孔亞廣， 楊耀臻

(杭州電子科技大學(xué) 自動化學(xué)院，浙江 杭州310018)

目前功率超聲廣泛應(yīng)用于機(jī)械、電子、電器、冶金、化工、醫(yī)藥、能源、材料、紡織、農(nóng)業(yè)、環(huán)保等許多重要領(lǐng)域［1］。同時，隨著生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，功率超聲的應(yīng)用也從小型化向規(guī)?；?、自動化方向發(fā)展。而傳統(tǒng)的超聲波振動系統(tǒng)僅支持對單臺設(shè)備進(jìn)行控制，無法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程聯(lián)網(wǎng)控制，更無法實(shí)現(xiàn)定制化操作，難以滿足自動化生產(chǎn)的要求。為此，文中通過設(shè)計一種超聲波遠(yuǎn)程應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對超聲波振動系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制，同時可根據(jù)用戶要求定制各種控制方案，實(shí)現(xiàn)自動化、智能化生產(chǎn)。

1 項(xiàng)目整體網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

根據(jù)用戶提出的需求，文中所實(shí)現(xiàn)的功率超聲自動控制系統(tǒng)需具備如下功能:

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

2)控制柜安放在工藝現(xiàn)場，每臺擺放在現(xiàn)場的控制柜均配置觸摸屏實(shí)現(xiàn)對該控制柜下24 套超聲波振動系統(tǒng)的啟停、搜頻及功率參數(shù)設(shè)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(shí)現(xiàn)對48 套超聲波振動系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制。

3)由于48 套振動系統(tǒng)同時啟動會出現(xiàn)啟動功率過大，導(dǎo)致電力系統(tǒng)無法承載，為此要求該自動控制系統(tǒng)需實(shí)現(xiàn)對48 套振動系統(tǒng)的順序啟動，以避免驅(qū)動負(fù)載過大。

4)每臺超聲波發(fā)生器需具備自動搜頻功能，無需人工設(shè)定。同時系統(tǒng)需保證每臺超聲波振動系統(tǒng)振幅恒定，并適應(yīng)工作負(fù)載的變化。

針對上述需求，設(shè)計了如圖1 所示的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)連接圖。該系統(tǒng)通過具備以太網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)功能的串口服務(wù)器實(shí)現(xiàn)超聲波電源與觸摸屏之間的數(shù)據(jù)通信。

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)Fig.1 System network architecture

項(xiàng)目配置了2 臺8 端口串口服務(wù)器，每臺串口服務(wù)器采用了6 端口，每端口通過串口連接4 臺超聲波發(fā)生器，串口服務(wù)器和超聲波發(fā)生器之間采用MODBUS 協(xié)議進(jìn)行通信。MODBUS 協(xié)議是工業(yè)控制器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中的一種，采用主從通信模式，是工業(yè)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(yuǎn)程控制，文中采用的串口服務(wù)器還具備了以太網(wǎng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能。該串口服務(wù)器提供以太網(wǎng)接口，采用組播［3］通信的方式將從超聲波發(fā)生器采集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至觸摸屏和操作員站。另外，通過點(diǎn)對點(diǎn)方式接收來自觸摸屏或操作員站的指令，并通過MODBUS 協(xié)議實(shí)現(xiàn)對超聲波發(fā)生器的控制。本項(xiàng)目還基于觸摸屏提供的驅(qū)動接口編寫了相關(guān)驅(qū)動，以使觸摸屏支持文中所描述的通信方式，實(shí)現(xiàn)與超聲波發(fā)生器的數(shù)據(jù)交互。串口服務(wù)器的組播功能實(shí)現(xiàn)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(wǎng)節(jié)點(diǎn)，包括操作員站和觸摸屏，均作為客戶端節(jié)點(diǎn)加入該組播地址。從而在組播上任意點(diǎn)廣播的數(shù)據(jù)，通過執(zhí)行sendto(g_iSendSocket，pData，len，0，(struct sockaddr* )＆g_sdMultiAddr，sizeof(g_sdMultiAddr))來發(fā)送數(shù)據(jù)。g_sdMultiAddr1.sin_addr.s_addr = inet_addr(strMultiIp)，pData 為要發(fā)送數(shù)據(jù)的首地址。其他節(jié)點(diǎn)在其網(wǎng)絡(luò)接收線程中通過調(diào)用 recvfrom(g_iRecvSocket，g_sRecvBuf，sizeof(g_sRecvBuf)，0，(structsockaddr* )＆fromip，(socklen_t * )＆fromlen)來接收組播數(shù)據(jù)。

