胡生国：中船重工集团公司第七一零研究所

    在某产品上有一重要的部件—水压分离机构，在其生产调试过程中需要对其精确的水压分离值进行综合检测，评判其合格与否并以此作为产品最终交付的依据。因型号不同，其分离背压范围为0.3~1.7MPa，而分离范围为±0.15MPa，水压测试要求精度为±0.008MPa。因其生产量较大，兼之产品一致性要求较高，采用普通人工测试方式不可能实现。本文在详细研究产品工作特性的基础上，采用计算机控制的分布式监控系统以及采用可调柱塞计量泵与伺服电机组合提供精确压力的工作方式，研制了一套高精度水压测控装置，成功地解决了水压分离装置水压解脱综合测试的准确性及试验效率的问题。

1 系统结构设计

    本测控装置主要由四大部分组成，分别是数据采集模块、控制模块、加压装置、压力釜体。采用伺服电机带动可调柱塞式计量泵对高压釜加压，高压釜内的压力由高精度压力传感器检测后，经数据采集系统反馈给计算机，计算机经过数据分析处理，控制伺服电动机输出不同的转速，从而实现不同的加压速率及保压功能。所有各开关量及模拟量信号可在计算机上用曲线实时显示出来。系统组成框图如图1所示：

 图1 系统组成

2 控制系统设计

    2.1 总体控制方案

    针对产品水压试验参数±0.008MPa压力的要求，配置了小型伺服控制系统及流量精确可调的柱塞式计量泵,采用泓格分布式控制模块形成一个小型的RS485控制网络与计算机（数字控制器）连接，其中7021是模拟量输出模块，用于输出不同的电压值给伺服电机驱动器，调节伺服电机转速；7012F是模拟量输入模块，用于采集压力传感器数据；7060D是开关量模拟，用于控制伺服驱动器的使能开关及其上电开关。

    2.2 压力控制策略

    高压釜内的压力控制是通过控制柱塞式计量泵的流量及泄压电磁阀的开合来实现的。计算机设有两种加压试验模式：程控加压方式及解脱试验方式。在程控加压方式下计算机测控程序将压力变送器传送过来的高压釜内压力与设定曲线的设定值相比较，利用PID闭环控制原理，由模拟量输出模块向伺服电机驱动器输出不同的控制电压，调节伺服电动机的转速从而达到调节柱塞式计量泵的流量，以合适的加压速率使实际的压力值趋近设定的曲线，提高了控制精度；在解脱试验模式下，计算机按照一定的控制律，以不同的加压速率接近设定的解脱压力值，实时显示并记录水压分离机构解脱瞬间的压力变化情况，并进行计数。压力过高时（由测控程序设定安全压力数值），警戒灯亮起，同时启动电磁阀排水（若程序失效时，越过了最高安全值后，安全阀自动启动降低压力）

    2.3 解脱计数的实现
    
    在产品加工过程中，会由于加工精度及使用材质的微小差异，最终导致产品出现不同的分离值，因本装置设计的一次试验数量为10个，因此在程序上必须设计计数模块。程序判断每一个水压分离装置解脱的依据为解脱时压力釜内压力的下降，下降量的多少为计数的关键。可用公式   来对每一个装置解脱时压力釜内的压力降进行计算。
式中 为液体的容积模数，水的容积模数为：
 
    为液体的压力变化值，一般而言，压力釜加工完成后，釜内注水总容积 是已知的，被试产品解脱前和解脱后占有水的总容积之差 也是可计算的，故每一个装置解脱后压力釜内的压力降是可以计算出来的(在计算时，必须考虑压力釜内的背压，即 的数值应换算为常压下水的容积)。在程序设计中，通过分析压力传感器的数值可以判断被试产品是否解脱，从而对被试产品的解脱进行计数。

3 控制系统软件设计

    3.1   人机界面

    主要界面包括:试验参数设定窗口、报警窗口、实时数据窗口、数据查询窗口，系统管理等，界面友好，尽可能提高界面的智能化程度，减少操作者的工作量。在程序中设计了许多智能提示，尽可能能减少操作过程中的失误。
如：

    Private Sub cmdStart_Click()

    If Tim0 = 0 Then
    
    MsgBox "请输入程控曲线后再进行压力试验！", vbCritical, "操作提示"
    
    Exit Sub

    End If

    测控界面如下，图中曲线为解脱试验模式时测得的多个水压分离机构在不同时刻解脱时高压釜内的压力变化情况：

图2 系统监控图

    3.2  程序设计

    在程序设计过程中，分别针对泓格7060D开关量模块、7021模拟量输出模块、7012F模拟量输入模块编制了不同的程序控制模块。在程序运行过程中，每一个模块或多或少会和其它的模块有一些交错使用，而在同一个时间，串口只能和其中的一个模块通讯，如果模块之间的控制指令夹杂着使用会使程序设计变得复杂,往后的维护也会变得不易,为了防止出现这一问题,本装置在程序设计上采用了控制标识.如下程序片段所示:

    Private Sub Image10_Click() '电动阀开关
    
    Dim buf1$
    
    IntChar = True '数据采集中断
    
    If Image10.Picture = Image2(1).Picture Then '电动阀开状态
        
    MSComm1.Output = "#021301" & vbCr '电动阀单独控制开
        
    Image10.Picture = Image2(0).Picture '关状态

    ……

    IntChar = False '中断恢复，可以采集

    End Sub

    Private Sub Image7_Click() '主电机上电开关
    
    IntChar = True '数据采集中断
    
    Dim buf1$
    
    If Image7.Picture = Image2(1).Picture Then '开关断开状态
        
    If InStr(1, buf1, ">") <> 0 Then '命令发送成功
            
    Image7.Picture = Image2(0).Picture
            
    Image5.Picture = Image1(1).Picture
            
    IntChar = False '中断恢复，可以采集
        
    Else '命令发送不成功
            
    lblMsg.Caption = "7060模块通讯故障,请检查线路。"
            
    IntChar = False '中断恢复，可以采集
            
    Exit Sub
        
    End If

    Private Sub Image8_Click() '使能信号通开关

    IntChar = True '数据采集中断

    If Image8.Picture = Image2(1).Picture Then '使能开关为断开状态
      
    If Image7.Picture = Image2(1).Picture Then '电机主开关为断开状态
            
    MsgBox "请先给电机上电，再开使能开关！", vbCritical
            
    IntChar = False '中断恢复，可以采集
            
    Exit Sub

    End If

    ……
            
    IntChar = False '中断恢复，可以采集
            
    Exit Sub
        
    Else

    lblMsg.Caption = "7060模块通讯故障,请检查线路。"
            
    IntChar = False

    ……

    Else
            
    lblMsg.Caption = "7060模块通讯故障,请检查线路。"
            
    IntChar = False

    ……

    IntChar = False

    End Sub

    3.3 系统监控

    系统监控图如图2所示，软件主要完成的功能是对整个装置的运行进行监控，输入测控压力数据，对压力釜内的压力数据进行实时显示，并在压力运行参数出现异常时（如超出正常运行的上下限），弹出报警窗口，并停止压力输出。

    监控软件流程图如图3：  

图3 程序监控流程

4 抗干扰措施

    为了实现高精度的压力控制，防止噪声的干扰，采取抗干扰措施是必须的。在该装置中，采取了如下的抗干扰措施：1）采用伺服隔离变压器，将控制柜内电源与外供电电源隔离，降低了供电电源的干扰影响；2）在控制柜内，分别用两个独立的电源对模拟电路和数字电路供电，将模拟电路用地线与数字电路隔离，以增强抗干扰能力。3）为防止伺服电机驱动器的干扰，专门对该驱动器安装了一个专用的电抗器，实验证明效果良好；4）为了保证微机的正常工作，除软件上采取措施外，选用了泓格7000系列模块，它配置了看门狗电路，可使跑飞的程序恢复正常；5）在计算机串口与RS485网络之间选用了光电隔离的RS232／485转换模块，将信号输入端与计算机隔离，有效防止了信号输入端的噪声传入微机，提高了系统的可靠性；6）信号传输线采用屏蔽电缆，减少了电磁干扰；7）选用的高精度的压力传感器的输出信号为电流，在进入数据采集模块之前采用专用的电流/电压转换模块，降低了压力信号受到干扰的可能性。基于上述措施使本系统抗干扰性能较好。

5 结论

    由于本装置采用了分布式模块，形成了一个有机的RS485网络，数据采集及通讯可靠，使得压力控制的精度有了显著的提高，最终的压力控制精度达到了±0.005MPa，稳定性好，且维修方便。本装置投入使用后，经过一年多的运行，实际使用效果良好，运行稳定，大幅度地提高了工作效率及产品试验质量。

参考文献

1 范逸之、陈立元. 利用Visual Basic 实现串行并行通信技术.北京:清华大学出版社,2001.

2 范逸之.  Visual Basic与分布式监控系统－RS－232／485串行通信. 北京:清华大学出版社.2002

3 《机械设计手册》联合编写组编：《机械设计手册》上、中册   第二版 (修订)，1991年，化学工业出版社。

4 贾铭新 曹诚明 主编 《液压传动与控制》 1993年，哈尔滨工程大学出版社。