基于VB.NET的砝碼自動校準系統(tǒng)軟件設計與實現(xiàn)

史志偉 趙 健 趙 欣

(1.中國人民解放軍96623部隊，上饒 334000； 2.北京航天計量測試技術研究所，北京100076； 3.北方科技信息研究所，北京 100076)

1 引 言

砝碼校準是質(zhì)量計量的核心部分。傳統(tǒng)的砝碼檢定/校準通常采用手動測量方法，速度慢，工作量大，重復勞動較多，效率不高，工作空間不密閉，易引入人為誤差和環(huán)境干擾誤差。在實際工作中人們越來越希望將校準儀器設備與計算機連接起來組成一個由計算機控制的自動校準系統(tǒng)完成檢定/校準任務。本文介紹的全自動砝碼校準裝置可用于校準、比對、量值傳遞工作，是目前國防計量部門的最高標準。其中，經(jīng)改造的多量程電子天平(測量范圍2kg～20kg)是該標準裝置的重要組成部分，并在機械結(jié)構(gòu)上實現(xiàn)了多項技術改進，使得砝碼在密閉環(huán)境下的自動校準工作成為可能，本軟件的設計與實現(xiàn)就是在此基礎上建立的。與傳統(tǒng)的砝碼手動校準相比，砝碼自動校準系統(tǒng)可以大幅度減輕校準人員的工作負擔，減少人為引入誤差，有效減小測量結(jié)果的不確定度。

2 砝碼自動校準系統(tǒng)構(gòu)成

砝碼自動校準系統(tǒng)主要由多量程電子天平、天平控制器、計算機及自動校準軟件、數(shù)據(jù)采集器、電機、傳感器等組構(gòu)成，系統(tǒng)連接框圖如圖1所示。其中，多量程電子天平的稱量范圍為2～20kg，具有多項技術改進：自動交換砝碼、自動定心、電磁恢復力矩、同步加載以及刀子刀承不脫離等[1]；天平動作控制器是由PLC可編程控制器實現(xiàn)，由計算機COM通訊發(fā)送指令控制天平的開關、砝碼托盤的旋轉(zhuǎn)和升降，具有緊急制動、手動/自動控制切換等功能；三部電機用于驅(qū)動天平動作；傳感器組用于識別天平狀態(tài)，并將狀態(tài)信息返回到天平動作控制器；數(shù)采系統(tǒng)通過與計算機COM通訊將采集到的砝碼稱量數(shù)據(jù)傳送到自動校準軟件進行數(shù)據(jù)處理。

圖1 系統(tǒng)構(gòu)成Fig.1 System composition

3 功能分析

砝碼自動校準系統(tǒng)的主要功能是按照國家檢定規(guī)程要求的工作流程對砝碼進行自動校準，記錄實驗數(shù)據(jù)，并出具校準報告。主要應包括：新建/保存自動校準試驗任務，自動校準過程設置、估算實驗時間、砝碼數(shù)據(jù)庫管理、自動生成實驗報告、天平控制、自動校準過程監(jiān)控等功能，具體系統(tǒng)功能描述如下：

(1)新建/保存自動校準試驗任務：新建一個試驗任務；將設置好的試驗任務保存到指定文件；

(2)自動校準過程設置：設置特定參數(shù)使自動校準過程可以按照實驗任務自動進行；

(3)估算校準實驗時間：估算當前實驗任務所需要的時間；

(4)砝碼數(shù)據(jù)庫管理：包括標準砝碼和待測砝碼數(shù)據(jù)庫的新建、更新、刪除；

(5)自動生成實驗報告：實驗結(jié)束或中斷后自動生成實驗報告；

(6)通訊端口設置：設置與PLC和數(shù)據(jù)采集器的通訊端口參數(shù)；

(7)天平控制：通過計算機發(fā)送天平動作指令，手動控制天平狀態(tài)；

(8)自動校準過程監(jiān)控：根據(jù)試驗任務開始實驗后，實時監(jiān)控天平狀態(tài)，顯示稱量數(shù)據(jù)及實驗結(jié)果趨勢曲線；

(9)數(shù)據(jù)采集及處理：將天平稱量數(shù)據(jù)進行采集并計算處理得到稱量結(jié)果。

4 軟件總體設計

根據(jù)上述系統(tǒng)功能需求分析的結(jié)果，對砝碼自動校準系統(tǒng)進行了軟件總體設計，如圖2所示。 依據(jù)總體設計方案，利用模塊化的設計思想編寫程序?qū)崿F(xiàn)各個功能，下面說明以下幾個主要模塊的功能[2]。

