基于LabWindows/CVI 的伺服液压轨道衡校验系统的程序设计

张荣军，孙雁

(航天科技集团公司第四十四研究所，陕西西安 710025)

随着国民经济的快速发展，物流业迅速发展，铁路、公路运输量也随之剧增，生产加工过程的质量、能量控制也越来越得到重视，电子衡器的最大称量和结构尺寸也相应地发生了较大的变化，量程由几十吨增加至几百吨，特别是随着冶金等行业工艺类称重设备的应用，量程范围已扩展至近千吨。传统的实物校验、砝码校验耗时、费力，已难以满足衡器校验需求，校验方法和校验手段成为当前大型衡器计量的重要课题。

计算机控制的液压轨道衡校验系统是针对大型轨道衡实施校验的专用校验系统，完全可以替代传统的校验方式，能够按照检定规程要求对大型轨道衡实施自动快速校验。

1 校验原理

伺服液压轨道衡校验系统基于液压比对力源技术，实现方式为:液压工作站通过液压执行结构产生载荷，通过标准传感器作用于轨道衡秤体，标准传感器信号作为反馈信号被实时采集进入数据处理单元，数据处理单元经过解析处理，根据处理结果和控制算法，控制相应的液压执行机构，来实现对设定载荷值加载以及载荷值的稳定。原理图如图1 所示。

图1 校验原理图

2 系统硬件设计

伺服液压轨道衡校验系统是一个柔性模块式标准力源，采用了多模式反馈压力控制技术、多路压力平衡技术，实现载荷值的准确控制。通过通道开/闭组合，实现轨道衡偏载校验;在载荷值允许范围内，载荷值可以任意设定。

伺服液压轨道衡校验系统的硬件构成如图2 所示。主机采用台湾研华IPC610 工控机。数字信号处理器采用美国吉时利2000 型数字万用表，具有真六位半(22 b)的稳定数据显示，同时采用高速低噪声A/D 转换技术，具备高线性、低噪声、低漂移的特性，实现对标准称重传感器信号的采集。

图2 系统硬件构成图

考虑系统控制精度及伺服放大器接口电路的匹配，选用北京宏拓公司PCI7464 板卡。此卡是一种多功能、高性能综合数据采集板卡，有4 路16 位独立D/A 输出、16 路TTL 电平开关量输入、16 路TTL 电平开关量输出，具有集成度高、功能强大、可靠性好、数据采集稳定的特点，可实现对伺服开度及方向的控制;同时D/A 输出信号作为比例压力调节阀的输入线号，实现对液压工作站出口压力的控制。

选用研华PCL735 的开关量输出功能，来控制各路电磁无泄球阀的开启，实现通道的加载或卸载。伺服阀选用上海船舶设备研究所生产的射流管型电液伺服阀，靠射流喷嘴喷射工作液，将压力能变成动能，控制两个接受孔获得能量的比例来进行力的控制，具有抗污染性强、可靠性强、使用寿命长等特点。

3 系统软件设计

LabWindows/CVI 以ANSI C 为核心，将功能强大、使用灵活的C 语言平台界与用于数据采集、分析和表达的测控专业工具有机地结合起来。它的集成化开发平台、交互式编程方法、丰富的功能面板和函数库大大增强了C 语言的功能，是数据采集系统、过程监控系统、测试系统理想的软件开发环境。

系统软件以LabWindows/CVl 为平台，主要由5个功能模块组成:接口驱动模块、系统自校准标定模块、在线校准模块、数据管理模块组成，其软件实现过程具体如下:

3.1 接口驱动模块

3.1.1 RS232 通信

工控机和吉时利2000 型数字万用表之间的通信采用标准的RS232，RS232 是美国电子工业协会EIA制定的一种串行物理接口标准。作为LabWindows/CVI 的标准函数库之一，RS232 函数库提供了丰富的串口通信控制函数和I/O 函数，按照功能可以划分为打开/关闭函数、I/O 读写函数、调制解调器控制、串口设置、寄存器状态函数、回调函数等。该系统通过RS232 接口的操作函数实现对吉时利2000 型数字万用表的设置控制及读数操作。

部分源代码如下:

