈接庫源代碼如下:

3.1.3 LabWindows/CVI 中I/O 板的實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)選用研華PCL735 開關(guān)量輸出板卡，來控制電磁球閥的開啟，實(shí)現(xiàn)通道的加載或卸載。對此利用LabWindows/CVI 基于C 語言的內(nèi)核，直接對I/O 接口進(jìn)行底層操作，代碼簡潔。具體如下:

outp (0x300，n);///輸出開關(guān)量信號，0x300 為基地址，n 為對應(yīng)通道進(jìn)行開關(guān)量設(shè)置值

3.2 測試系統(tǒng)標(biāo)定模塊

標(biāo)定模塊為系統(tǒng)關(guān)鍵模塊，主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)加載值的校準(zhǔn)，校準(zhǔn)后系統(tǒng)的精度直接影響衡器校準(zhǔn)的精度。該模塊具有基本參數(shù)的設(shè)置功能(包含:濾波參數(shù)、置零范圍、波特率、分度值、小數(shù)點(diǎn)、滿量程及修正系數(shù)等)、標(biāo)定功能(按鍵操作來實(shí)現(xiàn))。其界面如圖3 所示。

圖3 測試系統(tǒng)標(biāo)定模塊界面

3.3 在線衡器校準(zhǔn)模塊

該模塊為系統(tǒng)的核心模塊，直接面向用戶，主要實(shí)現(xiàn)對衡器的在線校驗(yàn)。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(yùn)行正常后，顯示壓力值達(dá)到設(shè)定值。選定加載通道及加載模式，設(shè)定加載值，啟動加載，系統(tǒng)自動實(shí)現(xiàn)設(shè)定值的加載及穩(wěn)定。加載過程通過數(shù)字和曲線等形式實(shí)時顯示。在線衡器校準(zhǔn)模塊界面如圖4 所示。

圖4 在線衡器校準(zhǔn)模塊界面

圖5 控制流程圖

校準(zhǔn)模塊的關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)對設(shè)定值控制。該系統(tǒng)液壓管路長、執(zhí)行機(jī)構(gòu)多 (8～16 路)，同時液壓系統(tǒng)自身存在的緩爬、泄漏因素以及液壓系統(tǒng)工作過程中慣性負(fù)載的變化，尤其是閥控動力機(jī)構(gòu)流量非線性等因素，導(dǎo)致控制過程復(fù)雜。對此，采用模糊自整定的數(shù)字PID，將模糊控制與PID 控制結(jié)合，利用模糊控制對PID 參數(shù)進(jìn)行實(shí)時修正，提高了系統(tǒng)的控制精度和魯棒性，有較好的實(shí)用性?？刂屏鞒虉D見圖5。

模糊自整定的數(shù)字PID 控制器是在常規(guī)調(diào)節(jié)器的基礎(chǔ)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(shù)Ki、Kp、Kd。在控制過程中，通過不斷檢測e 及de，同時根據(jù)模糊控制理論對PID 的3 個參數(shù)進(jìn)行在線修正，可以滿足不同時刻的e 和de 對PID 參數(shù)自整定的要求。系統(tǒng)基于Lab-Windows/CVI 編制的模糊自整定的數(shù)字PID 控制部分源代碼如下:

3.4 數(shù)據(jù)管理模塊

數(shù)據(jù)管理模塊主要功能:實(shí)現(xiàn)校驗(yàn)數(shù)據(jù)的存儲、處理、回訪、打印。LabWindows/CVI 提供了豐富的DDE 函數(shù)庫，包含服務(wù)器類函數(shù)、客戶類函數(shù)和檢查錯誤函數(shù)。此軟件采用了LabWindows/CVI 的動態(tài)數(shù)據(jù)交換技術(shù)(DDE)，通過DDE 函數(shù)實(shí)現(xiàn)了和其他程序(Microsoft Excel)的數(shù)據(jù)交互，借助Microsoft Excel 的強(qiáng)大功能實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的處理、回訪、打印。

4 結(jié)束語

伺服液壓軌道衡校驗(yàn)的系統(tǒng)是集通信、I/O 控制、D/A 轉(zhuǎn)換、模糊數(shù)字PID 控制等于一體的綜合液壓校準(zhǔn)平臺。系統(tǒng)軟件開發(fā)利用了LabWindows/CVI 集成化開發(fā)平臺、交互式編程方法、強(qiáng)大的函數(shù)功能及圖形用戶接口(GUI)功能，實(shí)現(xiàn)了大型衡器高精度、快速校驗(yàn)。

目前，該系統(tǒng)已成功應(yīng)用于國內(nèi)多家大型鋼鐵企業(yè)，通過計量部門的計量檢定，加載精度優(yōu)于0.1%，量程段力值穩(wěn)定時間大于30 s。實(shí)際應(yīng)用表明:系統(tǒng)具有加載力值精度高，力值穩(wěn)定性能良好、高安全可靠性、操作方便、校秤效率高等優(yōu)點(diǎn)，完全能夠滿足大型衡器的校驗(yàn)要求。

［1］陸軍華，蘭詩濤，王文，等.液壓式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)的自動控制研究［J］.機(jī)床與液壓，2004(5):80 -81.

［2］宋宇峰.LabWindows/CVI 逐步深入與開發(fā)實(shí)例［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

［3］全國衡器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會.GB/T 15561-2008 靜態(tài)電子軌道衡［S］.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009.

［4］劉長年.液壓伺服系統(tǒng)分析與設(shè)計［M］.北京:科學(xué)出版社，1985.