基于PC機(jī)的爐溫集中監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

游 娜，梁春平，段數(shù)軍

YOU Na, LIANG Chun-ping, DUAN Shu-jun

（寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司，寶雞 721002）

0 引言

作為大型機(jī)械裝備生產(chǎn)企業(yè)，各種熱處理設(shè)備必不可少，完成對(duì)金屬材料的正火、回火、淬火、調(diào)質(zhì)和滲碳等熱處理，改善金屬材料的機(jī)械性能。金屬材料熱處理后的機(jī)械性能與加熱速度、保溫時(shí)間等密切相關(guān)，保證熱處理的工藝參數(shù)對(duì)保證金屬材料的性能有著極為重要的意義。我公司熱處理分廠的部分設(shè)備比較陳舊，尤其是溫度控制設(shè)備部分采用繼電器控制箱。由于熱處理設(shè)備分布在各個(gè)車間，熱處理時(shí)需要人工實(shí)時(shí)監(jiān)控儀表進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)，每臺(tái)設(shè)備需要配一名工人監(jiān)控操作，勞動(dòng)強(qiáng)度大，費(fèi)時(shí)費(fèi)力；而且儀表精度低，保證設(shè)定溫度困難，從而影響處理零部件的熱處理效果。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的普及，高精度的爐溫控制系統(tǒng)均用于各種熱處理設(shè)備，采用PLC、PC以及基于單片機(jī)、DSP等微處理器控制的熱處理設(shè)備已廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造行業(yè)。這些智能熱處理設(shè)備能自動(dòng)按照預(yù)先設(shè)定的工藝參數(shù)控制某一熱處理過(guò)程，提高熱處理穩(wěn)定度和生產(chǎn)效率，降低能耗。目前公司使用的設(shè)備尚不能完全滿足生產(chǎn)需求，為了節(jié)約挖潛，降低成本，提高熱處理設(shè)備的自動(dòng)控制性能，擬在目前的設(shè)備基礎(chǔ)上進(jìn)行升級(jí)改造。

1 改造要求

目前熱處理車間有部分基于PC和微處理器控制的熱處理設(shè)備，但這些智能熱處理設(shè)備均采用單機(jī)獨(dú)立控制。所有設(shè)備分散在幾個(gè)熱處理車間，不能完成集中監(jiān)控，統(tǒng)一管理。同時(shí)車間還有部分繼電器控制箱的加熱保溫爐，雖然基本能滿足簡(jiǎn)單熱處理工藝，但是很難保證熱處理質(zhì)量，而且監(jiān)控麻煩。為此，通過(guò)技術(shù)升級(jí)改造擬達(dá)到以下目的：

1）對(duì)繼電器控制的加熱保溫爐能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制；

2）對(duì)所有的熱處理設(shè)備要實(shí)現(xiàn)集中統(tǒng)一監(jiān)控。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及硬件組成

根據(jù)設(shè)備情況及要求，選用工業(yè)計(jì)算機(jī)作為控制系統(tǒng)的上位機(jī)，目前具備自動(dòng)控制功能的設(shè)備作為下位機(jī)通過(guò)其自身具備的232接口完成與上位機(jī)的通訊與數(shù)據(jù)交換；對(duì)于繼電器控制柜的加熱保溫箱需要采集溫度信號(hào)，溫度信號(hào)為模擬信號(hào)，同時(shí)又根據(jù)溫度和加熱保溫時(shí)間控制爐溫，需要輸出信號(hào)，傳感器和執(zhí)行器同計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)交換通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡來(lái)完成，數(shù)據(jù)采集卡技術(shù)十分成熟，被廣泛應(yīng)用[1]?？刂葡到y(tǒng)的架構(gòu)如圖1所示。

工業(yè)計(jì)算機(jī)（IPC）主要用來(lái)集中監(jiān)控，提供人機(jī)界面和控制程序的運(yùn)行，用于車間辦公室室內(nèi)監(jiān)控時(shí)，可采用普通兼容機(jī)代替。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

