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工控軟件在熱電偶自動檢定系統中的應用
發布時間：2017-09-01
引言
溫度是熱處理的一個重要參數,在常用的幾種感溫元件中,熱電偶應用最廣,數量最大。隨著產品工藝要求的提高,感溫元件的質量也需相應地提高。因此,對熱電偶檢定系統性能提出了越來越高的要求,也大大增加了計量人員的工作強度。基于這種需求,熱電偶自動檢定系統也就應運而生,出現了各種品牌的檢定系統。但是這些系統的使用情況都不是很理想,主要表現在兩個方面:一是爐溫調節、控制不甚理想;二是自動化程度不高,人為因素較多。市場上現有的檢定系統大多是考慮從控溫儀表方面加以改進,以期提高系統的性能。當然從硬件角度提高控溫儀的精度也能提高系統性能。但是這樣不僅大大增加了系統的開發費用,而且有些設備的性能指標是很難提高的。也有考慮采用各種控制算法(如:遺傳算法、模糊算法、神經網絡、AT參數自整定)對爐溫進行調節的,但這些算法不易實現,且控制效果還有待進一步證明。針對現有熱電偶檢定系統的現狀和不足,提出了基于組態王的熱電偶自動檢定系統。
1系統的整體框圖
該系統主要由檢定爐、傳感器、多路切換開關、高精度數字儀表、晶閘管調功器、D/A轉換器、運算放大電路和微機控制系統組成。
系統的工作原理:檢定爐中的被檢熱電偶及標準熱電偶的溫度毫伏值,經多路切換開關切換進入數字儀表進行采集后通過通信接口RS485 (RS232)送至計算機處理、顯示。在控溫階段,采用工控軟件KingACT進行PID調節,偏差信號經高精度D/A轉換器AD562轉換后,送到可控硅調功器觸發可控硅,改變檢定爐的加熱功率,從而實現控溫。當爐溫升至第一個檢定點時,開始保溫并檢測溫場的條件。當溫場符合要求,控制執行機構進行通道切換,并檢測多路開關兩端的電勢值,當檢測到開關兩端寄生電勢滿足檢定要求時,進入采樣階段,對熱電偶熱電勢進行采樣。否則,重新轉換開關,直到滿足要求。第一個點采樣完畢之后,指示進行下一檢定點的控溫、采集。直至所有點檢定結束,主機發出報警信號,并關閉可控硅。系統經過計算生成檢定證書。這是一個自動連續控溫、跟蹤調節,定點檢測計算并打印輸出的閉環系統。
2系統的硬件設計
模擬信號經多路切換開關進入數據采集系統,其開關性能及質量對信號傳輸具有重大影響。理想情況是開關接通時內阻等于零,無附加殘余電動勢,能不失真地傳輸信號。開關斷開時內阻等于無窮大,無泄漏電流,使各路信號源相互之間以及各信號源與數據采集裝置之間完全隔斷。鑒于電子元件式開關導通電阻大,驅動部分與開關元件不完全隔開,本系統采用機械觸點式開關,該類開關具有理想的靜態特性,檢定時控制執行機構進行各通道之間的切換。
步進電機作為數字/角度轉換器常用作調整元件或轉換器件實現對執行機構的調整控制。它具有很高的精度,可以精確定位。步進電機的旋轉原理:當某相繞組通電時,對應的磁極就產生磁場并與轉子形成磁路。如果這時定子的小齒和轉子的小齒沒有對齊,則在磁場的作用下,轉子將轉動一定角度,使轉子齒和定子齒對齊。錯齒是促使電機旋轉的根本原因。它有單三拍和六拍兩種工作方式,根據不同的選擇,可以實現轉動3°和1?5°的步進角度。通過改變定子上三相繞組的通電順序,就可以實現讓轉子順時針或逆時針方向旋轉。本系統選用步進電機作為多路切換開關的執行機構。工作過程:控制單元根據所需轉動的角度計算出電機所要轉動的步數,然后輸出脈沖信號,使開關切換到檢測通道。然后檢測開關兩端的電勢,不滿足要求時,控制電機逆時針轉動一定角度,再順時針轉回至原位,重新切換通道,當滿足檢定規程的要求時,才進行后續工作。
在檢定工作熱電偶時,在多路開關和數字萬用表之間加接一個冷端補償器自動補償環境溫度對檢定結果的影響,檢定標準熱電偶時采用冰點瓶進行補償。數字儀表根據待檢熱電偶不同,選用不同的電壓表。檢定標準熱電偶時采用八位半的高精度數字萬用表(7081),該萬用表除運用數字濾波法進行濾波外還采用了鎖相頻率跟蹤技術,其串模干擾抑制比為SMR≥70dB (允許工頻波動±3%)。檢定工作熱電偶時采用六位半的數字萬用表。
