基于SOCKET 網(wǎng)絡(luò)的熱電偶全自動檢測單元系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

張黨輝

(蘇州長風(fēng)航空電子有限公司，江蘇 蘇州 215200)

隨著國內(nèi)航空發(fā)動機排氣溫度熱電偶產(chǎn)品工廠標(biāo)準化生產(chǎn)擴容，原始人工測量方式已不能滿足檢測產(chǎn)能提升需求，同時對于產(chǎn)品質(zhì)量一致性與質(zhì)量預(yù)測，其標(biāo)準化測量及電子化數(shù)據(jù)必不可少。本文主要介紹了一種熱電偶全自動檢測單元設(shè)計方法與實現(xiàn)過程，文中闡述了系統(tǒng)軟硬件單元的構(gòu)成，二級緩沖搬運工位的設(shè)計、測試程序的開發(fā)，從而實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)單元熱電偶的常溫工位、高溫工位的電參數(shù)自動檢測（包含電阻、絕緣、高溫絕緣、極性、精度等）、數(shù)據(jù)自查與報表輸出的實現(xiàn)，通過實踐，設(shè)計符合預(yù)期要求，對生產(chǎn)效率提升具有很大促進作用。

1 系統(tǒng)架構(gòu)及工作原理

熱電偶自動檢測單元結(jié)構(gòu)包含：主控機、網(wǎng)絡(luò)集線器、PCI 板卡、觸控屏、高溫爐、PID 控制器、可編程控制器（PLC）、伺服電機及驅(qū)動器、氣缸、機械手、信號燈、電路矩陣控制模塊、電阻掃描儀、絕緣電阻測試儀、溫度記錄儀、數(shù)據(jù)采集儀、校準反饋熱電偶、掃描槍，儀器擴展接口等機構(gòu)。所有子部件系統(tǒng)通過LAN 進行互通控制，上位控制軟件根據(jù)用戶角色給定不同的系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定、操作、控制、后臺數(shù)據(jù)處理、計量等特殊權(quán)限。如圖1 所示，作者通過一種綜合參數(shù)采集系統(tǒng)及機械分系統(tǒng)，實現(xiàn)批量熱電偶的常溫工位電阻、絕緣，高溫工位極性、熱電偶精度、絕緣等自動檢測功能，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動判別、存儲、打印、與其它系統(tǒng)交互功能。系統(tǒng)主要由專用托盤、放料工位、常溫工位、預(yù)熱工位、高溫工位、取料工位不同功能模塊組成，各工位間的托盤由對應(yīng)的推進裝置協(xié)調(diào)機械手進行流轉(zhuǎn)，不同工位采取自主檢測模式，由軟件控制中心進行統(tǒng)一協(xié)調(diào)動作。用戶操作軟件首先驗證用戶權(quán)限與預(yù)置型號信息后自動調(diào)取符合測試要求的本地后臺數(shù)據(jù)，用戶通過操作界面可以打開預(yù)測試數(shù)據(jù)與通訊編輯窗口、預(yù)置參數(shù)采集窗口、數(shù)據(jù)查詢解算與打印窗口、數(shù)據(jù)維護窗口、儀器設(shè)備計量窗口、用戶信息管理窗口與使用幫助文檔等，通過以上各操作窗口可以實現(xiàn)預(yù)測試窗口參數(shù)自定義、熱電偶電參數(shù)自動采集與智能判別信息、數(shù)據(jù)解算、自定義報表查詢與打印、數(shù)據(jù)備份、儀器儀表計量等功能。

圖1 系統(tǒng)原理架構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)控制要求

2.1 首先以技術(shù)人員角色進入系統(tǒng)后臺，設(shè)定系統(tǒng)各單元的IP 地址、RS232/485 通訊接口參數(shù)、MODEBUS 擴展儀器參數(shù)、注冊待測產(chǎn)品的檢測工序、數(shù)據(jù)判別界限、動態(tài)窗口信息、報表格式等內(nèi)容。

2.2 以檢測人員角色登錄系統(tǒng)后，系統(tǒng)自動進入自檢測狀態(tài)，軟件會根據(jù)自檢測結(jié)果指導(dǎo)操作人員進行所有工位的運行初始化。

2.3 當(dāng)“放料工位”檢測到有托盤放置時，設(shè)備狀態(tài)燈提示操作人員有待測試任務(wù)，通過掃描槍注冊產(chǎn)品相關(guān)信息，點擊軟件“開始”按鈕，系統(tǒng)自動執(zhí)行所有工序內(nèi)容。“常溫工位”測量后自動流轉(zhuǎn)至“預(yù)熱工位”，同時“放料托盤”回歸至初始位，狀態(tài)燈及軟件提示操作人員放料位空閑，當(dāng)“預(yù)熱工位”達到測試條件后自動流轉(zhuǎn)至“高溫工位”進行高溫相關(guān)電參數(shù)的測試，檢測完畢后流轉(zhuǎn)至“取料工位”，當(dāng)取料工位滿時自動推出至取料位，狀態(tài)燈及軟件提示操作人員進行取料操作。