4.1 新建/保存實驗任務模塊

本模塊可以將設置好的實驗參數(shù)保存為“*.bwd”文件，如果需要重復實驗只需要打開上次保存的“*.bwd”文件即可快速開始實驗。被保存的實驗任務信息包括：標準砝碼信息，待測砝碼信息，自動校準過程設置參數(shù)，報告內(nèi)容參數(shù)，通訊端口參數(shù)，應用模式參數(shù)等。

4.2 自動校準過程設置模塊

本模塊可以設置自動校準的過程參數(shù)，設置界面如圖3所示，過程參數(shù)介紹如下：

(1)開始延時時間：指天平自動稱量工作開始之前，天平進入穩(wěn)定狀態(tài)需要的時間，即開始稱量前的暫停時間。

圖2 系統(tǒng)軟件總體設計框圖Fig.2 Overall system software design block diagram

圖3 自動校準過程參數(shù)設置界面Fig.3 Automatic calibration process parameter setting interface

(2)自動定心次數(shù)：指天平自動稱量工作開始之前，A盤和B盤砝碼執(zhí)行自動定心操作的次數(shù)，該動作在延時時間動作之前。

(3)稱量平均次數(shù)：指每得到一個稱量結(jié)果，需要稱量B-A差值的次數(shù)。

(4)稱量次數(shù)：指本次實驗需要平均后的稱量結(jié)果的個數(shù)。

(5)變阻尼穩(wěn)定時間：指當天平到半開狀態(tài)時，變阻尼系數(shù)阻尼器對天平托盤的阻尼時間[3]。

(6)稱量穩(wěn)定時間：指當天平到全開狀態(tài)時，天平稱量有效需要的穩(wěn)定時間。

(7)是否稱量(A-A)差值：指每次稱量B-A差值結(jié)束后，是否需要稱量A-A差值，選中為“是”，不選為“否”。

(8)稱量方式：指稱量B-A差值使用A-B-A方法，還是使用A-B-B-A方法。

(9)稱量估計需要用時：指按照上述設置參數(shù)進行一次自動稱量所需要的總時間，點擊“更新”按鈕時間更新一次，否則不更新。

(10)點擊“默認值”按鈕，以上所有參數(shù)恢復默認值。

(11)點擊“確定”按鈕，將以上設置參數(shù)保存為實驗過程參數(shù)，并關閉本窗口。

(12)點擊“退出”按鈕，退出本窗口，不作任何操作。

4.3 自動估算試驗時間模塊

該模塊嵌入于自動校準過程設置模塊內(nèi)，可以根據(jù)過程參數(shù)計算出當前試驗任務需要的大致時間。

4.4 砝碼數(shù)據(jù)庫管理

本模塊應用了Access數(shù)據(jù)庫技術，將標準和待測砝碼信息保存在數(shù)據(jù)庫表單中實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息新建、更新、刪除功能。砝碼數(shù)據(jù)信息包括：砝碼編號，標準砝碼名稱，型號，編號，標稱值(g)，修正值(mg)，密度(kg/m3)，備注。數(shù)據(jù)庫操作界面如圖4所示。

4.5 與PLC通訊模塊

本模塊應用了PLC可編程控制器技術，使用RS-232通訊端口，與計算機通訊的控制指令和狀態(tài)協(xié)議如表1所示。

表1 PLC控制指令和狀態(tài)協(xié)議

Tab.1 PLC control instruction and state agreement

圖4 砝碼數(shù)據(jù)庫操作界面Fig.4 Weight database operation interface

4.6 與數(shù)據(jù)采集器通訊模塊

本模塊實現(xiàn)與數(shù)據(jù)采集器的通訊，發(fā)送讀取數(shù)據(jù)指令后，返回一個16位字符即為數(shù)據(jù)采集器采集得到的稱量數(shù)據(jù)，存儲于內(nèi)存和指定文件內(nèi)。

4.7 通訊端口設置模塊

本模塊用于設置PLC和數(shù)據(jù)采集器與計算機的的通訊參數(shù)，包括：通訊端口、每秒位數(shù)、數(shù)據(jù)位、奇偶校驗、停止位以及流控制。

