基于數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)

張?zhí)煊?，李全?/p>

（1.綿陽市維博電子有限責任公司 四川 綿陽 621000；2.中國兵器工業(yè)第五八研究所 四川 綿陽 621000）

基于數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)

張?zhí)煊?，李全英2

（1.綿陽市維博電子有限責任公司 四川 綿陽 621000；2.中國兵器工業(yè)第五八研究所 四川 綿陽 621000）

數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)是送粉式激光3D打印設(shè)備的重要組成部分。該系統(tǒng)主要用于輔佐操作人員監(jiān)控各個機組運行參數(shù)的變化情況，一旦發(fā)生異常，立即向操作人員發(fā)出警告，以便操作人員在第一時間檢查報警信號發(fā)生處，并迅速做出處理，以減少非正常情況對設(shè)備造成的損害，從而大大降低設(shè)備的損耗。根據(jù)3D打印設(shè)備技術(shù)基礎(chǔ)上闡述其設(shè)備運行的工藝流程、技術(shù)原理及特點，采用多線程對加工數(shù)據(jù)信息進行實時采集和監(jiān)控，通過分析同步采集卡硬件選擇和軟件開發(fā)，初步實現(xiàn)了分布式數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測。文中主要介紹了基于VS2010和數(shù)據(jù)采集卡的監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要包括系統(tǒng)登錄，模擬量及開關(guān)量的采集等部分。針對監(jiān)測監(jiān)控設(shè)備存在的信號干擾問題，提出了軟件濾波的必要性和可行性，保證了系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和可擴展性，降低了開發(fā)難度。

數(shù)據(jù)采集；監(jiān)控系統(tǒng)；3D打印設(shè)備；軟件濾波

隨著工業(yè)現(xiàn)代化的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的加工工藝已無法滿足現(xiàn)代工業(yè)部件的加工需求，傳統(tǒng)的工業(yè)產(chǎn)品開發(fā)，往往是先開模具，然后再做手板，而運用3D打印技術(shù)，無需開模，可以減少制造時間，降低費用，對成本有了更好的控制。3D打印需要依托多個學科領(lǐng)域的尖端技術(shù)，其應用領(lǐng)域及其廣泛，從日常用具到關(guān)系國家安全的國防事業(yè)，幾乎各種領(lǐng)域都可以有涉足[1]。3D打印技術(shù)的發(fā)展前景如此廣闊，對于該設(shè)備的各項功能也同樣要求嚴格，文中主要闡述其控制子系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)。VS2010作為編程語言，編程靈活高效且面對對象，其可視化編程環(huán)境更是快捷簡便；數(shù)據(jù)采集卡作為普遍使用的數(shù)據(jù)采集功能擴展卡，可以適應多種型號的總線接入計算機，便于開發(fā)[8]。

1 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

1.1 系統(tǒng)的組成

數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)（DCS）包括一臺具有擴展功能的高配置通用計算機系統(tǒng)，計算機系統(tǒng)一方面可以安裝相關(guān)工藝軟件，為數(shù)控系統(tǒng)準備加工程序，另一方面可以集成氣氛環(huán)境等數(shù)據(jù)采集卡和處理軟件，實現(xiàn)氣氛環(huán)境和加工成形過程中設(shè)備運行狀態(tài)數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控和處理相關(guān)信息，并與數(shù)控系統(tǒng)通訊。數(shù)控采集卡包括：氣氛環(huán)境參數(shù)采集卡、成形過程視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)采集卡和送粉狀態(tài)參數(shù)采集卡等。DCS系統(tǒng)集成負責將全部成套設(shè)備的數(shù)據(jù)采集信號和控制信號集成起來，實現(xiàn)統(tǒng)一控制和監(jiān)控[2]。系統(tǒng)集成包括數(shù)控系統(tǒng)與數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)、氣氛環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)、激光器系統(tǒng)、送粉系統(tǒng)等的集成[7-9]。該系統(tǒng)的功能構(gòu)成如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)功能構(gòu)成圖

1.2 系統(tǒng)的功能

對于基于計算機的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來說，其系統(tǒng)中的傳感器和變換器負責將系統(tǒng)外部的各種類型的物理量轉(zhuǎn)換成電信號，供數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控系統(tǒng)進行采集和處理[3]。系統(tǒng)實現(xiàn)的功能有以下幾個方面：

1）定時檢測、采集氣氛子系統(tǒng)的當前狀態(tài)，包括環(huán)境溫度、濕度及氧含量等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)動態(tài)顯示[10]；