2.4 系統(tǒng)控制中心主要由主系統(tǒng)流程與各工位執(zhí)行流程組成，系統(tǒng)五個虛擬工位與實際工位對應(yīng)，流向順序為從人工放料到其它工序，每個機械周期根據(jù)工位申請信號執(zhí)行前移指令操作，不斷循環(huán)執(zhí)行，申請信號由當(dāng)前工位檢測數(shù)量，檢測模式，檢測結(jié)果標(biāo)志、狀態(tài)四組信號內(nèi)容組成。

2.5 系統(tǒng)運行異常狀態(tài)分為嚴重、重要、一般三個等級。當(dāng)出現(xiàn)嚴重機械故障時，系統(tǒng)全部暫停非特定人員無法復(fù)位運行；重要故障為異常位置、儀器通訊、緊急門禁等信號時，操作人員參照操作手冊對比故障代碼進行對應(yīng)的故障消除及復(fù)位操作；一般故障為數(shù)據(jù)異常、通訊不可靠等，無需人員操作，系統(tǒng)會根據(jù)提前設(shè)定的處理方式執(zhí)行，同時做出異常提醒。

3 系統(tǒng)硬件實現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)測控儀器。電阻采樣：選用同惠TH2518A 掃描儀（40 路），采用嚴格意義的四線制測量方法，可以實現(xiàn)在不進行程序修正情況下，校準板測量誤差＜1mΩ。絕緣電阻測試：選用同惠TH2683B，測量電壓范圍1～500V，絕緣電阻測試范圍100KΩ～10TΩ，具有絕緣電阻與漏電電流雙顯示，支持SCPI 可編程語言，可以實現(xiàn)PC 對儀器全部功能的異地操作與數(shù)據(jù)上傳功能。溫度采樣：選用同惠TH2552 溫度掃描儀（44 路），其儀表精度達到0.2%級別，采用線性補償方法，可實現(xiàn)動態(tài)去除線路損耗誤差，通過2 路PT100，A 級高精度常溫補償傳感器與儀表補償傳感器綜合處理下，可實現(xiàn)其動態(tài)去除室溫干擾。PID 控制器：選用德電PU70，其控制器具備程序控制、AI 人工智能調(diào)節(jié)技術(shù)、MODBUS 通訊功能，測量精度達到0.25 級。矩陣控制：采用聚英電子改裝設(shè)計的DAM3232，單模塊實現(xiàn)32 路DO 輸出，32 路DI輸入，用于監(jiān)測系統(tǒng)位置信號及反饋信號，DO 通過改裝用于控制高壓矩陣模塊，實現(xiàn)絕緣電阻的自動切換功能。PLC控制器：采用三菱FX 系列的FX5U-80M 中型控制器，I/O總點數(shù)為96，DI 位48，DO 為48；具有工程結(jié)構(gòu)化編程、運算速度高、通過LAN 與外部通訊便捷等特點。表1 為PLC的主要I/O 端子分配表，伺服電機及驅(qū)動器選用Panasonic的MBDLN25SE 及400W 伺服電機，作為機械控制分系統(tǒng)的輔助控制單元使用。

表1 I/O 地址分配表

3.2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)。高溫校準：采取對接方式，測溫爐校準孔位采用高精度S 型（鉑銠）熱電偶進行控溫及20 路測溫孔反饋，反饋溫度采用支持MODBUS 協(xié)議的20 路溫度掃描儀進行讀取，測溫孔溫度實時精度在0.5%以內(nèi)，測溫孔位整體溫度在600℃～1000℃之間，同時實時指示每個熱電偶與測溫孔溫度差。接觸探針結(jié)構(gòu)：采用鍍金探針自由伸縮距離為12mm，接觸安全距離為6mm，探針表面采用鈍角梅花與產(chǎn)品實物接觸，即防止刺傷產(chǎn)品表面，同時能保證具有良好的接觸點。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)：由放料區(qū)、常溫測量區(qū)、高溫預(yù)熱區(qū)、高溫測量區(qū)、取料區(qū)組成，測量區(qū)域由機械手進行搬運，放料區(qū)由伺服電機與絲桿進行推進操作，取料區(qū)取料動作由推進氣缸執(zhí)行，常溫區(qū)與高溫區(qū)測試針模隨下壓氣缸組件控制，預(yù)熱爐設(shè)計為緩沖工位裝置用于調(diào)節(jié)常溫與高溫測試時間比例。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

