一种用于功率超声的远程控制方法

孔亚广， 杨耀臻

(杭州电子科技大学 自动化学院，浙江 杭州310018)

目前功率超声广泛应用于机械、电子、电器、冶金、化工、医药、能源、材料、纺织、农业、环保等许多重要领域［1］。同时，随着生产规模的扩大，功率超声的应用也从小型化向规模化、自动化方向发展。而传统的超声波振动系统仅支持对单台设备进行控制，无法实现远程联网控制，更无法实现定制化操作，难以满足自动化生产的要求。为此，文中通过设计一种超声波远程应用的网络架构，实现对超声波振动系统的远程控制，同时可根据用户要求定制各种控制方案，实现自动化、智能化生产。

1 项目整体网络架构

根据用户提出的需求，文中所实现的功率超声自动控制系统需具备如下功能:

1)系统由两套控制柜组成，每套控制柜包含24 台超声波振动系统，每台超声波振动系统包括一台数控超声波发生器和一只2 kW 振动子。

2)控制柜安放在工艺现场，每台摆放在现场的控制柜均配置触摸屏实现对该控制柜下24 套超声波振动系统的启停、搜频及功率参数设置等功能。同时在中控室摆放一台操作员站，该操作员站需实现对48 套超声波振动系统的远程控制。

3)由于48 套振动系统同时启动会出现启动功率过大，导致电力系统无法承载，为此要求该自动控制系统需实现对48 套振动系统的顺序启动，以避免驱动负载过大。

4)每台超声波发生器需具备自动搜频功能，无需人工设定。同时系统需保证每台超声波振动系统振幅恒定，并适应工作负载的变化。

针对上述需求，设计了如图1 所示的网络架构连接图。该系统通过具备以太网转发功能的串口服务器实现超声波电源与触摸屏之间的数据通信。

图1 系统网络架构Fig.1 System network architecture

项目配置了2 台8 端口串口服务器，每台串口服务器采用了6 端口，每端口通过串口连接4 台超声波发生器，串口服务器和超声波发生器之间采用MODBUS 协议进行通信。MODBUS 协议是工业控制器网络协议中的一种，采用主从通信模式，是工业过程中广泛采用的一种通信方式［2］。

同时为支持触摸屏就地控制和中控室操作员站的远程控制，文中采用的串口服务器还具备了以太网数据转发功能。该串口服务器提供以太网接口，采用组播［3］通信的方式将从超声波发生器采集的数据转发至触摸屏和操作员站。另外，通过点对点方式接收来自触摸屏或操作员站的指令，并通过MODBUS 协议实现对超声波发生器的控制。本项目还基于触摸屏提供的驱动接口编写了相关驱动，以使触摸屏支持文中所描述的通信方式，实现与超声波发生器的数据交互。串口服务器的组播功能实现代码如下:

sprintf(strMultiIp，"225.10.10.

%d"，g_iMultiAddr);

mreq.imr_multiaddr.s_addr

= inet_addr(strMultiIp);

mreq.imr_interface.s_addr = htonl (INADDR_

ANY);setsockopt(g_iRecvSocket ，

IPPROTO_IP，IP_ADD_MEMBERSHIP，

＆mreq，sizeof(mreq));

其中strMultiIp 为组播地址。其他以太网节点，包括操作员站和触摸屏，均作为客户端节点加入该组播地址。从而在组播上任意点广播的数据，通过执行sendto(g_iSendSocket，pData，len，0，(struct sockaddr* )＆g_sdMultiAddr，sizeof(g_sdMultiAddr))来发送数据。g_sdMultiAddr1.sin_addr.s_addr = inet_addr(strMultiIp)，pData 为要发送数据的首地址。其他节点在其网络接收线程中通过调用 recvfrom(g_iRecvSocket，g_sRecvBuf，sizeof(g_sRecvBuf)，0，(structsockaddr* )＆fromip，(socklen_t * )＆fromlen)来接收组播数据。

操作员站监控软件采用与串口服务器相配套的组态软件，以实现对超声振动系统的远程监控。

2 超声波发生器控制方案

超声波振动系统是一个谐振系统，要求发生器的输出信号频率能对在工作中变化的换能器谐振频率进行跟踪。目前常用的频率跟踪控制方案有以下几种［4-7］:

1)声跟踪:声耦合方式，从换能器上采集谐振频率的电信号，反馈形成自激振荡器。

2)电跟踪:电跟踪方式，其主要形式有:阻抗电桥形式的动态反馈系统、负载分压方式的反馈系统和锁相式频率自动跟踪。

3)数字控制方式:通过对系统工作电流或者换能器振幅进行在线测量、辨识，利用单片机或者DSP等控制芯片计算控制量，改变工作频率至最佳值。

文中所采用的数字超声波发生器采用数字控制方式，实现对超声波振动系统的频率实时跟踪以及功率控制，其结构如图2 所示。控制算法上则利用输出PWM 波形的电压信号与电流互感器所得电流信号间的相位差，进行PWM 波形频率的调节，从而实现将相位差控制在一个较小的范围内。由于在项目运行过程中，液体流量会发生大幅变化，导致超声振动系统负载波动较大，造成谐振频率和功率控制变化较大。为此，本项目所实施的超声波发生器还特别实现了动态负载自适应控制和保护系统，以使得振动系统振幅恒定，具体采用控制策略为PI 控制，Δu(k)= Kp(e(k)－e(k－1))+Ki* e(k)。其中Δu(k)为PWM 输出电压幅值增量，e(k)为系统电流设定值与检测的换能器端电流值的差，Kp，Ki分别为比例系数和积分系数。由于换能器端采样电流存在检测干扰，需做数字滤波和系统标定。

图2 它激式超声波发生器结构示意Fig.2 Diagram of external drive ultrasonic generator architecture

由于本系统需同时支持操作员站和触摸屏就地控制，为此本项目所研发的超声波驱动电源提供有串口RS485，并支持标准的Modbus 通信协议，可通过Modbus RTU 协议对搜频启动、系统运行、功率设置等参数进行读写，同时将超声波电源运行状态通过串口服务器实时转发给触摸屏和操作员站。

3 一键搜频功能实现

在一键搜频过程中，多台控制站同时搜频，搜频功率过大，产生的瞬间电流过大，不利于设备的正常运行，因此需要在搜频时实现超声波发生器的顺序启动功能，即从第1，2 号超声波发生器开始，每两台一起搜频，间隔时间为8 s，再开始下两台的搜频，从而避免搜频瞬间电流过大。由于文中所选用的串口服务器自带CPU，支持采用IEC61131-3 标准的编程语言实现的控制算法［8］。为此通过FBD 语言实现对超声波发生器的一键搜频及顺序启动要求，其实现方式如图3 所示。其中，TON 为延时开计时模块，其时序如图4 所示。

图3 一键搜频FBD 程序Fig.3 One key search frequency FBD program

图4 TON 模块时序Fig.4 TON module timing diagram

具体运行方式:当在操作员站或触摸屏端点击“一键搜频”按钮后，“一键搜频”变量被赋值为ON，开放延时计时器(TON)EN 使能，TON 开始工作;在计时2 个周期后，其输出值为ON，分别开放MOV(赋值)功能块的使能，将ON 分别赋值给“搜频开关1”、“搜频开关2”。XOR_BOOL(异或功能块)的作用是如果设备1 或设备2 已经搜频完成，防止再次进行搜频。这里搜频开关1 和搜频开关2 分别对应一台超声波振动系统的搜频按钮。

对于每套控制柜的24 台超声波振动系统，分为12 个小组，实现对每台超声波设备的延时搜频，对每个小组而言，只需要复制图3 所示的算法程序，并将TON 功能块的PT 引脚值赋予2 +16* N 即可。其中N 为小组编号，从0 ～11，从而实现超声波发生器的顺序启动。

由于本项目采用了两台串口服务器，图3 所示的每台超声波振动系统的搜频控制算法是运行在其对应的串口服务器上的，要保证48 台超声波振动系统的顺序搜频，就需要设置一个变量，以保证两台串口服务器间的时序。为此，利用该串口服务器所提供的数据共享功能，在1#串口服务器设置了一个变量bSFEnd(表明对该串口服务器的24 台超声波振动系统搜频结束)，该变量在1# 串口服务器的第12 组超声波振动系统搜频结束后被设置为TRUE。而在2#串口服务器中监听该变量的值，当发现该值为TRUE 后，2#串口服务器的第1 组开始搜频，其控制程序如图5 所示。

具体运行方式:当1# 串口服务器的第12 组超声波振动系统搜频结束后bSFEnd 被置为TRUE。由于2#串口服务器中监听该变量的值，所以使2# 串口服务器第1 组的TON 模块EN 被值为TRUE，开放延时计时器(TON)EN 使能，TON 开始工作;在计时2 个周期后，其输出值为ON，分别开放MOV(赋值)功能块的使能，将ON 分别赋值给“搜频开关25”、“搜频开关26”。

