濕熱環(huán)境測控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

李 鋒，楊軍鋒，徐 建

（中國華陰兵器試驗中心，華陰 714200）

武器裝備從生產(chǎn)、運(yùn)輸、裝卸到儲存、使用整個過程中都經(jīng)歷著各種復(fù)雜的自然環(huán)境和誘發(fā)環(huán)境，只有能經(jīng)受各種惡劣環(huán)境條件考驗的產(chǎn)品才是合格的產(chǎn)品，也才能發(fā)揮其應(yīng)有的效能[1]。高溫濕熱模擬試驗是在人工模擬的濕熱環(huán)境條件下以考核試品對高溫濕熱環(huán)境的適應(yīng)性，是武器裝備必須通過的考核項目。

溫度-濕度實驗箱（簡稱濕熱箱）可以很好地模擬濕熱環(huán)境，其主體為一個密封金屬罐，通過外圍設(shè)備可以模擬真實環(huán)境中溫度、濕度等環(huán)境條件。GJB150A對武器裝備在濕熱環(huán)境考核中的溫、濕度控制精度提出了嚴(yán)格的要求，這就對測控系統(tǒng)的硬件要求相當(dāng)高，既要達(dá)到要求的精度，又要及時反映系統(tǒng)的真實情況，同時升降溫速率的要求使得實驗艙內(nèi)溫度變化必須能夠?qū)崿F(xiàn)線性控制，這是整個測控系統(tǒng)中的難點(diǎn)[2]?；诖耍O(shè)計和實現(xiàn)了一套用于濕熱箱的濕熱環(huán)境過程控制的測控系統(tǒng)。

1 測控系統(tǒng)硬件設(shè)計

測控系統(tǒng)硬件設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)采用現(xiàn)場級響應(yīng)、下位級控制、上位級管理以及遠(yuǎn)程級監(jiān)控的分布式測控系統(tǒng)，以工業(yè)控制計算機(jī)為核心，配合以單元組合儀器及微處理器，對試驗系統(tǒng)進(jìn)行集中管理分散控制[3-4]。

圖1 測控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of measurement and control system

1.1 現(xiàn)場級

濕熱測控系統(tǒng)現(xiàn)場級由溫度、濕度、轉(zhuǎn)速等傳感變送器組成，變送后的信號傳送至下位機(jī)的智能儀表進(jìn)行測量與控制。

同為現(xiàn)場級的還有執(zhí)行機(jī)構(gòu)，包括電加熱器、渦輪等，它們均由下位控制級根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)與設(shè)定狀態(tài)的關(guān)系，以一定的算法來進(jìn)行控制。

1.2 下位控制級

下位控制級由智能調(diào)節(jié)控制儀組成，完成對現(xiàn)場級執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制。智能儀表可以同時顯示所控制狀態(tài)參量的當(dāng)前值，通過（4～20）mA的信號輸出控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，達(dá)到控制的目的。

下位機(jī)同時與上位機(jī)通過RS485串口（半雙工通信模式）與上位機(jī)通信，既可以將測量結(jié)果傳給上位機(jī)，又可以接收上位機(jī)傳輸來的命令，無擾實現(xiàn)上下位機(jī)控制的轉(zhuǎn)換。下位機(jī)同時具有硬件報警功能，當(dāng)有參數(shù)報警時，可以通過硬件電路的切斷保護(hù)設(shè)備。

1.3 上位管理級

上位管理級為工控機(jī)，工控機(jī)通過串口與下位機(jī)通信，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與系統(tǒng)控制。工控機(jī)PCI插槽同時插有DI、DO、AD板，測量數(shù)字量輸入、輸出，以及通過AD板卡采集數(shù)據(jù)[5]。同時還可以動態(tài)監(jiān)控試驗狀況，管理試驗數(shù)據(jù)，生成各種報表、曲線以及向遠(yuǎn)程監(jiān)控計算機(jī)發(fā)送實驗數(shù)據(jù)。

1.4 遠(yuǎn)程監(jiān)控級

遠(yuǎn)程監(jiān)控級由局域網(wǎng)內(nèi)遠(yuǎn)程監(jiān)控計算機(jī)組成，試驗過程中，作為客戶端，可以接收從上位機(jī)傳送過來的數(shù)據(jù)，實時監(jiān)控試驗的狀態(tài)。

2 測控系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件采用VC++6.0開發(fā)，功能模塊均封裝成特定的動態(tài)鏈接庫或者用ActiveX控制，方便以后不需重新編譯便可以升級軟件功能。軟件整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 測控系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Software structure diagram of measurement and control system

2.1 界面管理模塊

軟件分為4個界面：流程圖界面、實時數(shù)據(jù)界面、曲線界面以及歷史數(shù)據(jù)表格界面。

流程圖界面繪制了整個系統(tǒng)的流程，在流程圖上相應(yīng)的設(shè)備處顯示當(dāng)前的狀態(tài)參數(shù)值，讓使用者可以一目了然地明白整個系統(tǒng)的工作狀況，而且還可以在本界面上實現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)的通信，控制整個系統(tǒng)。

