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 本老化测试台控制系统为主（上位机IPC）从（下位机PLC）式结构。下位机以PLC为核心掌控老化测试进程的控制权——运行控制程序，实现高、低压下手动／自动老化流程的循环顺序控制、限值比较、超限报警及数据通信校核等功能。通过分析老化测试流程与控制要求，制定了PLC控制系统的具体实施方案，如图2-4所示。

    PLC按照老化工艺流程及上位机的指令控制整个老化测试进程，从开关量I/O模块（或I/O单元）发出指令给各测试单元，同时接收各探测器反馈回的状态信号。将经A/D模块转换后的测量值与设定的上下限值进行比较，判断是否超限。如发生超限情况，PLC将根据控制要求产生声光报警和中止老化进程等相关动作。

    为了在保证测试数据真实有效且准确的前提下，尽可能地降低PLC控制系统的成本，提高测试效率，将探测器上所有被测模拟量信号调理为标准信号后，采取了将探测器的关键参数与一般参数按不同途径进行A/D转换的方法，如图2-4所示的①、④信号流，即将调理后的3路关键参数（“+28.5 V转接”、“+28.5 V消耗电流”和“磁控管电流”）的模拟信号直接送入PLC的A/D模块进行实时数据采集与A/D转换，转换得到的数字量再与限值比较，一旦发现严重超限，立即报警且切断该路探测器电源。由于A/D模块转换速度快（平均转换速度为1 ms/路），精度高(≤±0.5%FS)，确保了老化测试的准确、高效及探测器的安全。

    与此相对的6路一般参数的模拟信号则接入到测试单元内的一台智能巡回检测报警仪（以下简称巡检仪）上，该巡检仪的测量精度为+0.2%FS，巡检速度为5～10点／秒，使多路模拟信号就地进行A/D转换，这样可以有效地避免长线信号传输过程中的干扰。转换后的数字量再通过巡检仪上的RS-485串行通信接口传送到PLC中，PLC同样进行限值比较运算，一旦发现超限，立即报警但不切断电源。由于每个测试单元中都配有1台巡检仪，因此可以实现4台探测器上老化测试数据的并行处理，从而极大地提高了数据处理速度，降低了干扰。

    图2-4 PLC系统控制原理示意图

    本项目所选取的巡检仪是北京昆仑天辰公司生产的XSL系列智能巡回检测报警仪，它适用于5～80路模拟量的检测与报警，可以接入热电阻、热电偶、直流电流和直流电压等传感器、变送器信号，其基本误差小于0.2%FS，显示范围为-1999～9999，各通道独立设定输入信号类型、量程和报警值，可以独立设定数字滤波时间常数，有效地提高抗干扰能力；也可以独立设定零点和满度修正，有效地减小传感器误差，提高系统测量精度。还可以任意关闭不使用的通道，节省巡检时间。

    巡检仪上配有RS-232C或RS-485串行通信接口，数据通信的格式为10位（1位起始位，8位数据位，无奇偶校验位，1位停止位），通信速率可以设为2400 bps、4800 bps、9600 bps和19 200 bps，其中出厂默认设定值为9600 bps，用户可以在仪表的“bAud“参数项中修改波特率，但是必须与其连接对象设定为同一波特率。采用RS-485串行通信时的节点地址范围是00～99，出厂默认设定值为01，用户可以在仪表的“Add”参数项中修改地址，但是不能与其所在网络中其他仪表或设备设成同一地址号。该系列巡检仪RS-485串行通信的应答延迟时间不大于500μs，保证了快速、高效的数据传输。

    本项目所选取的巡检仪型号为XSL/A-32BS2P0V0，横式结构，外形尺寸为160 mm×84 mm×182 mm，检测32路标准量程的电流或电压模拟输入信号，配有RS-485串行通信接口，采用220 VAC外部供电，无打印功能。

    为保证老化测试的精度要求，本老化测试项目中为信号调理电路选取的电压传感器和二次测量仪表的精度等级均为0.2级；电流传感器和二次测量仪表的精度等级均为0.5级。任何一台计量仪表都需要定期检定，本老化测试台也不例外。为了方便计量检定部门对老化测试台进行定期检定，在每个测试单元上都预留了各个被测电压参数的外部测量孔。

    在图2-4中，探测器返回的射前检查应答帧数据，经RS-422串行通信接口传送至PLC。由后者来判断探测器内各分机是否工作正常，并做相应的处理。

    当需要更改老化测试的控制模式时，可以通过上位机组态软件在操作员确认后由自动控制模式切换为手动控制模式。手动老化测试时，上位机实施老化测试进程的控制权。当上位机向PLC下达自动老化指令后，就将老化进程的控制权授予了PLC，上位机只做管理工作，并显示老化进程中的状态和测量参数。上位机与PLC通过RS-232C串行通信接口进行数据交换。因此，在PLC硬件选型时需综合考虑上位机、巡检仪和探测器的串行通信接口分配及其相关设置的问题。

