基于工業(yè)以太網(wǎng)通信的磁懸浮控制器在線監(jiān)控系統(tǒng)研究

高玉

(西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子信息學(xué)院，陜西 西安 710014)

0 引 言

在線監(jiān)控系統(tǒng)通過檢測傳感器對儀器設(shè)備的各類信號進行數(shù)據(jù)采集，并將數(shù)據(jù)上傳給使用者，使用者可通過參數(shù)設(shè)置改變儀器狀態(tài)[1]。近年來，隨著網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的成熟，在線監(jiān)控系統(tǒng)已在工業(yè)監(jiān)控和水質(zhì)質(zhì)量監(jiān)控等諸多領(lǐng)域得到了廣泛運用[2]。

磁懸浮控制器在線監(jiān)控系統(tǒng)主要應(yīng)用于磁懸浮轉(zhuǎn)子試驗臺[3]。一方面可將控制器采集的磁懸浮轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸給個人計算機(PC)，展現(xiàn)給用戶；另一方面用戶可遠程在線修改控制器的控制參數(shù)，從而閉環(huán)控制轉(zhuǎn)子狀態(tài)[4]。相比現(xiàn)場監(jiān)控磁懸浮控制器，在線監(jiān)控主要具備以下優(yōu)點：首先使用電子設(shè)備代替人力與器具進行監(jiān)控，可以降低監(jiān)控的成本，提高數(shù)據(jù)準(zhǔn)確率；其次在線監(jiān)控系統(tǒng)可以實時完成數(shù)據(jù)的傳輸，大量減少系統(tǒng)的調(diào)試時間；最后在線監(jiān)控系統(tǒng)可使用戶遠程監(jiān)控多臺磁懸浮轉(zhuǎn)子平臺，提高效率，降低成本[5]。

在線監(jiān)控系統(tǒng)大多采用串行接口進行傳輸，該方式的數(shù)據(jù)傳輸速率較低且傳輸范圍較小：使用RS-232可支持的最大傳輸速率是20 kb/s，最大傳輸距離僅為15 m，易受環(huán)境干擾[6]。為解決這一問題，本文設(shè)計了基于工業(yè)以太網(wǎng)通信的磁懸浮轉(zhuǎn)子監(jiān)控系統(tǒng)。相比以往系統(tǒng)，該系統(tǒng)可實現(xiàn)遠距離監(jiān)控，大幅提高了在線監(jiān)控的數(shù)據(jù)傳輸效率，實現(xiàn)了預(yù)期的功能設(shè)計要求。

本文設(shè)計并搭建了基于工業(yè)以太網(wǎng)通信的磁懸浮轉(zhuǎn)子在線監(jiān)控系統(tǒng)。一方面，可通過上位機PC實時追蹤磁懸浮轉(zhuǎn)子橫向及垂直方向的位移及功率放大器輸出電流等關(guān)鍵數(shù)值，檢測轉(zhuǎn)子的狀態(tài)是否異常；另一方面，可對PID控制的比例系數(shù)、積分系數(shù)和微分系數(shù)進行實時調(diào)整，調(diào)整系統(tǒng)運轉(zhuǎn)狀態(tài)。經(jīng)測試，該監(jiān)控系統(tǒng)通信正常、工作穩(wěn)定，可實現(xiàn)控制數(shù)據(jù)遠距離、高速率和高穩(wěn)定性的傳輸。

1 磁懸浮控制器在線監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)

磁懸浮控制器在線監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計架構(gòu)如圖1所示。磁懸浮控制器在線監(jiān)控系統(tǒng)的主體部分為磁懸浮轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，該系統(tǒng)由異步電機通過聯(lián)軸器驅(qū)動轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子由一對徑向磁懸浮軸承支承，軸向上利用聯(lián)軸器限制其運動。在轉(zhuǎn)子兩端靠近軸承的位置安裝有位移傳感器。位移傳感器對轉(zhuǎn)子的位移數(shù)據(jù)進行測量，并將位移數(shù)據(jù)和從PWM數(shù)字開關(guān)功效模塊反饋來的電流數(shù)據(jù)進行前置調(diào)理、A/D轉(zhuǎn)換，傳送給DSP控制器。同時，DSP控制器分別通過PID閉環(huán)控制轉(zhuǎn)子的位移和功放的電流。