多功能采集卡至少具備模擬量的輸入和數(shù)字量的輸出，以完成對(duì)于繼電器控制柜的加熱保溫箱由多功能數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與控制，為了降低成本，采用數(shù)字量的輸出完成對(duì)加熱爐的開(kāi)關(guān)控制，通過(guò)程序編寫脈寬調(diào)制PWM控制完成對(duì)加熱速度的控制和保溫溫度的控制。板卡選用科日新工控KPCI-812，其性能指標(biāo)如表1所示。

該多功能卡適用于486、586、PⅡ、PⅢ系列原裝機(jī)、兼容機(jī)和工控機(jī)，程序編制簡(jiǎn)單，接口卡安裝使用方便，其模擬量輸入及I/O信號(hào)均由卡上的37芯D型插頭與外部信號(hào)源及設(shè)備連接。性能價(jià)格比高，能滿足本系統(tǒng)需求。

加熱保溫爐需要完成的改造主要是將原有溫度傳感器信號(hào)接入數(shù)據(jù)采集卡。同時(shí)考慮到現(xiàn)有加熱保溫爐均采用快速開(kāi)合繼電器，觸點(diǎn)容易損壞，不能滿足PWM控制需求，需要將繼電器更換為可控硅控制。

3 監(jiān)控軟件的開(kāi)發(fā)

軟件的開(kāi)發(fā)工具為L(zhǎng)abWindows CVI，它是National Instruments公 司（簡(jiǎn) 稱NI公司）推出的交互式C 語(yǔ)言開(kāi)發(fā)平臺(tái)。它的集成化開(kāi)發(fā)環(huán)境、交互式編程方法、函數(shù)面板和豐富的庫(kù)函數(shù)大大增強(qiáng)了語(yǔ)言的功能。同時(shí)還可以定義和建立用戶界面，生成或運(yùn)行ActiveX組件及開(kāi)發(fā)多線程應(yīng)用。為熟悉C語(yǔ)言的開(kāi)發(fā)人員提供了一個(gè)理想的軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)。通過(guò)該開(kāi)發(fā)平臺(tái)將計(jì)算機(jī)硬件資源與儀器硬件有機(jī)地融為一體，把計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力和儀器硬件的測(cè)量、控制能力結(jié)合在一起，通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的顯示、存儲(chǔ)及分析處理[2]。

本集中監(jiān)控系統(tǒng)的軟件部分主要包括人機(jī)界面、數(shù)據(jù)采集、串口通訊和溫度控制等四個(gè)部分的功能程序。

3.1 人機(jī)界面

CVI提供簡(jiǎn)單的拖放式用戶界面編輯器以及自動(dòng)代碼生成工具，按照監(jiān)控要求，需要設(shè)定每個(gè)爐的溫度以及該溫度下的持續(xù)時(shí)間，同時(shí)監(jiān)控每個(gè)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和實(shí)際溫度與時(shí)間幾個(gè)參數(shù)，其界面布局如圖2所示。

3.2 數(shù)據(jù)采集

表1 數(shù)據(jù)卡性能指標(biāo)

由于爐溫的變化是一個(gè)緩變過(guò)程，所以采集的速度不必很快。采用一個(gè)Timer控件，設(shè)定中斷時(shí)間為10s輪詢采集一次，在Timer事件的回調(diào)函數(shù)中實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換啟動(dòng)和采集。

對(duì)板卡的所有操作都是通過(guò)廠商提供的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)（DLL）實(shí)現(xiàn)。DLL中值包含供應(yīng)用程序運(yùn)行時(shí)裝入該DLL的有關(guān)信息，不是源代碼的復(fù)制，因此多個(gè)應(yīng)用程序之間共享代碼和源程序而不過(guò)多占用內(nèi)存，提高運(yùn)行效率[3]。采用CVI提供的LoadLibrary函數(shù)進(jìn)行DLL資源加載。

按照CVI函數(shù)調(diào)用格式[4]，定義動(dòng)態(tài)庫(kù)句柄為hinstLib（定義為HMODULE類型），數(shù)據(jù)卡的動(dòng)態(tài)庫(kù)文件名為Kpci812.dll，則動(dòng)態(tài)庫(kù)的加載：hinstLib = LoadLibrary("Kpci812.dll");

圖2 人機(jī)界面

只是函數(shù)類型的不匹配，需要在頭文件中進(jìn)行類型強(qiáng)制轉(zhuǎn)換。例如打開(kāi)板卡的函數(shù)需要作一下聲明。

typedef void (WINAPI *OPenDevice)(ULONG mindex);