操作員站監(jiān)控軟件采用與串口服務(wù)器相配套的組態(tài)軟件，以實(shí)現(xiàn)對超聲振動系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

2 超聲波發(fā)生器控制方案

超聲波振動系統(tǒng)是一個諧振系統(tǒng)，要求發(fā)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(jìn)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(tài)反饋系統(tǒng)、負(fù)載分壓方式的反饋系統(tǒng)和鎖相式頻率自動跟蹤。

3)數(shù)字控制方式:通過對系統(tǒng)工作電流或者換能器振幅進(jìn)行在線測量、辨識，利用單片機(jī)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(shù)字超聲波發(fā)生器采用數(shù)字控制方式，實(shí)現(xiàn)對超聲波振動系統(tǒng)的頻率實(shí)時跟蹤以及功率控制，其結(jié)構(gòu)如圖2 所示?？刂扑惴ㄉ蟿t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(jìn)行PWM 波形頻率的調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)將相位差控制在一個較小的范圍內(nèi)。由于在項(xiàng)目運(yùn)行過程中，液體流量會發(fā)生大幅變化，導(dǎo)致超聲振動系統(tǒng)負(fù)載波動較大，造成諧振頻率和功率控制變化較大。為此，本項(xiàng)目所實(shí)施的超聲波發(fā)生器還特別實(shí)現(xiàn)了動態(tài)負(fù)載自適應(yīng)控制和保護(hù)系統(tǒng)，以使得振動系統(tǒng)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(tǒng)電流設(shè)定值與檢測的換能器端電流值的差，Kp，Ki分別為比例系數(shù)和積分系數(shù)。由于換能器端采樣電流存在檢測干擾，需做數(shù)字濾波和系統(tǒng)標(biāo)定。

圖2 它激式超聲波發(fā)生器結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Diagram of external drive ultrasonic generator architecture

由于本系統(tǒng)需同時支持操作員站和觸摸屏就地控制，為此本項(xiàng)目所研發(fā)的超聲波驅(qū)動電源提供有串口RS485，并支持標(biāo)準(zhǔn)的Modbus 通信協(xié)議，可通過Modbus RTU 協(xié)議對搜頻啟動、系統(tǒng)運(yùn)行、功率設(shè)置等參數(shù)進(jìn)行讀寫，同時將超聲波電源運(yùn)行狀態(tài)通過串口服務(wù)器實(shí)時轉(zhuǎn)發(fā)給觸摸屏和操作員站。

3 一鍵搜頻功能實(shí)現(xiàn)

在一鍵搜頻過程中，多臺控制站同時搜頻，搜頻功率過大，產(chǎn)生的瞬間電流過大，不利于設(shè)備的正常運(yùn)行，因此需要在搜頻時實(shí)現(xiàn)超聲波發(fā)生器的順序啟動功能，即從第1，2 號超聲波發(fā)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(wù)器自帶CPU，支持采用IEC61131-3 標(biāo)準(zhǔn)的編程語言實(shí)現(xiàn)的控制算法［8］。為此通過FBD 語言實(shí)現(xiàn)對超聲波發(fā)生器的一鍵搜頻及順序啟動要求，其實(shí)現(xiàn)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(yùn)行方式:當(dāng)在操作員站或觸摸屏端點(diǎn)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(guān)1”、“搜頻開關(guān)2”。XOR_BOOL(異或功能塊)的作用是如果設(shè)備1 或設(shè)備2 已經(jīng)搜頻完成，防止再次進(jìn)行搜頻。這里搜頻開關(guān)1 和搜頻開關(guān)2 分別對應(yīng)一臺超聲波振動系統(tǒng)的搜頻按鈕。

對于每套控制柜的24 臺超聲波振動系統(tǒng)，分為12 個小組，實(shí)現(xiàn)對每臺超聲波設(shè)備的延時搜頻，對每個小組而言，只需要復(fù)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(shí)現(xiàn)超聲波發(fā)生器的順序啟動。

