基于NI产品的热力模拟实验机测控系统-RAL苏海龙.pdf

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1、2007 年全国塑性加工理论与新技术学术研讨会 2007 年 5 月 沈阳 396 基于 NI 产品的热力模拟实验机测控系统 苏海龙，骆宗安，魏 瑾，张殿华 (东北大学 轧制技术及连轧自动化国家重点实验室, 辽宁 沈阳 110004) 摘 要摘 要：利用NI产品的实时控制器、数据采集卡、labVIEW RT软件及S7-300PLC开发出具有自主知识产权的热力模 拟实验机的测控系统，即高速、高精度、多实时闭环控制及数据采集系统，填补了我国热力模拟实验机研制的空白。 关键词关键词： LabVIEW RT；M系列数据采集卡；S7-300-2DP Test-Control System of Ther

2、mo-Mechanical Simulator Based on Ni Products SU Hailong, LUO Zongan, WEI Jin, ZHANG Dianhua (The State Key Laboratory of Rolling & Automation,Northeastern University, Shenyang 110004, China) Abstract: Open out the test-control system of thermo-mechanical simulator that possesses independence-knowled

3、ge property right, uses real time controller, data collector, LabVIEW RT software and S7-300. It is high speed, high precision, more real time closed loop control and data acquisition system, fills up the blank of research on thermo-mechanical simulator made in china. Key Words: LabVIEW RT, M series

4、 data collector, S7-300-2DP 1 序言 金属材料在连铸、压力加工、热处理、焊接等热加工过程中，以及在成品的实际使用过程中， 会产生各种物理和力学行为，同时其微观组织性能也会发生改变，为了能更快、更精确、更经济地 研究金属材料在接近实际情况下的组织性能变换规律，人们研制出了采用小试样快速进行物理模拟 的实验设备，即机热力模拟实验机。但这种实验设备是一个集加工工艺、机械、液压、真空、电气 等多学科相结合的产品， 尤其对控制系统要求非常苛刻， 如几个位置闭环和压力闭环控制周期为1ms， 温度闭环为10ms，同时还要进行高速数据采集。为此，我们采用了NI硬件和软件产品，经过多

5、次实 验，成功地完成了该实验机测控系统的研制。由于LabVIEW是图形化语言，结构清晰，可无限层地 嵌套，代码效率高，人机界面及数据处理更是方便快捷，因此极大地缩短了产品的开发周期。 物理模拟是材料及塑性加工科学研究由“经验”走向“科学”，由“定性”走向“定量”的桥梁，因此热 力模拟实验机的研制具有广泛的前景。 2 模拟机的工作过程 热力模拟实验机的任务就是模拟金属在加热状态下，发生各种形变时，记录下整个实验过程工 艺数据的变化，如温度、力、位移、应力、应变等，进而分析研究其相变、结晶等变化规律。工作 原理是利用直接焊在试样（柱状或板状）轴心处的热电偶丝测量温度，采用变压器原侧调节可控硅， 使

6、接在变压器副侧的试样进行直接电阻加热，即试样中通过低电压、大电流而被快速加热。然后通 过控制伺服阀推动液压缸控制锤头打击试样，使其快速变形，并记录试样变形过程的所有相关参数。 为了防止试样在加热过程中被氧化，在操作箱抽真空或充以惰性气体，也可以在加热过程中对试样 喷水、气、水气混合进行淬火。 3 控制系统构成 2007 年全国塑性加工理论与新技术学术研讨会 2007 年 5 月 沈阳 397 该实验机中有许多模拟量控制闭环，有两个位置闭环，一个是控制锤头移动的闭环，另一个是 推出试样变形量及定位控制位置闭环，压力闭环，试样温度控制闭环，扭转控制闭环、真空度、淬 火水流量控制等。由于闭环控制时的

7、采样率为1000s/s,而实验数据的采样率要求可变，有时为闭环控 制采样率的几十倍甚至上百倍。为了解决闭环控制和数据采集同时进行而采样率不同的矛盾，而采 用上位机完成人机界面及数据采集任务，下位机作实时闭环控制，并将数据通过以太网发送到显示 计算机。硬件配置见图1。 图1 硬件配置 控制系统中模拟量采用18位分辨率的数据采集卡，脉冲量采用32位分辨率定时/记数器，开关量 采用具有隔离功能继电器输入/输出卡。 3.1 实时控制任务 实时控制器通过TCP/IP协议从上位机接收到闭环控制参数，利用一个状态机结构的主程序调用 相应的模块化子程序来完成不同的控制任务。 由于LabVIEW软件提供了上位机

