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    胡生國(guó)：中船重工集團(tuán)公司第七一零研究所

    在某產(chǎn)品上有一重要的部件—水壓分離機(jī)構(gòu)，在其生產(chǎn)調(diào)試過(guò)程中需要對(duì)其精確的水壓分離值進(jìn)行綜合檢測(cè)，評(píng)判其合格與否并以此作為產(chǎn)品最終交付的依據(jù)。因型號(hào)不同，其分離背壓范圍為0.3~1.7MPa，而分離范圍為±0.15MPa，水壓測(cè)試要求精度為±0.008MPa。因其生產(chǎn)量較大，兼之產(chǎn)品一致性要求較高，采用普通人工測(cè)試方式不可能實(shí)現(xiàn)。本文在詳細(xì)研究產(chǎn)品工作特性的基礎(chǔ)上，采用計(jì)算機(jī)控制的分布式監(jiān)控系統(tǒng)以及采用可調(diào)柱塞計(jì)量泵與伺服電機(jī)組合提供精確壓力的工作方式，研制了一套高精度水壓測(cè)控裝置，成功地解決了水壓分離裝置水壓解脫綜合測(cè)試的準(zhǔn)確性及試驗(yàn)效率的問(wèn)題。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

    本測(cè)控裝置主要由四大部分組成，分別是數(shù)據(jù)采集模塊、控制模塊、加壓裝置、壓力釜體。采用伺服電機(jī)帶動(dòng)可調(diào)柱塞式計(jì)量泵對(duì)高壓釜加壓，高壓釜內(nèi)的壓力由高精度壓力傳感器檢測(cè)后，經(jīng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)反饋給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)分析處理，控制伺服電動(dòng)機(jī)輸出不同的轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)不同的加壓速率及保壓功能。所有各開(kāi)關(guān)量及模擬量信號(hào)可在計(jì)算機(jī)上用曲線實(shí)時(shí)顯示出來(lái)。系統(tǒng)組成框圖如圖1所示：

 圖1 系統(tǒng)組成

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

    2.1 總體控制方案

    針對(duì)產(chǎn)品水壓試驗(yàn)參數(shù)±0.008MPa壓力的要求，配置了小型伺服控制系統(tǒng)及流量精確可調(diào)的柱塞式計(jì)量泵,采用泓格分布式控制模塊形成一個(gè)小型的RS485控制網(wǎng)絡(luò)與計(jì)算機(jī)（數(shù)字控制器）連接，其中7021是模擬量輸出模塊，用于輸出不同的電壓值給伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，調(diào)節(jié)伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速；7012F是模擬量輸入模塊，用于采集壓力傳感器數(shù)據(jù)；7060D是開(kāi)關(guān)量模擬，用于控制伺服驅(qū)動(dòng)器的使能開(kāi)關(guān)及其上電開(kāi)關(guān)。

    2.2 壓力控制策略

    高壓釜內(nèi)的壓力控制是通過(guò)控制柱塞式計(jì)量泵的流量及泄壓電磁閥的開(kāi)合來(lái)實(shí)現(xiàn)的。計(jì)算機(jī)設(shè)有兩種加壓試驗(yàn)?zāi)Ｊ剑撼炭丶訅悍绞郊敖饷撛囼?yàn)方式。在程控加壓方式下計(jì)算機(jī)測(cè)控程序?qū)毫ψ兯推鱾魉瓦^(guò)來(lái)的高壓釜內(nèi)壓力與設(shè)定曲線的設(shè)定值相比較，利用PID閉環(huán)控制原理，由模擬量輸出模塊向伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器輸出不同的控制電壓，調(diào)節(jié)伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速?gòu)亩_(dá)到調(diào)節(jié)柱塞式計(jì)量泵的流量，以合適的加壓速率使實(shí)際的壓力值趨近設(shè)定的曲線，提高了控制精度；在解脫試驗(yàn)?zāi)Ｊ较拢?jì)算機(jī)按照一定的控制律，以不同的加壓速率接近設(shè)定的解脫壓力值，實(shí)時(shí)顯示并記錄水壓分離機(jī)構(gòu)解脫瞬間的壓力變化情況，并進(jìn)行計(jì)數(shù)。壓力過(guò)高時(shí)（由測(cè)控程序設(shè)定安全壓力數(shù)值），警戒燈亮起，同時(shí)啟動(dòng)電磁閥排水（若程序失效時(shí)，越過(guò)了最高安全值后，安全閥自動(dòng)啟動(dòng)降低壓力）

    2.3 解脫計(jì)數(shù)的實(shí)現(xiàn)
    