上位机以IPC为核心管理整个老化过程，通过RS-232C串行通信接口与PLC进行实时数据通信，波特率为9600 bps。它向PLC实时发出控制指令，监控PLC的数据区状态，并实时显示被老化探测器的各项测试参数。每台被测对象都有独立的测试数据显示窗口，同时显示设备编号、老化循环周期、电压／电流参数、工作状态等。如有超限情况，显示数据会变色并闪烁。测试数据的刷新频率为1 Hz，实时数据的记录间隔为1次／5 min（来自甲方技术要求，可以更改）。老化结束后可以自动生成并打印测试数据报表，以备查询之用。当发生超限时，记录超限数据的时间和当前值，并在记录间隔内记录大偏差值。IPC还能够按照产品编号、老化日期、操作员姓名等关键词进行老化测试数据的查询。本项目选取了品牌研华P4工控机作为上位机。

    软件系统作为控制系统的重要组成部分，既要具有实用性、安全性、易用性、可维护性的特点，又要具有先进性、可扩充性、升级简便的特色。本老化测试台控制系统的软件部分由上位机管理软件和PLC专用编程软件组成，PLC编程软件因制造商而异，但是梯形图编程语言却被各厂家，编程方式大同小异，只是在指令符号和功能上略有区别。

    上位机管理软件是在bbbbbbs 2000操作系统下利用工控组态软件进行二次开发的。与bbbbbbs XP相比，bbbbbbs 2000是一个较为成熟、稳定且适合于工控领域的操作系统。为保证数据库和老化产品的安全，软件功能的使用分为管理员、质检员和测试员三个级别。管理员级别高，除了具有质检员和测试员的权限外，还可以增加或删减质检员和测试员；质检员有设定和修改各项被测参数的限值及误差范围的权限，但无操作权；测试员则仅有操作权。

    就工控组态软件而言，它是指在数据采集与过程控制中使用的专用软件，是在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境，为用户提供快速构建工业自动控制系统监控功能的一种软件工具。本项目选取了由北京昆仑自动化有限公司研制开发的一款中文监控组态软件（英文全称为Monitor and Control Generated System，即“监视与控制通用系统”），它具有简单灵活的可视化操作界面、组态简便直观、数据处理能力强的特点。目前，市场上可供选择的工控组态软件产品较多，欲了解详情可参阅相关产品手册。

    针对老化测试台系统开发的组态应用程序的组织结构如图2-5所示。从图中可以看出老化测试台的组态应用程序由“设备组态”、“数据库组态”、“策略组态”、“主控窗口”和“用户窗口”五部分组成，其中“用户窗口”包含了15个子窗口。实际上在系统运行时操作员只能看到“用户窗口”，故而“用户窗口”通常称为系统的“前台”，其余部分通常称为系统的“后台”，下面简要介绍各部分的组态内容。

图2-5 老化测试台组态应用程序的组织结构

 (1)设备组态

 本老化测试台的设备组态主要功能是设定PLC与的通信连接方式及参数，设备组态窗口示例如图2-6所示。组态包括“设备0”组态和“设备1”组态，图中显示了“设备0”的组态窗口，逐项设置完成后，当运行时即可自动实现PLC的指定内存区与数据库之间的实时数据交换，其中还包括数据交换前的预处理等功能。

    图2-6 设备组态窗口示例

 (2)数据库组态

 在中数据是在实时数据库中进行组态的，即设定数据的类型，如开关型、数值型、字符型与事件型等，数据库组态窗口示例如图2-7所示。数据库是在系统进行存盘操作时自动建立的，它使用的是bbbbbbs 2000操作系统中的Access数据库。

 (3)策略组态

 运行策略可以视为的控制器，它是由若干策略块组成的，按照条件完成一系列规定的操作，策略组态窗口示例如图2-8所示。

图2-7 数据库组态窗口示例

图2-8 策略组态窗口示例

 (4)主控窗口

 在中主控窗口可以视为用户窗口的管理器，它可以通过建立下拉菜单的方式管理用户窗口，可以实现用户登录、用户窗口的打开与关闭、窗口级别的权限设定等功能。主控窗口示例如图2-9所示。

图2-9 主控窗口示例

    (5)用户窗口

    在中根据老化测试要求需要建立多个用户窗口，分别实现老化操作、报警显示、参数修改及显示、查询、打印等功能。其中某型探测器的老化操作窗口示例如图2-10所示，可以通过菜单项切换到其他窗口。

    图2-10 老化操作窗口示例

    在老化操作窗口中的具体操作包括：输入待测探测器产品编号、设定循环数、选择手动／自动控制模式等。在自动模式下，启动总开关开始老化测试过程，由PLC按照老化流程依次发出各指令，在图2-10窗口下部的各指令开关会依次接通，反映测试进程。窗口中部将实时显示各模拟量信号的测量转换值及探测器反馈的状态指示。