4.1 系統(tǒng)控制流程。主程序模塊控制流程圖如圖2 所示，每個工位自主執(zhí)行測試流程，通過X1-X4 準備信號信息申報由系統(tǒng)統(tǒng)一協(xié)調(diào)循環(huán)推進。

圖2 系統(tǒng)工位流程圖

4.2 軟件功能設(shè)計。通過軟件實現(xiàn)對于熱電偶產(chǎn)品的測試自定義，自定義測量界面、數(shù)據(jù)打印、MAS 系統(tǒng)標(biāo)準數(shù)據(jù)對接、后臺數(shù)據(jù)維護、人員角色管理、計量等操作。4.2.1 數(shù)據(jù)自定義界面。該界面為限制權(quán)限界面，內(nèi)容包含了新型號的注冊、用戶界面數(shù)據(jù)顯示最大數(shù)據(jù)量、通訊參數(shù)、參數(shù)配置、參數(shù)列表等功能，當(dāng)需要新增加新型號數(shù)據(jù)時，在參數(shù)設(shè)置表格中填寫對應(yīng)數(shù)據(jù)的窗口提示信息及上下限制參數(shù)。4.2.2 軟件采集界面。該界面為動態(tài)生成界面，當(dāng)在自定義界面新增型號及檢測內(nèi)容后，采集界面會根據(jù)設(shè)定的檢測項目自動生成對應(yīng)卡片頁的檢測項目內(nèi)容，同時該界面基礎(chǔ)涵蓋注冊、電參數(shù)測量、主觀判斷與接口界面，其它界面如尺寸、重量、用戶自定義界面等會根據(jù)不同型號進行動態(tài)顯示，每個界面的輸入框與測量項目也會根據(jù)自定義內(nèi)容進行動態(tài)顯示，當(dāng)測試數(shù)據(jù)或輸入數(shù)據(jù)存在超差時，在表格中會通過黃色背景進行標(biāo)識，當(dāng)自動測量中存在嚴重的數(shù)據(jù)異常時，記錄表格相應(yīng)數(shù)據(jù)背景變?yōu)榧t色，正常數(shù)據(jù)或未開始測量的表格位置為無背景色。4.2.3 報告與數(shù)據(jù)輸出界面。在該界面中，用戶可以根據(jù)需要選擇對應(yīng)型號及數(shù)量類別進行查詢，也可通過訂單號、單個序號、日期區(qū)間及檢驗員進行組合查詢，當(dāng)需要對測量數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)換算（符合國標(biāo)熱電偶、鉑電阻轉(zhuǎn)溫度或逆向轉(zhuǎn)換）時，選擇對應(yīng)轉(zhuǎn)換項目，點擊數(shù)據(jù)結(jié)算即可生成對應(yīng)數(shù)據(jù)。當(dāng)需要打印數(shù)據(jù)時，選中對應(yīng)數(shù)據(jù)首行的復(fù)選框，點擊打印按鈕即可打印報告，同時鼠標(biāo)右鍵菜單選項中有MAS 對接數(shù)據(jù)上傳、PDF 文檔導(dǎo)出、導(dǎo)入用戶數(shù)據(jù)（引用其它系統(tǒng)電子數(shù)據(jù)）等功能。4.2.4 其它功能界面。數(shù)據(jù)維護界面用戶管理員對后臺數(shù)據(jù)的備份和后期遠程維護等操作；用戶注冊界面用于管理員注冊新的檢驗用戶角色，同時用于管理登錄用戶相關(guān)權(quán)限功能等；計量功能界面，該界面為限制權(quán)限界面，用于計量人員登錄操作，其中包含了對應(yīng)的機械結(jié)構(gòu)動作功能確認，校準參數(shù)的輔助測量、校準數(shù)據(jù)的后臺寫入等系統(tǒng)必須功能。

4.3 軟件實現(xiàn)。軟件主要涉及到數(shù)據(jù)庫的訪問、公共SOCKET 鏈接、PLC 通訊、儀器儀表的測量、數(shù)據(jù)的判斷、打印等操作。

4.3.1 ADO 數(shù)據(jù)庫的訪問。本系統(tǒng)使用ACCESS 數(shù)據(jù)庫軟件的ACCDE 數(shù)據(jù)存儲格式，該數(shù)據(jù)庫可以高效運行于本地系統(tǒng)，其中用戶信息、測量設(shè)置參數(shù)信息、與產(chǎn)品型號測量參數(shù)信息都存放于mubiao.accde 數(shù)據(jù)庫中，通過測量設(shè)置參數(shù)界面，用戶可以動態(tài)管理產(chǎn)品型號測量參數(shù)信息的有關(guān)設(shè)置、創(chuàng)建及刪除操作；打印數(shù)據(jù)單獨存放于print.accde 數(shù)據(jù)庫，從而在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換運算后直接將新數(shù)據(jù)存放臨時打印數(shù)據(jù)庫print.accde 中，將明顯減少主數(shù)據(jù)庫容量，訪問主要程序部分指令如下：