實時數(shù)據(jù)界面實時顯示了系統(tǒng)所有狀態(tài)參數(shù)當(dāng)前的值。正常情況下數(shù)據(jù)以黑色顯示。當(dāng)有狀態(tài)參數(shù)處于報警狀態(tài)時，此數(shù)據(jù)以紅色顯示，可以很清楚看出報警的變量。

曲線界面可以繪制任一參數(shù)從開始實驗到當(dāng)前狀態(tài)的曲線圖。曲線的參數(shù)范圍可以任意調(diào)節(jié)，橫坐標(biāo)默認(rèn)是時間，也可以改為其它的參數(shù)，觀察2個參數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系。

歷史數(shù)據(jù)表格界面保存了從實驗開始的每個周期所有參數(shù)的值，當(dāng)在實驗過程中需要查詢之前的任一周期的狀態(tài)值時，均可從此表格中讀出參數(shù)的具體數(shù)值。

2.2 采集控制模塊

采集控制模塊負(fù)責(zé)與下位機(jī)通信，對下位機(jī)發(fā)送控制信號并從下位機(jī)讀取測量值，主要完成串口通信部分的設(shè)計。

2.3 數(shù)據(jù)處理模塊

數(shù)據(jù)處理模塊對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行一定的處理，如對受到干擾的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)濾波，把采集到的相關(guān)數(shù)據(jù)經(jīng)過運(yùn)算后得到一項綜合實驗參數(shù)等。此模塊還負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)存盤的工作，在每個周期采集到數(shù)據(jù)的同時，通過SQL語句操作數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲。當(dāng)實驗過程中需要查閱歷史數(shù)據(jù)時，還可以從數(shù)據(jù)庫中調(diào)取需要的數(shù)據(jù)。

2.4 網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊

使用socket套接字，通過UDP技術(shù)將上位機(jī)的實驗數(shù)據(jù)發(fā)送至遠(yuǎn)程監(jiān)控計算機(jī)。

2.5 任務(wù)調(diào)度模塊

任務(wù)調(diào)度模塊負(fù)責(zé)各個模塊（線程）間的同步問題。采用事件變量調(diào)度各個模塊，提高系統(tǒng)運(yùn)行效率，并通過設(shè)置臨界區(qū)變量，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)區(qū)的安全讀寫。

3 關(guān)鍵問題及解決辦法

3.1 溫度控制

為了滿足GJB150A中對環(huán)境試驗控制精度的要求，并且對于無自平衡能力的系統(tǒng)，要防止超調(diào)現(xiàn)象的發(fā)生，本文運(yùn)用專家PID溫度控制策略。專家PID控制算法是建立在經(jīng)典PID控制算法基礎(chǔ)上的一種控制算法。其實質(zhì)是基于受控對象和控制規(guī)律的各種知識并以智能的方式利用這些知識來設(shè)計控制器。根據(jù)偏差及其變化，可設(shè)計專家PID控制器。本文提出的控制器按以下6種情況進(jìn)行設(shè)計：

①當(dāng)∣e（k）1∣＞M1時，說明誤差的絕對值比較大。此時，應(yīng)考慮較強(qiáng)的控制作用，即控制器的輸出應(yīng)該按最大或最小方向輸出，以達(dá)到迅速調(diào)整誤差的目的，使誤差絕對值以最大速度減小。M1為設(shè)定的誤差界限。

②當(dāng) e（k）Δe（k）≥0 時，說明誤差在朝誤差絕對值增大方向變化，或誤差為常值，未發(fā)生變化。如果此時∣e（k）∣≥M2，說明誤差也較大，可考慮由控制器實施較強(qiáng)的控制作用。如果∣e（k）∣＜M2，則說明盡管誤差朝絕對值增大的方向變化，但誤差絕對值本身并不很大，可實施一般的控制作用。M2為設(shè)定的誤差界限。

③當(dāng) e（k）Δe（k）＜0、Δe（k）Δe（k-1）＞0 時，說明誤差在朝減小的方向變化。此時比例作用應(yīng)該同步減小，微分作用應(yīng)該加強(qiáng)，從而使控制器提前作用，以抑制系統(tǒng)的超調(diào)。

④當(dāng) e（k）Δe（k）＜0、Δe（k）Δe（k-1）＜0 時，說明誤差處于極值狀態(tài)，對于溫控系統(tǒng)這類時滯慢過程來說有很大的影響，若∣e（k）∣≥M2，則采用較強(qiáng)的比例微分控制作用。反之則采用較弱的控制作用。

⑤當(dāng)∣e（k）∣＜ε，ε為任意小的正數(shù)。說明此時誤差的絕對值很小，可考慮加入積分環(huán)節(jié)，減少穩(wěn)態(tài)誤差。

⑥當(dāng)e（k）=0時，說明系統(tǒng)已經(jīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，此時可考慮維持當(dāng)前控制量不變。