2）定時檢測、采集氣氛子系統(tǒng)的當前狀態(tài)，包括環(huán)境溫度、濕度及氧含量等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)動態(tài)顯示；

3）當氣氛室出現(xiàn)報警時，向監(jiān)控中心發(fā)送報警消息并將報警信息記錄在日志文件中。日志文件本地存儲，系統(tǒng)通信失敗時，可通過USB設(shè)備進行轉(zhuǎn)儲[11]；

4）可在本地設(shè)置、修改和讀取激光器的控制參數(shù)、送粉器的控制參數(shù)；

5）可在監(jiān)控中心實時采集并顯示視頻信號，并對采集的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計。

2 系統(tǒng)軟件功能設(shè)計

2.1 系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)

本監(jiān)控系統(tǒng)是基于VS2010設(shè)計，系統(tǒng)對氣氛室、激光頭、打印頭和其他加工信息（工件計數(shù)、加工耗時等）等部分進行監(jiān)控。系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集所用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下：

2.2 數(shù)據(jù)采集各模塊分析

數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控外部各設(shè)備狀態(tài)，主要通過與其通訊來實現(xiàn)數(shù)據(jù)狀態(tài)采集，不同的外設(shè)將會有不同的通訊協(xié)議，并分占不同的通訊端口，傳遞不同的系統(tǒng)信息。控制系統(tǒng)主控流程圖如圖2所示。

氣氛室作為數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)的主要監(jiān)測部件，系統(tǒng)同樣主要通過與氣氛室進行RS485通訊來實現(xiàn)數(shù)據(jù)狀態(tài)采集。數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)具有多種報警數(shù)據(jù)采集方法，全面獲取在加工過程中氣氛室的工況數(shù)據(jù)采集，可實現(xiàn)以下數(shù)據(jù)的采集：當前加工程序信息，加工開始時間/加工結(jié)束時間，加工速度、報警號等，其結(jié)果輸出可以設(shè)定在工控機的固定位置，然后由系統(tǒng)對此類文件進行實時監(jiān)控，經(jīng)過如此設(shè)置和運行后生成相應的數(shù)據(jù)、報警輸出文檔[4]。由此生成的文件為實時刷新，為了保證得到數(shù)據(jù)的實時行，要保證在數(shù)據(jù)刷新后監(jiān)控系統(tǒng)可以立即讀取到最新的信息，并得到當前刷新的最新數(shù)據(jù)。在處理上，使用了多線程技術(shù)來實現(xiàn)，主線程生成一個子線程來對氣氛室進行監(jiān)控，不斷讀取最后更改時間，保證了信息的及時性和準備性[14-15]。

在自動加工過程中，系統(tǒng)對氣氛室采集的數(shù)據(jù)除了氧含量、水含量、內(nèi)外壓差顯示外，還有報警指示。

2.2.1 水含量數(shù)據(jù)采集模塊分析

水含量數(shù)據(jù)采集模塊的設(shè)計是通過KBM-30通訊采集卡來實現(xiàn)的。該模塊使用固定的通訊數(shù)據(jù)格式：9 600，8，N，1。模塊支持標準的 modbus rtu 協(xié)議，模塊使用功能碼03（讀取保持型寄存器）讀取模擬量值，長度為一個字（2個字節(jié)），寄存器地址為00 00（大部分組態(tài)軟件寄存器地址要加1，比如組態(tài)王里的地址為40001）。KBM-30通訊采集卡外觀如圖3所示。

讀取模塊模擬量值，發(fā)送給模塊的命令幀：03 03 00 00 00 01 85 E8，其中第一個字節(jié)03為模塊通訊地址，第二個03為讀取模擬量值的功能碼，00 00為寄存器地址，00 01為讀取寄存器的字（兩個字節(jié)）數(shù)，85 e8為crc校驗，高位在前。模塊返回：03 03 02 00 50 C1 B8，其中第一個03為模塊通訊地址，第二個03為讀取模擬量值的功能碼，02為返回數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)，00 50為返回的數(shù)據(jù)，即模擬量值，c1 b8為crc檢驗。其中返回數(shù)據(jù)00 50為一個有符號整形數(shù)值，00 50轉(zhuǎn)換為十進制為80，然后乘以一個固定系數(shù)（表1）就是實際測得的數(shù)值[12]。