數(shù)據(jù)庫訪問連接操作：

4.3.2 表單訪問鏈接操作

4.3.3 資源管理類函數(shù)設(shè)置

4.3.4 資源操作類函數(shù)設(shè)置

4.3.5 Modbus TCP[1]模塊的操作。主要通過Modbus TCP協(xié)議通過，通道使用ASCII 順序編碼作為標(biāo)志，當(dāng)系統(tǒng)啟動前發(fā)送復(fù)位指令，切換設(shè)備所有測量通道自動切換一邊，對應(yīng)的提示燈將告訴用戶，該通道是否可控。當(dāng)測量過程中需要多路復(fù)用時，通過發(fā)動對應(yīng)通道信息，也可以同時啟用兩組繼電器，如四線制電阻與第8 路通，標(biāo)識儀表正在使用電阻測量功能，正在測試第八路傳感器產(chǎn)品的電阻值，格式如“01 18 20001008 CRSD”。

4.3.6 查詢及打印報表。通過通用化自定義表格模板借助BarTender 進程實現(xiàn)快速化打印，通過符合ITS-90 國際溫標(biāo)實現(xiàn)熱電偶數(shù)據(jù)的溫度轉(zhuǎn)化[2]，具體實現(xiàn)，用戶可以像編輯EXCEL 一樣在BarTender 建立相應(yīng)模板，將對應(yīng)數(shù)據(jù)與相應(yīng)數(shù)據(jù)庫字段綁定，也可對數(shù)據(jù)庫字段單組或多組數(shù)據(jù)進行簡單的VBA 操作，從而實現(xiàn)相同數(shù)據(jù)庫匹配用戶不同的報告格式要求；通過擬合ITS-90 中的分度表公式，使用戶在相關(guān)電阻，電壓值需要轉(zhuǎn)化溫度或測量誤差時，通過簡單操作即可實現(xiàn)用戶所需要的相關(guān)數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)自動增加在表格列尾部，在打印時數(shù)據(jù)自動保存在print.accde 數(shù)據(jù)庫當(dāng)中；通過進程啟用函數(shù)，用戶可以按照規(guī)則自動啟動后臺模板（產(chǎn)品型號與頁碼號形成每項打印內(nèi)容的頁數(shù)），相關(guān)指令如下所示：

5 系統(tǒng)實踐

通過系統(tǒng)實踐測試，熱電偶測試可以根據(jù)用戶自定義方式采樣及測算，同時具有聲音與表格背景色提示，計量儀表可直接通過接口進行，無需拆解。通過以XX-XX01 傳感器參數(shù)測試為例，進行了用戶參數(shù)自定義設(shè)置，數(shù)據(jù)自動采集、數(shù)據(jù)解算與報表打印、設(shè)備計量等測試，符合設(shè)計預(yù)期，批量產(chǎn)品測量效率明顯高于人工。通過該系統(tǒng)設(shè)計，驗證了采用虛擬工位與基于SOCKET 的熱電偶全自動檢測單元系統(tǒng)實現(xiàn)的可行性，測量系統(tǒng)軟件預(yù)留了拓展接口模塊，通過標(biāo)準SCPI 命令[3]與VISA 語言[4]可以迅速將電感測量儀、數(shù)字信號發(fā)生器等數(shù)字化儀器以LAN 接口方式擴充到集成系統(tǒng)中來。

6 結(jié)論

通過基于SOCKET 的熱電偶全自動檢測單元系統(tǒng)設(shè)計與實踐，提出了由全局SOCKET 套接字連接的全自動采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，虛擬工位防錯的調(diào)度方式，與控制語言，并實現(xiàn)了自動采集系統(tǒng)軟件；實際應(yīng)用表明，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可靠、控制軟件運行穩(wěn)定，通過標(biāo)準語言設(shè)計使得本系統(tǒng)可實現(xiàn)在支持VISA 與SCPI 的儀表中進行無差別化移植，滿足用戶多種測試需求；實現(xiàn)傳感器的數(shù)據(jù)自動采集、自動判別、符合ITS-90 的熱電偶、熱電阻溫度轉(zhuǎn)換、自動存儲及打印報表等功能，通過替代人工，明顯提升了檢驗測試準確性與效率。