    在產(chǎn)品加工過(guò)程中，會(huì)由于加工精度及使用材質(zhì)的微小差異，最終導(dǎo)致產(chǎn)品出現(xiàn)不同的分離值，因本裝置設(shè)計(jì)的一次試驗(yàn)數(shù)量為10個(gè)，因此在程序上必須設(shè)計(jì)計(jì)數(shù)模塊。程序判斷每一個(gè)水壓分離裝置解脫的依據(jù)為解脫時(shí)壓力釜內(nèi)壓力的下降，下降量的多少為計(jì)數(shù)的關(guān)鍵。可用公式   來(lái)對(duì)每一個(gè)裝置解脫時(shí)壓力釜內(nèi)的壓力降進(jìn)行計(jì)算。
式中 為液體的容積模數(shù)，水的容積模數(shù)為：
 
    為液體的壓力變化值，一般而言，壓力釜加工完成后，釜內(nèi)注水總?cè)莘e 是已知的，被試產(chǎn)品解脫前和解脫后占有水的總?cè)莘e之差 也是可計(jì)算的，故每一個(gè)裝置解脫后壓力釜內(nèi)的壓力降是可以計(jì)算出來(lái)的(在計(jì)算時(shí)，必須考慮壓力釜內(nèi)的背壓，即 的數(shù)值應(yīng)換算為常壓下水的容積)。在程序設(shè)計(jì)中，通過(guò)分析壓力傳感器的數(shù)值可以判斷被試產(chǎn)品是否解脫，從而對(duì)被試產(chǎn)品的解脫進(jìn)行計(jì)數(shù)。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

    3.1   人機(jī)界面

    主要界面包括:試驗(yàn)參數(shù)設(shè)定窗口、報(bào)警窗口、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)窗口、數(shù)據(jù)查詢(xún)窗口，系統(tǒng)管理等，界面友好，盡可能提高界面的智能化程度，減少操作者的工作量。在程序中設(shè)計(jì)了許多智能提示，盡可能能減少操作過(guò)程中的失誤。
如：

    Private Sub cmdStart_Click()

    If Tim0 = 0 Then
    
    MsgBox "請(qǐng)輸入程控曲線后再進(jìn)行壓力試驗(yàn)！", vbCritical, "操作提示"
    
    Exit Sub

    End If

    測(cè)控界面如下，圖中曲線為解脫試驗(yàn)?zāi)Ｊ綍r(shí)測(cè)得的多個(gè)水壓分離機(jī)構(gòu)在不同時(shí)刻解脫時(shí)高壓釜內(nèi)的壓力變化情況：

圖2 系統(tǒng)監(jiān)控圖

    3.2  程序設(shè)計(jì)

    在程序設(shè)計(jì)過(guò)程中，分別針對(duì)泓格7060D開(kāi)關(guān)量模塊、7021模擬量輸出模塊、7012F模擬量輸入模塊編制了不同的程序控制模塊。在程序運(yùn)行過(guò)程中，每一個(gè)模塊或多或少會(huì)和其它的模塊有一些交錯(cuò)使用，而在同一個(gè)時(shí)間，串口只能和其中的一個(gè)模塊通訊，如果模塊之間的控制指令?yuàn)A雜著使用會(huì)使程序設(shè)計(jì)變得復(fù)雜,往后的維護(hù)也會(huì)變得不易,為了防止出現(xiàn)這一問(wèn)題,本裝置在程序設(shè)計(jì)上采用了控制標(biāo)識(shí).如下程序片段所示:

    Private Sub Image10_Click() '電動(dòng)閥開(kāi)關(guān)
    
    Dim buf1$
    
    IntChar = True '數(shù)據(jù)采集中斷
    
    If Image10.Picture = Image2(1).Picture Then '電動(dòng)閥開(kāi)狀態(tài)
        
    MSComm1.Output = "#021301" & vbCr '電動(dòng)閥單獨(dú)控制開(kāi)
        
    Image10.Picture = Image2(0).Picture '關(guān)狀態(tài)

    ……

    IntChar = False '中斷恢復(fù)，可以采集

    End Sub

    Private Sub Image7_Click() '主電機(jī)上電開(kāi)關(guān)
    
    IntChar = True '數(shù)據(jù)采集中斷
    
    Dim buf1$
    
    If Image7.Picture = Image2(1).Picture Then '開(kāi)關(guān)斷開(kāi)狀態(tài)
        
    If InStr(1, buf1, ">") <> 0 Then '命令發(fā)送成功
            
    Image7.Picture = Image2(0).Picture
            
    Image5.Picture = Image1(1).Picture
            
    IntChar = False '中斷恢復(fù)，可以采集
        
    Else '命令發(fā)送不成功
            
    lblMsg.Caption = "7060模塊通訊故障,請(qǐng)檢查線路。"
            