根據后繼晶閘管調功器、轉換精度的需要,采用AD562D/A轉換器進行數模轉換。AD562是一種穩定度高、線性度好、轉換速度快的十二位D/A轉換器,其輸出電流與十二位輸入數碼和基準電壓之積成正比。它由兩塊芯片構成,一塊是雙極型晶體管芯片,其上集成了十二個非飽和型的精密電流開關;另一塊是硅2鉻薄膜電阻芯片,加外反饋電阻、偏移電阻和量程置定電阻等,各種電阻的比例系數,都在器件的工作狀態下用計算機控制的自動激光微調裝置進行精密校準。因此, AD562具有很高的分辨率和轉換精度。利用它將PID調節信號轉換成模擬信號,驅動后續電路。
由于AD562在單極性工作方式下滿度輸出的電流是22?0mA,所以需采用運算放大電路對其輸出信號進行放大才能驅動后面的控制電路。運算放大電路如圖2所示。
執行器采用過零觸發式晶閘管調功器,所謂零觸發就是可控硅觸發導通的時刻總是在電壓或電流過零的時刻,但每次過零時是否導通則是可以控制的。這種執行器觸發線路的觸發脈沖總是“正”“負”成對出現,正觸發脈沖觸發一支可控硅使之在正半周導通,負觸發脈沖觸發另一支可控硅使之在負半周導通,當可控硅聯接成交流調節線路時,負載上得到的是一個完整的正弦波電壓或電流,其周波數則依賴于PID調節器輸出的直流信號值,它隨調節器輸出信號的大小成正比地變化。當PID的輸出信號在0~10mA之間變化時,負載上的輸入功率在0~100%之間變化。當調節器輸出與爐溫偏差成PID關系時,檢定爐輸入的功率也將按爐溫偏差成PID的關系變化,這就可以實現爐溫的PID調節。它接受D/A轉換器的輸出信號,然后從過零脈沖輸出與輸入信號相應的一系列過零脈沖去觸發晶閘管,改變晶閘管導通與截止時間之比,從而調節檢定爐的輸入功率,實現爐溫控制。
3系統的軟件設計
(1)檢定系統的軟件部分主要由主監控子系統、爐溫控制子系統,歷史報表子系統組成。程序流程如圖5所示。
(2)溫度控制的實現
今天,隨著對工業自動化的要求越來越高,使基于PC的工業控制軟件越來越得到廣泛的應用,本系統采用KingACT控制軟件實現爐溫的控制。KingACT1?5是亞控推出的新一代用于實時控制的“軟邏輯”產品。
它以工業計算機為硬件基礎,以通用操作系統為平臺,采用開放式IO設備。提供符合IEC113123標準的2種PLC編程語言,包括梯形圖(LD)、功能塊(FBD)。用軟件技術實現控制任務。它面向復合控制,既適合于過程控制,又適合于邏輯控制,達到過程控制和邏輯控制的完美結合。
爐溫控制子系統主要由溫度設定、越限報警、斷偶保護和測量控制顯示等幾個主要部分組成。在系統界面上,設置溫度設定、報警顯示及溫度輸出響應曲線顯示,實時再現系統的運行過程和實現狀態監控。PID參數設定可以直接輸入和修改。在熱電偶自動檢定系統中PID參數值是很重要的,該參數整定的好壞直接影響檢定的速度和品質,利用溫度響應曲線顯示,可以方便地實現PID參數的整定。一般的爐溫控制過程都有較大的時間常數,而數字PID控制系統的采樣周期則小得多,所以數字調節器的參數整定,完全可以按照模擬調節器的各種參數整定方法進行綜合分析,達到最佳調節效果。
(3)標度變換
工業過程的各種測量,不管用何種傳感器測量所得的信號,都要經過A/D處理成數字量進入計算機。為了使記錄、顯示和打印的結果能反映被測量的實際值,就必須對經A/D轉換后的數字信號進行標度變換。在組態王中引用了查表的方式,進行數據的非線性轉換,用戶可以輸入轉換標準表,組態王將采集的數據的設備原始值和變量原始值進行線性對應后,通過查表得到工程值,再在組態王運行系統中顯示工程值或利用工程值進行動畫連接,使操作過程更加直觀明了。查表法可以避開處理計算,以較高的精度和較快的速度完成變換。事先通過定義以表格形式確定采樣結果與熱電偶的熱電信號之間的關系,并將表格按一定的方法(如大小順序)存入內存單元。檢定過程中先取得測量結果,然后查表得到被測量值。
(4)報表生成
報表是反映檢定過程的數據、狀態等,對數據進行記錄的一種重要形式,它既能實時反映檢定情況,也能對歷史數據進行統計、分析,組態王提供內嵌式報表系統,檢定人員可任意設置報表形式,對報表進行組態。既可以制作實時報表,也可以制作歷史報表,以供檢定查詢使用。
4結語
該系統應用程序采用模塊化編程技術,通過把復雜任務按功能模塊分解,實現軟件的層次性和模塊化,程序易于調試、理解和維護。采用組態軟件進行組態,“組態王”將檢定過程中爐溫的變化、各檢定偶的采集數據實時記錄在數據庫中,并用動畫的方式將檢定過程的各個環節形象地表示出來,更加直觀。使操作更加方便、靈活。溫控部份采用KingACT控制軟件進行爐溫調節,檢定爐的性能更加穩定可靠。大大提高了檢定效率,降低了檢定人員的工作強度,創造了極好的經濟效益。
摘自：中國計量測控網