圖1 系統(tǒng)整體架構(gòu)設(shè)計圖

在線監(jiān)控系統(tǒng)實物連接圖如圖2所示。

圖2 在線監(jiān)控系統(tǒng)實物連接圖

2 在線監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計

在線監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計中，以工業(yè)以太網(wǎng)作為傳輸方式，分別進行上位機PC和下位機DSP的在線監(jiān)控程序編寫，實現(xiàn)了磁懸浮控制器中儲存的系統(tǒng)位移、電流狀態(tài)信息傳輸給PC以及將PID控制參數(shù)傳輸給DSP等主要功能。

2.1 在線監(jiān)控軟件結(jié)構(gòu)

在線監(jiān)控軟件整體架構(gòu)如圖3所示。上位機為監(jiān)控系統(tǒng)的服務(wù)器端，相關(guān)程序在PC機運行，采用LabVIEW軟件進行相關(guān)程序的編寫；下位機為系統(tǒng)客戶端，相關(guān)程序在DSP運行，在CCS7.1.0中使用C語言進行編寫。上、下位機共同完成監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸和控制數(shù)據(jù)傳輸兩項功能。

圖3 軟件結(jié)構(gòu)框圖

2.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸程序設(shè)計

2.2.1 下位機程序設(shè)計

下位機程序的設(shè)計框圖如圖4所示。首先定義程序全局變量以及IP地址、子網(wǎng)掩碼等通信信息，并對DSP和W5300分別進行初始化配置；接下來程序的主體部分進行接收數(shù)據(jù)與發(fā)送數(shù)據(jù)兩個函數(shù)的循環(huán)，以保證在線監(jiān)測的實時性。兩個函數(shù)具體實現(xiàn)先建立TCP連接，再將數(shù)據(jù)發(fā)送到緩存區(qū)或?qū)⒕彺鎱^(qū)的數(shù)據(jù)讀取的功能。

圖4 下位機程序設(shè)計框圖

2.2.2 上位機程序設(shè)計

上位機監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸程序由LabVIEW軟件進行編寫，程序流程為：

(1)根據(jù)IP地址和TCP端口號不斷向下位機發(fā)送建立連接的請求信息。

(2)連接成功后，通過While循環(huán)接收下位機傳輸?shù)谋O(jiān)測數(shù)據(jù)，存儲數(shù)據(jù)并通過波形圖顯示實時數(shù)據(jù)圖像。

(3)若傳輸產(chǎn)生錯誤信息或者點擊停止按鈕后跳出循環(huán)，斷開TCP連接，并顯示錯誤代號與原因。

(4)完成數(shù)據(jù)傳輸后斷開TCP連接。

2.3 監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸程序

根據(jù)實際應(yīng)用需求，需要將磁懸浮轉(zhuǎn)子試驗臺傳感器監(jiān)測到的狀態(tài)信息不斷上傳到PC機端進行觀測與處理。由于數(shù)據(jù)產(chǎn)生頻率大，需要將一定時間段內(nèi)接收到的數(shù)據(jù)打包上傳給PC。具體實現(xiàn)方法如下：

(1)對數(shù)據(jù)進行格式轉(zhuǎn)換：由于監(jiān)測數(shù)據(jù)格式為占用空間較大的64位浮點數(shù)，若直接傳輸則會影響傳輸速率，因此傳輸前先將浮點數(shù)轉(zhuǎn)化成為16位定點數(shù)，即每個數(shù)據(jù)乘上215取整，在LabVIEW接收到數(shù)據(jù)后再除以215還原。這樣可以提高傳輸速率，確定每個數(shù)據(jù)的位數(shù)，同時產(chǎn)生的誤差也很小。

(2)下位機分包發(fā)送數(shù)據(jù)：每包中有X+1個16位數(shù)據(jù)，其中第一位為標(biāo)識字符串“si”，后X個數(shù)據(jù)為監(jiān)測數(shù)據(jù)的ASCⅡ碼。

(3)上位機接收數(shù)據(jù)包：建立數(shù)據(jù)接收模塊，打開TCP連接，進入接收數(shù)據(jù)While循環(huán)中，不斷查找“si”標(biāo)識符信息。若發(fā)現(xiàn)“si”則進入到接收數(shù)據(jù)模塊，一次讀取X個數(shù)據(jù)的ASCⅡ碼,依次進行將ASCⅡ碼轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的十六進制數(shù)字，再將數(shù)字轉(zhuǎn)化成字符串格式，最終字符串轉(zhuǎn)化為十進制數(shù)字的處理，將所得十進制數(shù)組輸入到實時波形圖與整體波形圖表中，最終關(guān)閉TCP連接。