打開(kāi)多功能數(shù)據(jù)卡的函數(shù)：

ODevice= (OpenDevice)GetProcAddress(hinstLib, (LPCSTR)"OpenDevice");

采用同樣的方式獲取數(shù)據(jù)通道的讀寫控制。

當(dāng)程序結(jié)束或者資源不使用時(shí)，通過(guò)FreeLibrary(hinstLib)進(jìn)行釋放。

3.3 串口通訊

CVI提供標(biāo)準(zhǔn)的串口函數(shù)，通過(guò)以下函數(shù)實(shí)現(xiàn)串口的配置并開(kāi)啟串口。

Status= OpenComConfig(portNumber,"",baudRa te,parity,dataBits,stopBits,inputQueueSize,outputQue ueSize);

通過(guò)ComWrt(portNumber,SendData,Length)。對(duì)串口進(jìn)行寫數(shù)據(jù)，ComRdByte (portNumber)以字節(jié)為單位進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取。按照下位機(jī)的編碼方式進(jìn)行編碼發(fā)送和將接受的數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼便可完成數(shù)據(jù)的通訊。

在完成通訊或者退出系統(tǒng)前，要用CloseCom(portNumber)將串口資源釋放。

3.4 溫度控制

溫度控制主要用于對(duì)目前繼電器控制箱的加熱保溫控制，采用PID算法，很多學(xué)者做過(guò)研究，該算法在溫度控制方面應(yīng)用十分成熟[5,6]，不再做贅述。根據(jù)采集的溫度和設(shè)定的溫度，按照算法計(jì)算出PWM的占空比，采用兩個(gè)定時(shí)器實(shí)現(xiàn)PWM功能，一個(gè)設(shè)定PWM的周期，一個(gè)通過(guò)計(jì)算的占空比設(shè)定高電平周期。通過(guò)更改第一個(gè)定時(shí)器的定時(shí)周期來(lái)改變PWM周期，調(diào)節(jié)加熱的效果。

另外，采用fwrite (AddData, 1,StringLength(AddData), fp)函數(shù)實(shí)現(xiàn)各個(gè)爐溫的操作記錄，歷史溫度變化等信息，在溫度超出設(shè)定值一定范圍和完成加熱保溫時(shí)進(jìn)行聲音報(bào)警和提示等。

4 結(jié)論

采用兼容機(jī)和數(shù)據(jù)采集卡的配置成本低廉，通過(guò)LabWindowsCVI開(kāi)發(fā)監(jiān)控軟件，實(shí)現(xiàn)容易，界面友好，同時(shí)，該監(jiān)控平臺(tái)具備完善的功能，使分布在各個(gè)車間的加熱爐集中監(jiān)控，能大大降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率。若改善熱處理設(shè)備的機(jī)械化操作，還可以在該平臺(tái)上開(kāi)發(fā)基于工藝流程的自動(dòng)控制系統(tǒng)，進(jìn)一步提升熱處理設(shè)備的智能化。

[1]王利強(qiáng), 彭月祥, 寧可慶. 計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)與數(shù)據(jù)采集卡應(yīng)用[M]. 機(jī)械工業(yè)出版社, 2007: 81.

[2]孫曉云, 等. 基于LabWindows/CVI的虛擬儀器設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M]. 電子工業(yè)出版社, 2005: 1-10.

[3]李文杰, 于有生, 楊榮偉. 弧焊過(guò)程中PCL-818L數(shù)據(jù)采集卡的開(kāi)發(fā)應(yīng)用[J]. 武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)(交通科學(xué)與工程版), 2004, 28(3): 450-452.

[4]LabWindowsTM/CVITMHelp Documents. National Instruments Corporation. 2006.

[5]覃強(qiáng). 模糊PID溫度控制方案的仿真優(yōu)選及其實(shí)現(xiàn)[J]. 中國(guó)科學(xué)院研究生院(電工研究所), 2002.

[6]劉靜, 常發(fā)亮. 基于windows平臺(tái)的多通道爐溫監(jiān)控系統(tǒng)[J]. 電氣自動(dòng)化, 2003, 25(4): 54-56.