4.8 自動校準過程監(jiān)控模塊

本模塊根據(jù)過程設置參數(shù)自動生成砝碼差值天平稱量動作流程，并控制天平完成稱量工作，工作流程如圖5所示。

圖5 砝碼差值自動稱量工作流程圖Fig.5 Work flow chart of weight difference automatic weighing

本模塊監(jiān)控的信息包括：當前狀態(tài)，過程參數(shù)設置，砝碼信息，稱量過程圖表顯示，稱量數(shù)據(jù)，另外還有當前工作流程進度條。當前狀態(tài)包含的信息有：當前的稱量次數(shù)，當前稱量內(nèi)容，當前平均次數(shù)，當前稱量位置，當前稱量狀態(tài)，當前天平讀數(shù)和數(shù)據(jù)保存路徑。過程參數(shù)設置包含的信息主要是當前實驗的過程參數(shù)。砝碼信息包含的信息有標準砝碼信息和被校砝碼信息。稱量過程圖表顯示以圖表形式顯示，橫坐標X-軸為稱量結(jié)果的編號，編號mn為組合編號，m和n為2位十進制數(shù)字，m——代表第m次稱量，n——代表稱量結(jié)果數(shù)組中的第n個待平均數(shù)，例如，編號“0302”代表——第3次稱量數(shù)組中的第2個待平均數(shù)。如圖6所示，上方曲線表示A盤砝碼在第mn次ABA(或ABBA稱量過程中的平均值，下方曲線表示B盤砝碼在第mn次ABA(或ABBA)稱量過程中的平均值。

圖6 稱量過程圖表顯示Fig.6 Weighing process chart display

4.9 天平控制模塊

本模塊作為天平控制單元，可以實現(xiàn)的功能有：開關天平，轉(zhuǎn)動砝碼托盤，升降砝碼托盤，指示天平狀態(tài)。

4.10 自動生成實驗報告模塊

本模塊使用了OLE Office自動化技術，使用VB調(diào)用WORD程序，當實驗結(jié)束或中斷后，自動將實驗結(jié)果以校準證書的形式生成WORD文檔保存于指定目錄中。

5 實驗數(shù)據(jù)處理及保存

根據(jù)天平示值實際情況，采用以下判據(jù)進行讀數(shù)有效性判別

(1)

式中：Imax——n個讀數(shù)中的最大值，mg；Imin——n個讀數(shù)中的最小值，mg；m——被檢砝碼標稱值，kg。

當天平讀數(shù)示值滿足式(1)所示判據(jù)后，即認為有效，而天平讀數(shù)示值采用堆棧數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)線性平均方法進行數(shù)據(jù)處理。如圖7所示，細實線為天平實時數(shù)據(jù)采集結(jié)果，粗實線是經(jīng)過實時數(shù)據(jù)處理后的示值結(jié)果。

圖7 天平讀數(shù)示值Fig.7 Balance reading indication

砝碼自動校準實驗數(shù)據(jù)結(jié)果保存為*.txt文件，其文件名采用自動命名的方式，其中包含稱量開始時間、稱量次數(shù)、是否稱量A-A、稱量平均次數(shù)以及稱量方式等信息。實驗數(shù)據(jù)結(jié)果文件中主要包含4部分信息：實驗過程參數(shù)、砝碼信息、稱量實驗數(shù)據(jù)以及稱量結(jié)果。其中，稱量實驗數(shù)據(jù)信息包含：測量時間，測量編號，位置，測量值，差值(B-A)，差值平均值，砝碼修正值，標準差；稱量結(jié)果信息包含：試驗測量編號，B-A平均值，B-A標準差，結(jié)果平均值，B砝碼修正值。

6 結(jié)束語

本文設計的砝碼自動校準系統(tǒng)已經(jīng)調(diào)試成功，現(xiàn)已應用于砝碼檢定校準的實踐工作中。該軟件運行穩(wěn)定、操作簡便、功能齊全、數(shù)據(jù)信息完整可靠，有效地提高了工作的效率，避免了人為因素對校準結(jié)果的干擾。

[1] 趙寶瑞, 劉明.一種提高天平計量性能的方法[J]. 計量學報，1990(2).

[2] 龔佩曾. Visual Basic 程序設計教程[M]. 北京:高教出版社,1998.

[3] 趙寶瑞, 康鐵安.天平自動快速稱量的原理與實踐[J]. 宇航計測技術，1984(2).