8、/下位机通过TCP/IP通 讯的程序例子，经过适当地修改，就可以使控制人机界面计算机的参数和控制过程检测的数据通过 RTFIFO在上位机程序和实时控制闭环子程序间自由地传递，编程速度得到极大地提高，使编程者集 中精力完成自己的控制程序的开发。 模拟量的控制，如温度、压力的闭环控制采用18位分辨率的PXI-6281M多功能数据采集卡，使 闭环控制的精度比PXI-6052E高了一个数量级，而成本却降低了四成多。位置闭环控制使用了32位分 辨率的定时/计数器PXI-6602，将采集到的位移传感器-MTS输出的PWM脉冲信号，经过标度变换折 算成位移量，经过PID运算将控制信号通过PXI6733输出一

9、个10mA的模拟信号控制高响应伺服阀， 完成精确的位置闭环控制。在位置闭环控制的同时有一个力的闭环控制，因为工艺要求锤头在接触 到试样后，以一个恒定的力使试样变形。扭转控制通过PXI-6602采集雷恩增量编码器输出的TTL脉 冲信号，与设定参数比较，经过控制算法后输出电压信号控制伺服阀，使液压马达旋转带动旋转轴 转动。 3.2 数据采集 在恒应变速率压缩实验中，根据实验要求，被加热到1300左右的试样，其变形过程持续的时 间由一个工艺参数&（恒应变速率）决定，即&/)/(ln( 00 hhht=（ 0 h-试样的原始高度；h- 试样的变形量） ，&越大，变形的时间就越短，当采样率为1000s/

10、s，&=100时，采样的点数只有几个， 这样就无法画出应力-应变等曲线。而当&=0.01时，其变形时间又很长，采样点数很多，而实验并不 PXI 8187R PXI 6281 Host PC PXI-1042机箱 PXI 6281 PXI 6602 PXI 6527 PXI-8187 TCP/I 同 步 电 压 信 号 PXI-1031机箱 MIX-4 水平位移1 水平位移2 相对位移 温度 力 扭矩 电压 PXI-6284M PXI 6733 TCP/I 监控 PC TCP/IP 温 度 、 力 信 号 D / A 可 控 硅 手 动 控 制 信 号 电 压 电 流 信 号 液 压 缸 位 置

11、 检 脉 冲 信 号 检 测 伺 服 阀 放 大 器 液 压 马 达 按 钮 开 关 检 测 灯 阀 继 电 器 等 2007 年全国塑性加工理论与新技术学术研讨会 2007 年 5 月 沈阳 398 需要过多的数据采集点，因此数据的采样率要根据需要可变。为此我们采用了MIX-4通讯卡、 PXI-6284M、PXI-1031机箱，由上位机在Windows环境下，根据应变速率的大小来决定采集数据的采 样率。 3.3 硬件连接 在硬件连接时一定要仔细阅读传感器的说明，弄清楚传感器输出的信号类型，因为NI产品的M 系列数据采集卡和定时/计数器允许接收的信号为TTL电平，而有些传感器输出的信号为HTT

12、L电平， 如果将此信号长时间接到数采卡上，可能会烧坏板卡。高精度位移传感器和增量编码器在用不同采 集卡读取其数据时的接线方法如下： 序 号 传感器名称 及端子名称 数据采集卡名称 PXI-6602 端子号数据采集卡名称 PXI-6281M 端子号 1 PWM- PFI38/CTR0 GATE 3 CTR0 GATE 3 2 PWM+ 空 空 3 MTS位移传 感器（PWM 输出） 美国 0V GND 36 D GND 36 1 A+ PFI39(SOURCE_0) 2 PFI8(CRT 0 SRC) 37 2 B+ PFI37(UP_DOWN_0)40 PFI10(CRT 0 AUX) 45

13、3 雷恩（法国） 增量编码器 0V GND 36 D GND 36 模拟量信号采用差分输入方式，其信号负端通过一个13K电阻接地，以增强抗干扰能力。 4 系统软件 4.1 软件的总体结构及功能 控制系统的软件分别由上位机、实时控制器、实时监视计算机完成，上位机的软件运行在 WINDOWS平台下，完成实验工艺参数的录入、数据采集（通过MIX-4完成） 、数据分析、处理、报 表等功能。上位机通过TCP/IP协议经过交换机分别与控制器和监视计算机通讯。实时控制器的软件 为Real-time控制程序，运行在实时操作系统下，完成多个实时控制任务、与上位机、监控计算机通 温度变送器 变压器 横向位 移检测

