邱實(shí) 劉思宇 楊茂水 陳乃澍 黃磊*

(1 山東省氣象局大氣探測(cè)技術(shù)保障中心，濟(jì)南250031;2 山東省氣象信息中心，濟(jì)南250031)

引言

影響氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的主要因素是各類氣象觀測(cè)設(shè)備的計(jì)量，判斷觀測(cè)設(shè)備是否準(zhǔn)確感知?dú)庀髷?shù)據(jù)的方法是對(duì)其內(nèi)部的傳感器進(jìn)行檢定和校準(zhǔn)[1]。然而以自動(dòng)氣象站溫度傳感器為例，部分省份的氣象溫度傳感器年檢量約2000只且仍在持續(xù)增長(zhǎng)，因此如何提升自動(dòng)化水平是氣象檢定工作的發(fā)展方向。

現(xiàn)階段研究人員廣泛關(guān)注智能化技術(shù)與檢定系統(tǒng)的融合問題，尤其是利用機(jī)械臂實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢定的技術(shù)方法，劉繼東等給出了機(jī)械臂在低壓電流互感器自動(dòng)檢定系統(tǒng)中的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了直角坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)、腕部電缸旋轉(zhuǎn)和夾具的張開和閉合，可完成互感器抓取和搬運(yùn)的動(dòng)作[2]；重慶電力科學(xué)院利用一體化校表機(jī)器人代替人工抓取，節(jié)約70%的人力成本并提升電表年檢量至250萬(wàn)只[3]；煙草行業(yè)在制造流水線上搭建了基于機(jī)械臂的智能搬運(yùn)系統(tǒng)，通過優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)軌跡等方式替代人員進(jìn)行繁重的搬運(yùn)勞動(dòng)[4]。目前尚無(wú)機(jī)械臂結(jié)合氣象溫度計(jì)量的相關(guān)研究。

既有的溫度傳感器自動(dòng)檢定系統(tǒng)已實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的自動(dòng)控制、檢定信息的自動(dòng)采集和檢定數(shù)據(jù)的自動(dòng)處理。然而系統(tǒng)的工作模式為“單槽多點(diǎn)”，即基于1～2個(gè)恒溫槽完成多溫度點(diǎn)檢定，檢定過程中各檢定溫度點(diǎn)升溫、降溫等待時(shí)間過長(zhǎng)，檢定過程中包含人工更換恒溫槽液體介質(zhì)等大量重復(fù)性勞動(dòng)。因此，如何針對(duì)溫度傳感器年檢量逐步增長(zhǎng)、檢定過程人工參與程度高等現(xiàn)狀，對(duì)氣象溫度檢定系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造成為氣象計(jì)量行業(yè)中亟待解決的問題。

1 系統(tǒng)并行控制策略及總體架構(gòu)

1.1 并行控制策略流程

系統(tǒng)采用“多槽多點(diǎn)多組”的并行檢定工作模式，即通過機(jī)械臂移動(dòng)傳感器的方式，基于多恒溫槽完成多點(diǎn)位的檢定，其布局如圖1所示。對(duì)1～4號(hào)恒溫槽內(nèi)的液體介質(zhì)溫度分別設(shè)為0 ℃、20 ℃、50 ℃和-30 ℃ 4個(gè)溫度檢定點(diǎn)，各恒溫槽內(nèi)具有用于判斷液體溫度是否達(dá)到檢定點(diǎn)溫度的標(biāo)準(zhǔn)器，機(jī)械臂可在行走軸上實(shí)現(xiàn)平移。系統(tǒng)的檢定流程是將4組待檢傳感器置于4個(gè)起始工位中，機(jī)械臂抓取第1組傳感器依次放入1～4號(hào)恒溫槽完成各點(diǎn)位溫度檢定，檢定完畢后機(jī)械臂抓取傳感器放置在終止工位，第2～4組傳感器按上述方法，通過機(jī)械臂抓取的方式按1～4號(hào)恒溫槽移動(dòng)的方式實(shí)現(xiàn)溫度檢定。設(shè)置暫存工位的目的是，若該工位后一恒溫槽溫度尚未到達(dá)檢定點(diǎn)溫度，或該工位前一恒溫槽已完成當(dāng)前檢定點(diǎn)任務(wù)，機(jī)械臂可抓取前一恒溫槽內(nèi)的傳感器至該暫存工位中，使前一恒溫槽啟動(dòng)后續(xù)批次檢定任務(wù)，減少檢定過程所需時(shí)間。

