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胡生國：中船重工集團公司第七一零研究所
在某產品上有一重要的部件—水壓分離機構，在其生產調試過程中需要對其精確的水壓分離值進行綜合檢測，評判其合格與否并以此作為產品最終交付的依據。因型號不同，其分離背壓范圍為0.3~1.7MPa，而分離范圍為±0.15MPa，水壓測試要求精度為±0.008MPa。因其生產量較大，兼之產品一致性要求較高，采用普通人工測試方式不可能實現。本文在詳細研究產品工作特性的基礎上，采用計算機控制的分布式監控系統以及采用可調柱塞計量泵與伺服電機組合提供精確壓力的工作方式，研制了一套高精度水壓測控裝置，成功地解決了水壓分離裝置水壓解脫綜合測試的準確性及試驗效率的問題。
1 系統結構設計
本測控裝置主要由四大部分組成，分別是數據采集模塊、控制模塊、加壓裝置、壓力釜體。采用伺服電機帶動可調柱塞式計量泵對高壓釜加壓，高壓釜內的壓力由高精度壓力傳感器檢測后，經數據采集系統反饋給計算機，計算機經過數據分析處理，控制伺服電動機輸出不同的轉速，從而實現不同的加壓速率及保壓功能。所有各開關量及模擬量信號可在計算機上用曲線實時顯示出來。系統組成框圖如圖1所示：
圖1 系統組成
2 控制系統設計
2.1 總體控制方案
針對產品水壓試驗參數±0.008MPa壓力的要求，配置了小型伺服控制系統及流量精確可調的柱塞式計量泵,采用泓格分布式控制模塊形成一個小型的RS485控制網絡與計算機（數字控制器）連接，其中7021是模擬量輸出模塊，用于輸出不同的電壓值給伺服電機驅動器，調節伺服電機轉速；7012F是模擬量輸入模塊，用于采集壓力傳感器數據；7060D是開關量模擬，用于控制伺服驅動器的使能開關及其上電開關。
2.2 壓力控制策略
高壓釜內的壓力控制是通過控制柱塞式計量泵的流量及泄壓電磁閥的開合來實現的。計算機設有兩種加壓試驗模式：程控加壓方式及解脫試驗方式。在程控加壓方式下計算機測控程序將壓力變送器傳送過來的高壓釜內壓力與設定曲線的設定值相比較，利用PID閉環控制原理，由模擬量輸出模塊向伺服電機驅動器輸出不同的控制電壓，調節伺服電動機的轉速從而達到調節柱塞式計量泵的流量，以合適的加壓速率使實際的壓力值趨近設定的曲線，提高了控制精度；在解脫試驗模式下，計算機按照一定的控制律，以不同的加壓速率接近設定的解脫壓力值，實時顯示并記錄水壓分離機構解脫瞬間的壓力變化情況，并進行計數。壓力過高時（由測控程序設定安全壓力數值），警戒燈亮起，同時啟動電磁閥排水（若程序失效時，越過了最高安全值后，安全閥自動啟動降低壓力）
2.3 解脫計數的實現
在產品加工過程中，會由于加工精度及使用材質的微小差異，最終導致產品出現不同的分離值，因本裝置設計的一次試驗數量為10個，因此在程序上必須設計計數模塊。程序判斷每一個水壓分離裝置解脫的依據為解脫時壓力釜內壓力的下降，下降量的多少為計數的關鍵。可用公式 來對每一個裝置解脫時壓力釜內的壓力降進行計算。
式中 為液體的容積模數，水的容積模數為：
為液體的壓力變化值，一般而言，壓力釜加工完成后，釜內注水總容積 是已知的，被試產品解脫前和解脫后占有水的總容積之差 也是可計算的，故每一個裝置解脫后壓力釜內的壓力降是可以計算出來的(在計算時，必須考慮壓力釜內的背壓，即 的數值應換算為常壓下水的容積)。在程序設計中，通過分析壓力傳感器的數值可以判斷被試產品是否解脫，從而對被試產品的解脫進行計數。
3 控制系統軟件設計
3.1 人機界面
主要界面包括:試驗參數設定窗口、報警窗口、實時數據窗口、數據查詢窗口，系統管理等，界面友好，盡可能提高界面的智能化程度，減少操作者的工作量。在程序中設計了許多智能提示，盡可能能減少操作過程中的失誤。
如：
Private Sub cmdStart_Click()
If Tim0 = 0 Then
MsgBox "請輸入程控曲線后再進行壓力試驗！", vbCritical, "操作提示"
Exit Sub
End If
測控界面如下，圖中曲線為解脫試驗模式時測得的多個水壓分離機構在不同時刻解脫時高壓釜內的壓力變化情況：
圖2 系統監控圖
3.2 程序設計
在程序設計過程中，分別針對泓格7060D開關量模塊、7021模擬量輸出模塊、7012F模擬量輸入模塊編制了不同的程序控制模塊。在程序運行過程中，每一個模塊或多或少會和其它的模塊有一些交錯使用，而在同一個時間，串口只能和其中的一個模塊通訊，如果模塊之間的控制指令夾雜著使用會使程序設計變得復雜,往后的維護也會變得不易,為了防止出現這一問題,本裝置在程序設計上采用了控制標識.如下程序片段所示:
Private Sub Image10_Click() '電動閥開關