由于本項(xiàng)目采用了兩臺串口服務(wù)器，圖3 所示的每臺超聲波振動系統(tǒng)的搜頻控制算法是運(yùn)行在其對應(yīng)的串口服務(wù)器上的，要保證48 臺超聲波振動系統(tǒng)的順序搜頻，就需要設(shè)置一個變量，以保證兩臺串口服務(wù)器間的時序。為此，利用該串口服務(wù)器所提供的數(shù)據(jù)共享功能，在1#串口服務(wù)器設(shè)置了一個變量bSFEnd(表明對該串口服務(wù)器的24 臺超聲波振動系統(tǒng)搜頻結(jié)束)，該變量在1# 串口服務(wù)器的第12 組超聲波振動系統(tǒng)搜頻結(jié)束后被設(shè)置為TRUE。而在2#串口服務(wù)器中監(jiān)聽該變量的值，當(dāng)發(fā)現(xiàn)該值為TRUE 后，2#串口服務(wù)器的第1 組開始搜頻，其控制程序如圖5 所示。

具體運(yùn)行方式:當(dāng)1# 串口服務(wù)器的第12 組超聲波振動系統(tǒng)搜頻結(jié)束后bSFEnd 被置為TRUE。由于2#串口服務(wù)器中監(jiān)聽該變量的值，所以使2# 串口服務(wù)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(guān)25”、“搜頻開關(guān)26”。

兩臺串口服務(wù)器的數(shù)據(jù)共享功能同樣是通過組播的方式來進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的，具體方法參見第1部分所述。

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

4 觸摸屏組態(tài)軟件功能的實(shí)現(xiàn)

文中采用的觸摸屏為FE2000 系列，由于本項(xiàng)目針對串口服務(wù)器開發(fā)了FE2000 觸摸屏的數(shù)據(jù)驅(qū)動，組態(tài)畫面與數(shù)據(jù)驅(qū)動之間，通過LW 和LB 來交換數(shù)據(jù)。

而該串口服務(wù)器所轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)均為float 類型變量，為此必須采用FD2000 的宏指令來實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)類型的轉(zhuǎn)換，將bit 類型變量轉(zhuǎn)化為float 型。具體方法:單擊【選項(xiàng)】菜單→【加入宏代碼】創(chuàng)建宏后，系統(tǒng)會彈出【建立宏】對話框，點(diǎn)擊【建立】進(jìn)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(qū)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(jù)數(shù)據(jù)驅(qū)動接口所對應(yīng)的變量ID，地址0 是根據(jù)觸摸屏內(nèi)部變量的要求設(shè)定的。

宏代碼:

intMacroEntry()

{

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

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

}

經(jīng)過宏指令代碼，可以將觸摸屏上的按鈕開關(guān)bit 型轉(zhuǎn)換為串口服務(wù)器所需要的float 類型，從而使得串口服務(wù)器能夠接收正確的操控指令并轉(zhuǎn)發(fā)給超聲波發(fā)生器;當(dāng)然同樣需要寫一段宏代碼，將串口服務(wù)器的float 型轉(zhuǎn)換為bit 型，以使觸摸屏能夠正常顯示相應(yīng)的按鈕狀態(tài)，如圖7 所示。

該觸摸屏提供了以太網(wǎng)接口，與串口服務(wù)器、操作員站同處于一個局域網(wǎng)內(nèi)，這樣觸摸屏的操作指令及效果可實(shí)時在操作員中加以顯示和監(jiān)控。

5 結(jié) 語

本項(xiàng)目在現(xiàn)場調(diào)試時，出現(xiàn)個別設(shè)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(xiàn)串口服務(wù)器無法進(jìn)行正常數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和通信的故障。這是因?yàn)槲闹兴捎玫拇诜?wù)器采用固定周期讀取超聲波設(shè)備狀態(tài)，當(dāng)某臺設(shè)備出現(xiàn)通信故障后，由于串口服務(wù)器會出現(xiàn)通信超時，并嘗試多次連接，導(dǎo)致CPU 的占用率過高，從而降低了運(yùn)算和通信能力，影響正常通信。

圖7 運(yùn)行界面Fig.7 Operation window

為此文中將串口服務(wù)器的通信方式進(jìn)行了部分改進(jìn)，當(dāng)出現(xiàn)某臺設(shè)備與串口服務(wù)器通信故障后，系統(tǒng)自動將該臺故障設(shè)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(fù)為正常值，從而使得系統(tǒng)CPU 維持在一個較低的水平，當(dāng)單臺通信故障后不至于影響對其他設(shè)備的通信。

文中給出了一種超聲波遠(yuǎn)程控制的應(yīng)用實(shí)例，這種方式靈活、方便，可靠性高，既實(shí)現(xiàn)了對超聲波振動系統(tǒng)的就地自動控制，也實(shí)現(xiàn)了操作員站的遠(yuǎn)程控制，大大提高了超聲波系統(tǒng)的自動化水平。

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