2.2.2 氧含量數(shù)據(jù)采集模塊分析

氧含量數(shù)據(jù)采集模塊的設(shè)計是通過Rapidox 1100-ZP便攜式氧氣分析儀來實現(xiàn)的。該分析儀測量準備，氧氣分析量程為1ppm到100％，適合在線連續(xù)測量分析，響應時間T90約為5s，精確度為實際測量氧氣的±1％，精準度為±0.5％，校準程序簡易，可以使用任意兩種氣體對儀器進行校準[13]?？删幊虉缶^電器全數(shù)據(jù)記錄軟件使用RS232連接到數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)，支持標準的modbus協(xié)議。Rapidox 1100-ZP便攜式氧氣分析儀外觀如圖4所示。

在自動加工過程中，采集與監(jiān)控系統(tǒng)定時向氧氣分析儀發(fā)送單字符“d”，氧氣分析儀返送數(shù)據(jù)字符串。例如，返送的字符串為：d2.959E+05，-1.426E+01，2.000E+00，，23:19:40，14/01/00，，，ALM1&2，0[CR][LF]。

圖2 主控制流程圖

圖3 KBM-30通訊采集卡

表1 KBM-30模塊模擬量計算表

字符串中“d”表示數(shù)據(jù)已經(jīng)回送；“2.959E+05”是科學計數(shù)法，是氧含量讀數(shù)，單位ppm；“，”是數(shù)據(jù)分隔符；“-1.426E+01”表示氧傳感器讀數(shù)，單位是mV；“2.000E+00”表示內(nèi)部壓力傳感器讀數(shù)，單位是bar；“23:19:40”表示氧分析儀采集數(shù)據(jù)時的系統(tǒng)時間；“14/01/00”表示氧分析儀采集數(shù)據(jù)時的系統(tǒng)日期；“ALM1&2”表示數(shù)據(jù)報警號；“0”表示傳感器狀態(tài)碼；[CR]=ASCII 13，[LF]=ASCII 10。

圖4 Rapidox 1100-ZP氧分析儀

3 系統(tǒng)登陸

用戶登陸時需要輸入用戶名和密碼才能進入數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)。輸入用戶名和密碼后點擊 “登錄”按鈕開始登錄，若用戶名和密碼輸入正確，則登錄成功，反之，則登錄失敗[5]。登錄成功后，監(jiān)控系統(tǒng)人機界面如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)人機界面

4 結(jié)束語

文中提出了以VS2010和數(shù)據(jù)采集卡相結(jié)合的基于送粉式3D打印的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)控在自動加工過程中氣氛室、激光頭、打印頭等相關(guān)模擬量、開關(guān)量以及其它加工信息。本文著重介紹了基于KBM-30通訊采集卡及Rapidox 1100-ZP便攜式氧氣分析儀的模擬量和開關(guān)量的采集。運用VS2010編程簡單快捷，數(shù)據(jù)采集卡采集各種數(shù)據(jù)流程簡潔，應用效果令人滿意[6]。本系統(tǒng)的解決方案相對于類似應用環(huán)境的數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控具有一定的借鑒意義[15-16]。

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Data acquisition and monitoring system based on data acquisition card

ZHANG Tian-you1，LI Quan-ying2
（1.Mianyang Weibo Electronic Co.，ltd， Mianyang 621000，China；2.Dept.of CNC，No.58 Research Institute of China Ordance Industries， Mianyang 621000， China）

Data acquisition and monitoring system is an important part of the Feeding Method Laser 3D Printing equipment.The system is mainly used to assist the operator to monitor the operation parameters of the various units of the situation， once an exception occurs， the operator immediately issued a warning， so that the operator in the first time to check the alarm signal occurs， and quickly make a deal to reduce the damage caused by abnormal conditions of the device，thus greatly reduce the loss of equipment.According to the 3D printing equipment technology based on elaborated the process of the operation of equipment，technical principles and characteristics by multiple threads of processing data of acquisition and real-time monitoring，through the analysis of the synchronous acquisition card hardware selection and software development，the initial realization of the distributed data collection and monitoring.This paper mainly introduces the monitoring system based on VS2010 and data acquisition card.The system mainly includes the entry of the system，the analog quantity and the collection of the switching value.The necessity and feasibility of software filtering is put forward in view of the signal interference problem in the monitoring equipment，which ensures the stability and expansibility of the system and reduces the difficulty of development.

data acquisition； monitoring system； 3D printing equipment； software filter

TN06

：A

：1674－6236（2017）15-0117-05

2016-06-13稿件編號：201606097

張?zhí)煊樱?980—），男，陜西漢中人，高級工程師。研究方向：數(shù)控技術(shù)。