    在手动模式下，启动总开关后，需由操作员按照老化流程逐一手动接通图2-10窗口下部的各指令开关，注意必须严格按照老化测试流程的先后顺序操作。手动操作顺序可能发生错误，PLC应在程序中考虑到防范措施，不给人为失误以可乘之机，威胁产品安全。

    在参数修改窗口中，可以实时监视测试数据是否超限，并可由管理员或质检员修改关键参数与一般参数的上下限值。参数修改窗口示例如图2-11所示。

    测试运行窗口示例如图2-12所示。在运行窗口中，可以同时监控4台探测器的测试进程及主要信息，这些信息包括已老化的循环数、产品编号、控制模式、测试所处阶段，以及有无报警等。

    后需要特别注意的是，运行组态应用程序时必须保证IPC与PLC的RS-232C串行通信正常，须采取必要抗干扰措施防范。一旦通信中断，PLC将仍按其内部控制程序“驾驭”老化过程，我行我素，不受IPC的支配；IPC则无法从PLC上采集到实时测试数据，老化进程的各项信息将失真，所幸PLC会“忠实”地执行程序，对产品安全无害。一旦判定RS-232C串行通信中断，即使不影响产品安全，但因终无法生成测试报表，所做老化周期将悉数作废，这将延长老化测试时间，也不利于产品寿命，所以应当在组态应用程序和PLC控制程序中都加入通信正常与否的判定条件，一旦通信中断，立即中止老化测试过程，并做声光报警提示操作员解决问题。

 所谓PLC系统的硬件设计是指以满足工艺要求为准，选用或制作控制器、执行器、传感器、动力装置及机械装置，除了要求各独立组成部分的性能高以外，更强调控制器、执行器、传感器、动力装置、机械装置这五者之间的协调与配合。

    例如，对于交流调速系统，各厂家的变频器都有模拟量设定（电压／电流设定），但有的变频器没有速度反馈输入端，无法构成速度闭环控制系统，对于这种情况，除了选用模拟量输出单元外，还要选用高速计数单元，使用编码器（或脉冲型传感器）作为反馈元件，由高速计数单元对反馈脉冲进行计数，由主机（CPU单元）、D/A单元、高速计数单元、变频器、交流电动机及编码器等构成速度闭环控制系统。

    有些厂家的变频器具有模拟量速度反馈接口，可选用模拟式速度传感器，由变频器本身构成速度闭环控制系统；有些厂家的变频器具有脉冲量速度反馈接口，可选用脉冲式速度传感器，由变频器本身构成速度闭环控制系统。在这种情况下，只需选用D/A单元，PLC对各台电动机进行速度设定、速度调节就可实现多电动机协调同步运行。

    有些厂家的变频器设有RS-232C、RS-485或现场总线（如ProfiBus）通信端口，可选用带有相应通信端口的增量式旋转编码器，利用通信实现PLC与变频器及编码器的信息交换，构成网络化控制系统，对于该系统建议采用通信速率高的总线，如ProfiBus现场总线。

    对于位置控制系统，比调速系统的要求更高，控制方式有半闭环和全闭环之分。对于半闭环控制系统，反馈信号来自伺服电动机轴上的位置传感器（值旋转编码器或增量式旋转编码器），反馈信号送到伺服驱动器或位置控制单元。对于伺服电动机而言，构成了位置闭环控制系统；但是，对于被控对象（如刀架或工作台）的位置而言，由于没有位置反馈而属于开环，在机械制造业中称这种控制为半闭环控制。

    在伺服电动机闭环控制的基础上，如果对被控对象的位置进行检测并构成位置闭环控制，则构成全闭环控制系统。全闭环控制对系统的各个部分都提出了很高的要求。

    采用半闭环控制的个原因是电动机轴到被控对象之间存在一系列的传动部件，传动链越长，存在间隙的数目就越多，应用自动控制理论来分析，若采用全闭环控制方式，间隙非线性特性会造成闭环控制系统的自持振荡，即产生极限环，这种高频小幅度的振荡会严重地影响产品的质量。

    采用半闭环控制的第二个原因是处于传动链中的机械部件会产生一定的弹性变形，相当于弹簧部件，弹性部件数量越多，全闭环控制系统的微分方程的阶次也越高，从而影响系统的稳定性和动态性能。

    在要求高性能、高精度的场合，则需要采用全闭环控制系统，它对机械部件的材质、强度、刚度、加工精度、配合精度，以及动力学特性都提出了很高的要求。为了克服全闭环控制系统存在的固有困难，对控制器也提出了更高的要求，在控制技术和控制方法方面，应采用防抖动控制、抑制超调控制、抑制谐振控制、双重位置闭环控制、增益自动整定控制、系统辨识、自适应控制，以及智能控制等多种新技术和新方法。

    通过对交流调速系统和位置控制系统的简要介绍，表明了控制器、执行器、驱动器（动力装置）、传感器、机械装置这五者之间应有的协调与配合关系，并指出了自动控制理论的