3.2 串口通信

上位機(jī)通過串口與智能儀表，溫度采集模塊、濕度采集模塊等進(jìn)行通信，串口通信部分是軟件的重要組成部分[6-7]。

首先選擇串口通信的接口方式，現(xiàn)在主要有RS232，RS422，RS485 三種工作方式[4]。 RS232 采用三線半雙工工作方式，由于總線不能并聯(lián)，只能單臺點(diǎn)對點(diǎn)工作，因此在此不能采用。RS422用差動兩線發(fā)送，兩線接收的四線全雙工工作方式，RS485是RS422的變型，采用差動兩線發(fā)送，兩線接收的雙向數(shù)據(jù)總線兩線制半雙工工作方式。這里RS485通信速度可達(dá)到要求，所以采用更為簡便的RS485接口。

串口通信軟件設(shè)計主要有2種辦法：一種是使用MSComm控件，雖簡單易用，但是這個控件較大，使用時會同時加入許多并不需要的功能，存有實時性不高、高速通信時準(zhǔn)確率較差和處理速度較慢等問題，而且一個控件只能進(jìn)行一個串口操作，這樣很不方便，故一般不采用這種方法。

第二種是使用Windows API函數(shù)的方法[5]，以文件方式來進(jìn)行串口的讀寫操作，具有很強(qiáng)的靈活性。與儀表進(jìn)行通信，要采集它的數(shù)據(jù)，對其發(fā)送控制量和設(shè)定值等，對溫度采集模塊也要讀取它的數(shù)值，若每次通信都要再寫串口通信代碼，這樣非常不方便。為了使用方便，可以把與串口通信有關(guān)的操作全部封裝到一個類中，在類中把通信的功能全部實現(xiàn)，這樣在每次使用時就很方便了。經(jīng)過封裝的串口通信類如下（參數(shù)均略去）：

class CCommunicate：public CObject

{

public：

BOOL ReadADAM（）；//讀取 ADAM 模塊

BOOL SetPID（）；//設(shè)置儀表 PID 參數(shù)

BOOL SetCommStates（）；//設(shè)置通信狀態(tài)

BOOL SetToAuto（）；//儀表設(shè)為自動控制

BOOL SetToMan（）；//儀表設(shè)為手動控制

BOOL CloseCom（）；//關(guān)閉串口

void GetValue（）；//讀取儀表測量值

BOOL GetStatus（）；//獲取儀表狀態(tài)

BOOL WriteCom（）；//寫串口

BOOL CtrlValue（）；//發(fā)送控制量

BOOL SetValue（）；//發(fā)送設(shè)定值

BOOL SetToLocal（）；//設(shè)置儀表本地狀態(tài)

BOOL InitCom（）；//初始化串口

CCommunicate（）；//構(gòu)造函數(shù)

virtual ～CCommunicate（）；//析構(gòu)函數(shù)

HANDLE m_hComm；//串口句柄

DCB m_dcb；//DCB 結(jié)構(gòu)體

char m_ComOut[100]；//發(fā)送命令數(shù)組

char m_ComIn[100]；//接收數(shù)據(jù)數(shù)組

}；

4 系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果

本系統(tǒng)是一個比較復(fù)雜的多變量系統(tǒng)，并且具有滯后性和耦合性等特點(diǎn)，通過聯(lián)調(diào)聯(lián)試，確定了PID控制器的比例系數(shù)Kp、積分時間Ti、微分時間Td和采樣周期Ts的數(shù)值等參數(shù)。圖3為按照國軍標(biāo)150A中規(guī)定的濕熱曲線運(yùn)行效果圖。

5 結(jié)語

圖3 溫濕度試驗曲線Fig.3 Temperature and humidity test curves

目前，測控系統(tǒng)已經(jīng)調(diào)試完畢，正式投入使用。從使用情況來看，該測控系統(tǒng)具有響應(yīng)速度較快，控制精度高，串口通信誤碼率低等特點(diǎn)，很好地滿足了高速率數(shù)據(jù)采集的要求。系統(tǒng)還具有一定的通用性，經(jīng)過少量的修改后便可以應(yīng)用于同類的測控系統(tǒng)中。

[1]GJB150.7A-2009軍用設(shè)備環(huán)境試驗方法[S].國防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會，2009.

[2] 馬利英，任慶昌，李建維.溫濕度解耦在變露點(diǎn)控制中的應(yīng)用研究[J].建筑熱能通風(fēng)空調(diào)，2008，27（6）：41-42.

[3] 盧祖炎.基于PLC的環(huán)境模擬試驗控制系統(tǒng)研究[D].南京理工大學(xué)碩士論文，2013：7-15.

[4] 周洪煜，彭其潤，田彬.基于PLC與專家PID控制器的電解槽預(yù)焙燒控制系統(tǒng)[J].計算機(jī)測量與控制，2004，12（12）：1175-1177.

[5] 劉彪.基于WinCC的環(huán)境模擬試驗監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[D].南京理工大學(xué)碩士論文，2013：9-18.

[6] 王建文，任慶昌.串級控制在空調(diào)水系統(tǒng)控制中的應(yīng)用研究與仿真[J].自動化技術(shù)與應(yīng)用，2010，20（1）：60-62.

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