    IntChar = False '中斷恢復(fù)，可以采集
            
    Exit Sub
        
    End If

    Private Sub Image8_Click() '使能信號(hào)通開(kāi)關(guān)

    IntChar = True '數(shù)據(jù)采集中斷

    If Image8.Picture = Image2(1).Picture Then '使能開(kāi)關(guān)為斷開(kāi)狀態(tài)
      
    If Image7.Picture = Image2(1).Picture Then '電機(jī)主開(kāi)關(guān)為斷開(kāi)狀態(tài)
            
    MsgBox "請(qǐng)先給電機(jī)上電，再開(kāi)使能開(kāi)關(guān)！", vbCritical
            
    IntChar = False '中斷恢復(fù)，可以采集
            
    Exit Sub

    End If

    ……
            
    IntChar = False '中斷恢復(fù)，可以采集
            
    Exit Sub
        
    Else

    lblMsg.Caption = "7060模塊通訊故障,請(qǐng)檢查線路。"
            
    IntChar = False

    ……

    Else
            
    lblMsg.Caption = "7060模塊通訊故障,請(qǐng)檢查線路。"
            
    IntChar = False

    ……

    IntChar = False

    End Sub

    3.3 系統(tǒng)監(jiān)控

    系統(tǒng)監(jiān)控圖如圖2所示，軟件主要完成的功能是對(duì)整個(gè)裝置的運(yùn)行進(jìn)行監(jiān)控，輸入測(cè)控壓力數(shù)據(jù)，對(duì)壓力釜內(nèi)的壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，并在壓力運(yùn)行參數(shù)出現(xiàn)異常時(shí)（如超出正常運(yùn)行的上下限），彈出報(bào)警窗口，并停止壓力輸出。

    監(jiān)控軟件流程圖如圖3：  

圖3 程序監(jiān)控流程

4 抗干擾措施

    為了實(shí)現(xiàn)高精度的壓力控制，防止噪聲的干擾，采取抗干擾措施是必須的。在該裝置中，采取了如下的抗干擾措施：1）采用伺服隔離變壓器，將控制柜內(nèi)電源與外供電電源隔離，降低了供電電源的干擾影響；2）在控制柜內(nèi)，分別用兩個(gè)獨(dú)立的電源對(duì)模擬電路和數(shù)字電路供電，將模擬電路用地線與數(shù)字電路隔離，以增強(qiáng)抗干擾能力。3）為防止伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的干擾，專(zhuān)門(mén)對(duì)該驅(qū)動(dòng)器安裝了一個(gè)專(zhuān)用的電抗器，實(shí)驗(yàn)證明效果良好；4）為了保證微機(jī)的正常工作，除軟件上采取措施外，選用了泓格7000系列模塊，它配置了看門(mén)狗電路，可使跑飛的程序恢復(fù)正常；5）在計(jì)算機(jī)串口與RS485網(wǎng)絡(luò)之間選用了光電隔離的RS232／485轉(zhuǎn)換模塊，將信號(hào)輸入端與計(jì)算機(jī)隔離，有效防止了信號(hào)輸入端的噪聲傳入微機(jī)，提高了系統(tǒng)的可靠性；6）信號(hào)傳輸線采用屏蔽電纜，減少了電磁干擾；7）選用的高精度的壓力傳感器的輸出信號(hào)為電流，在進(jìn)入數(shù)據(jù)采集模塊之前采用專(zhuān)用的電流/電壓轉(zhuǎn)換模塊，降低了壓力信號(hào)受到干擾的可能性。基于上述措施使本系統(tǒng)抗干擾性能較好。

5 結(jié)論

    由于本裝置采用了分布式模塊，形成了一個(gè)有機(jī)的RS485網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)采集及通訊可靠，使得壓力控制的精度有了顯著的提高，最終的壓力控制精度達(dá)到了±0.005MPa，穩(wěn)定性好，且維修方便。本裝置投入使用后，經(jīng)過(guò)一年多的運(yùn)行，實(shí)際使用效果良好，運(yùn)行穩(wěn)定，大幅度地提高了工作效率及產(chǎn)品試驗(yàn)質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)

1 范逸之、陳立元. 利用Visual Basic 實(shí)現(xiàn)串行并行通信技術(shù).北京:清華大學(xué)出版社,2001.

2 范逸之.  Visual Basic與分布式監(jiān)控系統(tǒng)－RS－232／485串行通信. 北京:清華大學(xué)出版社.2002

3 《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》聯(lián)合編寫(xiě)組編：《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》上、中冊(cè)   第二版 (修訂)，1991年，化學(xué)工業(yè)出版社。

4 賈銘新 曹誠(chéng)明 主編 《液壓傳動(dòng)與控制》 1993年，哈爾濱工程大學(xué)出版社。