2.4 控制數(shù)據(jù)傳輸程序設(shè)計

控制數(shù)據(jù)傳輸程序?qū)崿F(xiàn)的目標(biāo)是用戶可以在LabVIEW中輸入PID控制的參數(shù)，并實時傳輸給控制器進行控制調(diào)整，程序設(shè)計如下：

上位機程序設(shè)計中，控制數(shù)據(jù)幀的第一位為標(biāo)識符“#”，由于控制數(shù)據(jù)位數(shù)不確定，因此每個數(shù)據(jù)之間采用“*”作為間隔標(biāo)識符。建立TCP連接后，每次修改參數(shù)后向控制器發(fā)送(“#”+比例系數(shù)+“*”+積分系數(shù)+“*”+微分系數(shù))的數(shù)據(jù)幀。

下位機程序設(shè)計中，建立TCP連接，recv(SOCKET s, uint8 * buf, uint32 len)函數(shù)將一組數(shù)據(jù)接收到一個暫存數(shù)組中。接下來進行標(biāo)識符識別，若第一位為“#”，則進入PID數(shù)據(jù)接收循環(huán)中，將“#”號與接收字符串查詢到的首個星號之間的存儲為比例系數(shù)P，將首個“*”與查詢到的下個“*”之間的數(shù)據(jù)存儲為積分系數(shù)I，將第二個“*”與查詢到的第三個“*”之間的數(shù)據(jù)存儲為微分系數(shù)D。通過數(shù)據(jù)提取，可實現(xiàn)DSP對控制參數(shù)的接收。

3 磁懸浮控制器在線監(jiān)控程序運行測試

磁懸浮控制器在線監(jiān)控程序中需要對磁懸浮軸承的位移變量和功放的電流數(shù)據(jù)進行監(jiān)測，并通過實時傳輸控制參數(shù)調(diào)整控制變量。圖5所示為一組位移監(jiān)測數(shù)據(jù)和兩組電流監(jiān)測數(shù)據(jù)的接收圖像，每個數(shù)據(jù)包包含1 000個監(jiān)測數(shù)據(jù)。在該測試中，上位機與下位機間隔相距3 km，且數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，環(huán)境干擾小。

接下來對每包大小與傳輸速率間的關(guān)系進行測試，結(jié)果如表1所示。隨著數(shù)據(jù)包包含數(shù)據(jù)個數(shù)的增長，傳輸速率也有明顯的增長，但數(shù)據(jù)實時性會受到影響。

圖5 三組磁懸浮平臺實際信號在線監(jiān)測圖

表1 數(shù)據(jù)包大小與傳輸速率的關(guān)系

將監(jiān)測數(shù)據(jù)接收與控制數(shù)據(jù)發(fā)送程序整合在一起，設(shè)計了在線監(jiān)控平臺界面，如圖6所示。在該界面中，用戶可實時接收兩組位移數(shù)據(jù)及四組電流數(shù)據(jù)，用戶還可實時發(fā)送控制參數(shù)，并觀測控制參數(shù)變化對系統(tǒng)狀態(tài)的影響，實現(xiàn)在線監(jiān)控功能。此外，用戶可將數(shù)據(jù)存儲在相應(yīng)文件中，用于后續(xù)數(shù)據(jù)分析。

圖6 磁懸浮控制器在線監(jiān)控界面

4 結(jié)束語

本文針對既有的磁懸浮控制器在線監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸速率慢和傳輸距離短等不足，設(shè)計了基于工業(yè)以太網(wǎng)的磁懸浮控制器在線監(jiān)控系統(tǒng)。首先對監(jiān)控系統(tǒng)整體架構(gòu)進行設(shè)計，接下來針對監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸及控制數(shù)據(jù)傳輸軟件分別進行設(shè)計，上位機軟件采用LabVIEW編寫，下位機軟件采用CCS7.1.0編寫。最終將監(jiān)測與控制軟件進行合并，設(shè)計了在線監(jiān)控用戶界面，用戶可實時接收位移及電流數(shù)據(jù)并發(fā)送控制參數(shù)，觀測控制參數(shù)變化對系統(tǒng)狀態(tài)的影響，實現(xiàn)在線監(jiān)控功能。經(jīng)測試，該系統(tǒng)可進行遠距離數(shù)據(jù)傳輸，傳輸速率可達2.3 Mb/s，且受環(huán)境干擾小，滿足設(shè)計需求。