3.1.2 LabWindows/CVI 对D/A 板卡的操作

PCI-7464 板卡提供Win2000/XP/NT 下的函数及测试程序，但没有提供LabWindows/CVI 环境下的相关函数。对此作者利用LabWindows/CVI 基于C 语言的内核，编制LabWindows/CVI 环境下动态链接库，然后通过调用动态链接库，实现了对PCI-7464 板卡的数模转换操作。动态链接库源代码如下:

3.1.3 LabWindows/CVI 中I/O 板的实现

系统选用研华PCL735 开关量输出板卡，来控制电磁球阀的开启，实现通道的加载或卸载。对此利用LabWindows/CVI 基于C 语言的内核，直接对I/O 接口进行底层操作，代码简洁。具体如下:

outp (0x300，n);///输出开关量信号，0x300 为基地址，n 为对应通道进行开关量设置值

3.2 测试系统标定模块

标定模块为系统关键模块，主要实现系统加载值的校准，校准后系统的精度直接影响衡器校准的精度。该模块具有基本参数的设置功能(包含:滤波参数、置零范围、波特率、分度值、小数点、满量程及修正系数等)、标定功能(按键操作来实现)。其界面如图3 所示。

图3 测试系统标定模块界面

3.3 在线衡器校准模块

该模块为系统的核心模块，直接面向用户，主要实现对衡器的在线校验。主要功能包括:对液压工作站的控制，加载过程及卸载过程控制。

液压工作站运行正常后，显示压力值达到设定值。选定加载通道及加载模式，设定加载值，启动加载，系统自动实现设定值的加载及稳定。加载过程通过数字和曲线等形式实时显示。在线衡器校准模块界面如图4 所示。

图4 在线衡器校准模块界面

图5 控制流程图

校准模块的关键是实现对设定值控制。该系统液压管路长、执行机构多 (8～16 路)，同时液压系统自身存在的缓爬、泄漏因素以及液压系统工作过程中惯性负载的变化，尤其是阀控动力机构流量非线性等因素，导致控制过程复杂。对此，采用模糊自整定的数字PID，将模糊控制与PID 控制结合，利用模糊控制对PID 参数进行实时修正，提高了系统的控制精度和鲁棒性，有较好的实用性。控制流程图见图5。

模糊自整定的数字PID 控制器是在常规调节器的基础上以误差e 和误差变化de 作为模糊控制器的输入，输出量为整定的PID 参数Ki、Kp、Kd。在控制过程中，通过不断检测e 及de，同时根据模糊控制理论对PID 的3 个参数进行在线修正，可以满足不同时刻的e 和de 对PID 参数自整定的要求。系统基于Lab-Windows/CVI 编制的模糊自整定的数字PID 控制部分源代码如下:

3.4 数据管理模块

数据管理模块主要功能:实现校验数据的存储、处理、回访、打印。LabWindows/CVI 提供了丰富的DDE 函数库，包含服务器类函数、客户类函数和检查错误函数。此软件采用了LabWindows/CVI 的动态数据交换技术(DDE)，通过DDE 函数实现了和其他程序(Microsoft Excel)的数据交互，借助Microsoft Excel 的强大功能实现了数据的处理、回访、打印。

4 结束语

伺服液压轨道衡校验的系统是集通信、I/O 控制、D/A 转换、模糊数字PID 控制等于一体的综合液压校准平台。系统软件开发利用了LabWindows/CVI 集成化开发平台、交互式编程方法、强大的函数功能及图形用户接口(GUI)功能，实现了大型衡器高精度、快速校验。

目前，该系统已成功应用于国内多家大型钢铁企业，通过计量部门的计量检定，加载精度优于0.1%，量程段力值稳定时间大于30 s。实际应用表明:系统具有加载力值精度高，力值稳定性能良好、高安全可靠性、操作方便、校秤效率高等优点，完全能够满足大型衡器的校验要求。

［1］陆军华，兰诗涛，王文，等.液压式力标准机的自动控制研究［J］.机床与液压，2004(5):80 -81.

［2］宋宇峰.LabWindows/CVI 逐步深入与开发实例［M］.北京:机械工业出版社，2003.

［3］全国衡器标准化技术委员会.GB/T 15561-2008 静态电子轨道衡［S］.北京:中国标准出版社，2009.

［4］刘长年.液压伺服系统分析与设计［M］.北京:科学出版社，1985.