Dim buf1$
IntChar = True '數據采集中斷
If Image10.Picture = Image2(1).Picture Then '電動閥開狀態
MSComm1.Output = "#021301" & vbCr '電動閥單獨控制開
Image10.Picture = Image2(0).Picture '關狀態
……
IntChar = False '中斷恢復，可以采集
End Sub
Private Sub Image7_Click() '主電機上電開關
IntChar = True '數據采集中斷
Dim buf1$
If Image7.Picture = Image2(1).Picture Then '開關斷開狀態
If InStr(1, buf1, ">") <> 0 Then '命令發送成功
Image7.Picture = Image2(0).Picture
Image5.Picture = Image1(1).Picture
IntChar = False '中斷恢復，可以采集
Else '命令發送不成功
lblMsg.Caption = "7060模塊通訊故障,請檢查線路。"
IntChar = False '中斷恢復，可以采集
Exit Sub
End If
Private Sub Image8_Click() '使能信號通開關
IntChar = True '數據采集中斷
If Image8.Picture = Image2(1).Picture Then '使能開關為斷開狀態
If Image7.Picture = Image2(1).Picture Then '電機主開關為斷開狀態
MsgBox "請先給電機上電，再開使能開關！", vbCritical
IntChar = False '中斷恢復，可以采集
Exit Sub
End If
……
IntChar = False '中斷恢復，可以采集
Exit Sub
Else
lblMsg.Caption = "7060模塊通訊故障,請檢查線路。"
IntChar = False
……
Else
lblMsg.Caption = "7060模塊通訊故障,請檢查線路。"
IntChar = False
……
IntChar = False
End Sub
3.3 系統監控
系統監控圖如圖2所示，軟件主要完成的功能是對整個裝置的運行進行監控，輸入測控壓力數據，對壓力釜內的壓力數據進行實時顯示，并在壓力運行參數出現異常時（如超出正常運行的上下限），彈出報警窗口，并停止壓力輸出。
監控軟件流程圖如圖3：
圖3 程序監控流程
4 抗干擾措施
為了實現高精度的壓力控制，防止噪聲的干擾，采取抗干擾措施是必須的。在該裝置中，采取了如下的抗干擾措施：1）采用伺服隔離變壓器，將控制柜內電源與外供電電源隔離，降低了供電電源的干擾影響；2）在控制柜內，分別用兩個獨立的電源對模擬電路和數字電路供電，將模擬電路用地線與數字電路隔離，以增強抗干擾能力。3）為防止伺服電機驅動器的干擾，專門對該驅動器安裝了一個專用的電抗器，實驗證明效果良好；4）為了保證微機的正常工作，除軟件上采取措施外，選用了泓格7000系列模塊，它配置了看門狗電路，可使跑飛的程序恢復正常；5）在計算機串口與RS485網絡之間選用了光電隔離的RS232／485轉換模塊，將信號輸入端與計算機隔離，有效防止了信號輸入端的噪聲傳入微機，提高了系統的可靠性；6）信號傳輸線采用屏蔽電纜，減少了電磁干擾；7）選用的高精度的壓力傳感器的輸出信號為電流，在進入數據采集模塊之前采用專用的電流/電壓轉換模塊，降低了壓力信號受到干擾的可能性。基于上述措施使本系統抗干擾性能較好。
5 結論
由于本裝置采用了分布式模塊，形成了一個有機的RS485網絡，數據采集及通訊可靠，使得壓力控制的精度有了顯著的提高，最終的壓力控制精度達到了±0.005MPa，穩定性好，且維修方便。本裝置投入使用后，經過一年多的運行，實際使用效果良好，運行穩定，大幅度地提高了工作效率及產品試驗質量。
參考文獻
1 范逸之、陳立元. 利用Visual Basic 實現串行并行通信技術.北京:清華大學出版社,2001.
2 范逸之. Visual Basic與分布式監控系統－RS－232／485串行通信. 北京:清華大學出版社.2002
3 《機械設計手冊》聯合編寫組編：《機械設計手冊》上、中冊 第二版 (修訂)，1991年，化學工業出版社。
4 賈銘新 曹誠明 主編 《液壓傳動與控制》 1993年，哈爾濱工程大學出版社。
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號