圖1 氣象溫度傳感器檢定系統(tǒng)布局

1.2 系統(tǒng)總體架構(gòu)

系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖2所示。現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層持續(xù)為系統(tǒng)提供0 ℃、20 ℃、50 ℃和-30 ℃的檢定環(huán)境，該層主要包括機(jī)械臂本體和實(shí)現(xiàn)其移動(dòng)、抓取等功能所需的附屬設(shè)備，以及溫度檢定過程中用于制造檢定溫度的恒溫槽、持續(xù)監(jiān)控恒溫槽內(nèi)液體溫度的標(biāo)準(zhǔn)器和測(cè)量待檢傳感器電阻值的數(shù)字多用表。通信網(wǎng)絡(luò)層中硬件部分包括串口服務(wù)器、掃描開關(guān)及通信抗干擾模塊，串口服務(wù)器為現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層和通信網(wǎng)絡(luò)層的硬件提供通訊接口，掃描開關(guān)可實(shí)現(xiàn)數(shù)字多用表循環(huán)測(cè)量多個(gè)待檢傳感器的電阻值，通信抗干擾模塊可有效屏蔽機(jī)械臂上電后產(chǎn)生的干擾，尤其可解決現(xiàn)場(chǎng)干擾對(duì)標(biāo)準(zhǔn)器示值跳變問題；上位機(jī)通過通信網(wǎng)絡(luò)層通訊協(xié)議和各類API接口實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)的調(diào)用和控制，針對(duì)機(jī)械臂控制和溫度檢定控制兩類軟件相對(duì)獨(dú)立的問題，在通信網(wǎng)絡(luò)層為兩類系統(tǒng)提供交互式的系統(tǒng)集成方法，即上位機(jī)檢定軟件控制兩種系統(tǒng)內(nèi)的每個(gè)功能模塊動(dòng)作完畢后，生成可供檢定軟件和下一功能模塊識(shí)別的交互指令，使軟件開發(fā)過程中可在后臺(tái)日志文件中逐一排查這些通用的交互指令，以便快速定位故障點(diǎn)。交互控制層包括上位機(jī)控制部分和機(jī)械臂PLC控制部分，檢定軟件首先將十進(jìn)制溫度值自動(dòng)轉(zhuǎn)換為可供現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備識(shí)別的十六進(jìn)制溫度值，然后集成PLC控制部分實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)、夾取和延時(shí)等待等功能，進(jìn)而將測(cè)量得到的傳感器阻值轉(zhuǎn)換為溫度值并自動(dòng)判斷其是否處于穩(wěn)定狀態(tài)，最后根據(jù)氣象溫度檢定規(guī)程判斷傳感器的檢定結(jié)果。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層中的本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)用于檢定過程中實(shí)時(shí)存儲(chǔ)檢定數(shù)據(jù)，檢定完畢后將本地?cái)?shù)據(jù)備份后導(dǎo)入至業(yè)務(wù)或網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)中，可避免因并發(fā)通信能力不足等網(wǎng)絡(luò)故障導(dǎo)致的檢定數(shù)據(jù)無(wú)法直接傳輸?shù)瘸Ｒ姽收稀?/p>

圖2 并行控制模式的溫度檢定系統(tǒng)總體架構(gòu)

2 干擾來(lái)源影響分析及抗干擾方法

2.1 干擾源對(duì)標(biāo)準(zhǔn)器影響分析

多次系統(tǒng)測(cè)試表明，各類溫度檢定設(shè)備開啟，并經(jīng)一段穩(wěn)定時(shí)間后標(biāo)準(zhǔn)器示值保持穩(wěn)定，然而機(jī)械臂上電后標(biāo)準(zhǔn)器示值在短時(shí)間內(nèi)不斷跳變且不能達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。對(duì)其在0 ℃檢定點(diǎn)，-30 ℃最低檢定點(diǎn)和50 ℃ 最高檢定點(diǎn)連續(xù)記錄示值，以RCY-1A型溫度標(biāo)準(zhǔn)器為例，采樣周期為1 min的典型記錄如表1所示。