14、 力检测 伺服阀伺服阀 液压缸 位移检测 可控硅可控硅 锤头 纵向位移 检测 HMI 参数输入 试样温度控制 主液压缸位置控制 扭转控制 交换机 PXI-6527逻辑控 PXI-8187RT 控制器 液压单元 位置 液压单元 位置 闭环闭环 数据处理 运行状态监视 PXI MIX4 AI 模 块 6 2 8 4 数据采集 温度 闭环 扭转 温度 闭环 扭转 闭环闭环 图 2 控制系统任务分配图 力 闭环 力 闭环 TCP/IP TCP/IP 监控 2007 年全国塑性加工理论与新技术学术研讨会 2007 年 5 月 沈阳 399 讯等功能。监视计算实时机监控实验过程中控制系统的工作状态和工艺参

15、数的变化等。其任务分配 见图2。 4.2 闭环控制程序的结构 闭环控制程序中包含多个PID闭环，而每个PID闭环的控制周期不尽相同，能够实现多个PID闭 环同时完成实时控制任务，又互不干扰的前提是，NI公司的M系列数据采集卡和PXI-6602等数采卡 中的提供的多个DMA通道和不断优化的DAQmx驱动程序。在此基础上利用LabVIEW中While循环的 移位寄存器，将通过TCP/IP协议接收到并暂存在FIFO中的实验设定数据，分配到各个PID闭环中， 完成闭环控制。这样速度快、程序简捷，满足了闭环控制的实时性。程序结构见图3 图3 PXI-8187RT通讯及闭环控制程序结构图 4.3 控制程中

16、的设定数据衔接问题 图 4 压缩试样加热照片 在闭环控制程序中，尤其是有液压的控制系统中，要保证液压缸平稳移动，精确的定位，就必 须解决好设定参数的衔接问题。因为液压缸在实验过程中移动到某个位置，当下一次实验时要通过 2007 年全国塑性加工理论与新技术学术研讨会 2007 年 5 月 沈阳 400 手动控制，将液压缸移动到合适的位置上，新的实验就在这个位置开始。从打开液压泵开始到关掉 液压泵的过程中，液压缸始终在PID闭环的控制下，否则液压缸将发生不可预见的移动，并可能造成 人身伤害和设备的损坏。为此必须优化程序结构，解决好设定数据的衔接。首先当液压泵打开的瞬 间，要记录下液压缸的位置，以此

17、为零点，下一次的移动的起点就是上一次的终点。当液压缸停止 时，其设定值就是当前的位置。 另外，位移传感器一定要选择绝对值型的，或电压/电流输出值的，如果选择增量编码器来检测 位置，当突然停电或每次关机前必须记录当前液压缸的位置，否则再来电或开机时，将造成较大的 机械冲击。而且在程序中，必须每个周期都要记录当前液压缸的位置值，这样增加了CPU负担。 5 结束语 选用 NI 公司的 LabVIEW 图形化软件和先进的 PXI 系列硬件，在较短的时间里成功地开发出 热力模拟试验机的控制系统。通过使用嵌入式实时控制器、M 系列高精度数据采集卡和 MIX4 通讯 卡，较好地解决了闭环控制周期不能太短，数

18、据采集速率较高的矛盾。实现了在完成多闭环控制的 过程中高速采集多路数据，且采样速率可变的目标。使热力模拟实验机的性能达到了设计要求，并 填补了我国在该领域大型试验设备研制开发的空白。 利用 LabVIEW 软件开发的人机界面，直观友好，操作简单。LabVIEW 的易学特点及大堤缩短 了整个项目的开发周期，提高了工作效率。该材料实验机能够较好地完成高/低温的热处理、淬火、 焊接、拉、压、扭及其组合实验，成本较低、功能多、操作简便，因此具有广泛的应用前景。 参考文献 1 雷振山, LabVIE 7 Express 实用技术教程,中国铁道部出版社,2004,北京. 2 邓焱, LabVIE 7.1 测试技术及仪器应用,机械工业出版社,2005,北京. 3 杨乐平,LabVIEW 高级程序设计,清华大学出版社,2003,北京. 4 NI Corporation,ID Control Toolset User Manual,2003.11.