表1 干擾影響標(biāo)準(zhǔn)器示值跳變的典型數(shù)據(jù)(RCY-1A型) ℃

經(jīng)比對(duì)發(fā)現(xiàn)機(jī)械臂上電導(dǎo)致了標(biāo)準(zhǔn)器示值發(fā)生了無(wú)規(guī)則跳變，其波動(dòng)范圍已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過相關(guān)規(guī)范要求的溫度偏離校準(zhǔn)點(diǎn)不得超過±0.2 ℃[5]，此時(shí)的溫度標(biāo)準(zhǔn)器示值不能穩(wěn)定，其波動(dòng)范圍不符合規(guī)范的技術(shù)指標(biāo)，即此時(shí)的溫度標(biāo)準(zhǔn)器不能正確地復(fù)現(xiàn)恒溫槽內(nèi)液體溫度，但標(biāo)準(zhǔn)器斷開RS-232通信線后其示值可立即恢復(fù)至機(jī)械臂上電前的穩(wěn)定狀態(tài)。雖然前述研究可表明影響標(biāo)準(zhǔn)器正常運(yùn)行的干擾源是機(jī)械臂上電與RS-232通信共同作用形成，上電后帶來(lái)的磁場(chǎng)環(huán)境變化以及機(jī)械臂與標(biāo)準(zhǔn)器電源共地影響了標(biāo)準(zhǔn)器RS-232通信，但干擾源對(duì)恒溫槽溫控儀表通信、傳感器示值通信等溫度檢定的關(guān)鍵要素是否產(chǎn)生影響仍需進(jìn)一步驗(yàn)證。

事實(shí)上，若恒溫槽內(nèi)部溫度恒定，在機(jī)械臂斷電的條件下，無(wú)論標(biāo)準(zhǔn)器是否連接RS-232通信線，其示值均保持一致并且均可視為本文工作中用于開展對(duì)比實(shí)驗(yàn)的約定真值[6-7]，以機(jī)械臂上電時(shí)恒溫槽波動(dòng)性、傳感器示值分布區(qū)間、標(biāo)準(zhǔn)器斷開和連接RS232通信線時(shí)的示值為后續(xù)實(shí)驗(yàn)的比較對(duì)象。

2.2 干擾源對(duì)恒溫槽溫控儀表影響分析

判斷干擾源是否影響恒溫槽溫控儀表的指標(biāo)是機(jī)械臂上電后計(jì)算恒溫槽波動(dòng)性，其計(jì)算公式為[8]:

ΔT=Tmax-Tmin

(1)

其中，ΔT為恒溫槽溫控儀表示值的極差，反應(yīng)機(jī)械臂上電后恒溫槽內(nèi)液體溫度值偏離程度，Tmax為測(cè)試過程中產(chǎn)生的溫度極大值，Tmin為測(cè)試過程中產(chǎn)生的溫度極小值。

測(cè)試的具體方法是使恒溫槽連接RS-232通信線，待槽內(nèi)液體溫度穩(wěn)定后使用不連接通信線的3種溫度標(biāo)準(zhǔn)器(SWJ型、RCY-1A型和RCY-1D型)持續(xù)監(jiān)測(cè)液體溫度值，每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)器共采樣60次，采樣周期為10 s，通過計(jì)算機(jī)械臂上電后標(biāo)準(zhǔn)器示值的極差，得到3種標(biāo)準(zhǔn)器對(duì)應(yīng)的恒溫槽波動(dòng)性指標(biāo)。

機(jī)械臂上電后恒溫槽內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)器示值記錄如圖3所示。恒溫槽液體溫度穩(wěn)定后，上電未對(duì)液體溫度產(chǎn)生明顯的影響，恒溫槽溫控儀控制槽內(nèi)溫度持續(xù)穩(wěn)定在合理的區(qū)間內(nèi)。通過3種標(biāo)準(zhǔn)器測(cè)得并計(jì)算得到的恒溫槽在-30 ℃、0 ℃和50 ℃測(cè)試點(diǎn)位的波動(dòng)性如表2所示，其恒溫槽溫控儀表示值的極差的最大值為0.02 ℃，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于恒溫槽測(cè)試規(guī)范規(guī)定的指標(biāo)[9]。因此，機(jī)械臂上電及現(xiàn)場(chǎng)通信對(duì)溫控儀控制恒溫槽內(nèi)液體溫度穩(wěn)定無(wú)明顯影響。

圖3 機(jī)械臂上電后標(biāo)準(zhǔn)器在-30 ℃(a)、0 ℃(b)、50 ℃(c)測(cè)試點(diǎn)的示值

表2 機(jī)械臂上電后標(biāo)準(zhǔn)器示值極差 ℃

2.3 干擾源對(duì)溫度傳感器影響分析

判斷干擾源是否影響溫度傳感器通信的指標(biāo)是機(jī)械臂上電后傳感器示值是否發(fā)生明顯變化[10]。當(dāng)溫度傳感器示值穩(wěn)定后，分別從上位機(jī)檢定軟件讀取機(jī)械臂上電前后的溫度傳感器分鐘數(shù)據(jù)，通過分析機(jī)械臂上電前后傳感器示值是否發(fā)生較大變化以判斷干擾源是否影響傳感器通信。具體方法是首先將5只溫度傳感器放入已穩(wěn)定的恒溫槽中，然后持續(xù)等待至傳感器示值接近恒溫槽設(shè)置溫度且示值波動(dòng)較小，記錄10 min內(nèi)的傳感器示值分鐘數(shù)據(jù)，最后將機(jī)械臂上電，記錄前述傳感器示值分鐘數(shù)據(jù)，分別得到機(jī)械臂上電前后傳感器示值的分布區(qū)間。

不同測(cè)試點(diǎn)下的溫度傳感器分鐘數(shù)據(jù)分布區(qū)間如表3和表4所示。隨機(jī)挑選5支處于檢定周期內(nèi)且用于氣象觀測(cè)的溫度傳感器機(jī)械臂上電前各傳感器示值波動(dòng)范圍均不超過0.01 ℃，表明其已達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。機(jī)械臂上電后其波動(dòng)范圍依然不超過0.01 ℃，對(duì)于各傳感器在3個(gè)測(cè)試點(diǎn)位下的示值分布區(qū)間，其上限和下限與機(jī)械臂未上電時(shí)較一致。事實(shí)上，由于前述實(shí)驗(yàn)中恒溫槽內(nèi)液體溫度的穩(wěn)定狀態(tài)是動(dòng)態(tài)平衡的，即測(cè)試過程中其變化范圍不超過0.02 ℃，實(shí)驗(yàn)室傳感器波動(dòng)范圍小于恒溫槽變化范圍即可視為機(jī)械臂上電對(duì)傳感器示值無(wú)明顯影響。

表3 機(jī)械臂未上電時(shí)傳感器示值分布區(qū)間 ℃

表4 機(jī)械臂上電時(shí)傳感器示值分布區(qū)間 ℃

3 系統(tǒng)優(yōu)化及抗干擾測(cè)試

3.1 標(biāo)準(zhǔn)器通信抗干擾方法

盡管RS-232通信模塊的噪聲容限可保證其通信功能具備一定的抗干擾能力，然而檢定系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)現(xiàn)場(chǎng)包含各種電子噪聲，使得標(biāo)準(zhǔn)器一旦連接RS-232通信線就會(huì)導(dǎo)致示值不規(guī)則跳變。

屏蔽電磁干擾的核心問題是解決信號(hào)傳輸時(shí)如何與其他模塊隔離的問題。由于溫度標(biāo)準(zhǔn)器內(nèi)部電路采用機(jī)械連接方法，使傳輸過程中信號(hào)除了與指定的模塊通信，其他電路的電阻通道在這一過程中受電磁干擾作用，對(duì)信號(hào)產(chǎn)生干擾和衰減。屏蔽電磁干擾的方法可采用通信部分增加光隔離器，光隔離器可通過光敏二極管檢測(cè)信號(hào)的能量，將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)傳輸。

屏蔽電源共地干擾的核心問題是解決標(biāo)準(zhǔn)器電源完全絕緣的問題。若各溫度標(biāo)準(zhǔn)器通信時(shí)電源的接地線沒有相互絕緣，則接地保護(hù)沒有保持獨(dú)立，信號(hào)傳輸時(shí)一個(gè)指定通路的耦合可成為另一個(gè)通路的噪聲。對(duì)供電部分進(jìn)行完全絕緣的方法主要包括為每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)器和每個(gè)RS-232通信接口配備獨(dú)立的電源，并將每個(gè)獨(dú)立電源分別接地。

3.2 系統(tǒng)抗干擾原理

本系統(tǒng)為消除電源共地與磁場(chǎng)環(huán)境變化對(duì)標(biāo)準(zhǔn)器RS-232通信產(chǎn)生的干擾，其方法如圖4所示。針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)器與機(jī)械臂電源共地對(duì)標(biāo)準(zhǔn)器通信造成的干擾問題，其優(yōu)化方法是為現(xiàn)場(chǎng)的標(biāo)準(zhǔn)器配備可提供220 V的獨(dú)立移動(dòng)電源。針對(duì)于機(jī)械臂上電后產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)器通信干擾問題，可在標(biāo)準(zhǔn)器通信電路部分引入光電隔離模塊，使RS-232通信電路中標(biāo)準(zhǔn)器信號(hào)產(chǎn)生部分與串口服務(wù)器信號(hào)接收部分隔離，切斷干擾通道。

圖4 系統(tǒng)抗干擾原理

3.3 標(biāo)準(zhǔn)器通信抗干擾測(cè)試

標(biāo)準(zhǔn)器通信抗干擾測(cè)試數(shù)據(jù)如表5所示。機(jī)械臂上電后3類標(biāo)準(zhǔn)器示值波動(dòng)范圍均不超過0.01 ℃，小于恒溫槽的液體溫度的極差0.02 ℃，且與機(jī)械臂未上電時(shí)各測(cè)試點(diǎn)位下的示值分布區(qū)間較為一致。因此，系統(tǒng)優(yōu)化后的標(biāo)準(zhǔn)器通信屏蔽了現(xiàn)場(chǎng)干擾，使其示值保持持續(xù)穩(wěn)定狀態(tài)。

表5 標(biāo)準(zhǔn)器通信抗干擾測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)器示值分布區(qū)間 ℃

4 結(jié)論

本文針對(duì)氣象溫度傳感器檢定工作效率已無(wú)法滿足現(xiàn)有業(yè)務(wù)增長(zhǎng)所面臨的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于機(jī)械臂的溫度檢定系統(tǒng)。

(1)提出了一種基于機(jī)械臂的溫度檢定并行控制工作模式。將機(jī)械臂控制系統(tǒng)與既有氣象溫度檢定系統(tǒng)相結(jié)合，引入了起始工位、暫存工位及終止工位等附屬設(shè)備，設(shè)計(jì)了檢定過程中機(jī)械臂移動(dòng)、搬運(yùn)及夾持等動(dòng)作流程，通過機(jī)械臂移動(dòng)傳感器的方式，在多個(gè)恒溫槽內(nèi)完成多點(diǎn)位的溫度檢定。

(2)分析了系統(tǒng)干擾來(lái)源和形成干擾的原因。事實(shí)上，直接制約系統(tǒng)搭建的關(guān)鍵因素不但有機(jī)械臂控制系統(tǒng)與溫度檢定系統(tǒng)交互設(shè)計(jì)，還包括現(xiàn)場(chǎng)干擾使標(biāo)準(zhǔn)器示值不斷跳變?cè)斐上到y(tǒng)無(wú)法正常運(yùn)行的問題。通過各類實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)形成干擾的條件是機(jī)械臂上電及標(biāo)準(zhǔn)器連接了RS-232通信線，造成標(biāo)準(zhǔn)器示值跳變的原理是標(biāo)準(zhǔn)器與機(jī)械臂電源共地及機(jī)械臂上電后產(chǎn)生的磁場(chǎng)環(huán)境變化影響了標(biāo)準(zhǔn)器RS-232通信。

(3)設(shè)計(jì)了一種系統(tǒng)抗干擾優(yōu)化方法。對(duì)既有溫度檢定系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)器通信部分增加光電隔離模塊并使用獨(dú)立電源供電，克服了現(xiàn)場(chǎng)干擾對(duì)標(biāo)準(zhǔn)器示值通信的影響，使標(biāo)準(zhǔn)器示值恢復(fù)至穩(wěn)定狀態(tài)。

系統(tǒng)投入業(yè)務(wù)使用后，實(shí)現(xiàn)了多批次溫度傳感器的流水作業(yè)，避免了檢定人員持續(xù)進(jìn)行操作、搬運(yùn)等重復(fù)性勞動(dòng)，既大大提高了氣象溫度檢定的工作效率，又實(shí)現(xiàn)了溫度檢定的自動(dòng)化、無(wú)人化。同時(shí)，系統(tǒng)搭建過程中采用的相關(guān)方法可為各類氣象計(jì)量檢定系統(tǒng)升級(jí)改造建設(shè)提供參考。