两台串口服务器的数据共享功能同样是通过组播的方式来进行数据通信的，具体方法参见第1部分所述。

图5 2#串口服务器第1 组控制程序Fig.5 2# serial port server 1st group control program

4 触摸屏组态软件功能的实现

文中采用的触摸屏为FE2000 系列，由于本项目针对串口服务器开发了FE2000 触摸屏的数据驱动，组态画面与数据驱动之间，通过LW 和LB 来交换数据。

而该串口服务器所转发的数据均为float 类型变量，为此必须采用FD2000 的宏指令来实现对数据类型的转换，将bit 类型变量转化为float 型。具体方法:单击【选项】菜单→【加入宏代码】创建宏后，系统会弹出【建立宏】对话框，点击【建立】进入宏代码编辑窗口，在编写宏代码前，首先在【宏代码变量窗口】列表区域定义变量如图6 所示。

图6 定义宏代码变量Fig.6 Definition of macro code variables

其中地址40 为根据数据驱动接口所对应的变量ID，地址0 是根据触摸屏内部变量的要求设定的。

宏代码:

intMacroEntry()

{

if(LB0 = = 0){LW0 = 0;}

if(LB0 = = 1){LW0 = 1;}

}

经过宏指令代码，可以将触摸屏上的按钮开关bit 型转换为串口服务器所需要的float 类型，从而使得串口服务器能够接收正确的操控指令并转发给超声波发生器;当然同样需要写一段宏代码，将串口服务器的float 型转换为bit 型，以使触摸屏能够正常显示相应的按钮状态，如图7 所示。

该触摸屏提供了以太网接口，与串口服务器、操作员站同处于一个局域网内，这样触摸屏的操作指令及效果可实时在操作员中加以显示和监控。

5 结 语

本项目在现场调试时，出现个别设备通信接口接触不良以及操作太过频繁的情况，此时可能会出现串口服务器无法进行正常数据转发和通信的故障。这是因为文中所采用的串口服务器采用固定周期读取超声波设备状态，当某台设备出现通信故障后，由于串口服务器会出现通信超时，并尝试多次连接，导致CPU 的占用率过高，从而降低了运算和通信能力，影响正常通信。

图7 运行界面Fig.7 Operation window

为此文中将串口服务器的通信方式进行了部分改进，当出现某台设备与串口服务器通信故障后，系统自动将该台故障设备的通信周期加以延长，直到某次通信正常后再将通信周期恢复为正常值，从而使得系统CPU 维持在一个较低的水平，当单台通信故障后不至于影响对其他设备的通信。

文中给出了一种超声波远程控制的应用实例，这种方式灵活、方便，可靠性高，既实现了对超声波振动系统的就地自动控制，也实现了操作员站的远程控制，大大提高了超声波系统的自动化水平。

［1］陈思中.我国功率超声技术近况与应用进展［J］.声学技术，2002，21(1/2):46-49.

CHEN Sizhong.The present situation and its application developing trend of high power ultrasonic technique in China［J］.Technical Acoustics，2002，21(1/2):46-49.(in Chinese)

［2］卢文俊，冷杉，杨建军.基于Modbus 协议的控制器远程监控系统［J］.电力自动化设备，2003，23(6):54-56.

LU Wenjun，LENG Shan，YANG Jianjun. Remote monitoring system with Modbus-based controllers［J］. Electric Power Automation Equipment，2003，23(6):54-56.(in Chinese)

［3］金海，朱漳楠，蒋文斌.Ad Hoc 下基于IP 组播的屏幕共享机制［J］.华中科技大学学报，2008，36(1):63-67.

JIN Hai，ZHU Zhangnan，JIANG Wenbin. IP multicast-based remote screen sharing mechanism in Ad Hoc network［J］. J Huazhong University of Science and Tech:Natural Science Edition，2008，36(1):63-67.(in Chinese)

［4］徐涛.超声波发生器电源技术的发展［J］.洗净技术，2003(4):10-15.

XU Tiao. The development of power supply used in supersonic generaton［J］. Cleaning Technology，2003(4):10-15. (in Chinese)

［5］翟伟翔，白焰，翟玲玲.智能化功率超声电源的研制［J］.电力电子技术，2006，40(6):65-67.

ZHAI Weixiang，BAI Yan，ZHAI Lingling.Development of intelligent power ultrasonic power supply［J］.Power Electronics，2006，40(6):65-67.(in Chinese)

［6］WANG Yingbiao，LIU Chuanshao，ZHAO Bo. The present research and its application developing trend of power ultrasonic technology［J］.Echanical research and application，2006，19(4):121-123.

［7］JIANG Li，LI Huiyong，WANG Fuliang. Research of ultrasonic power supply in wire bonding based on FPGA［J］. Piezo Electectrics and Acoustoopitics，2009，31(3):358-363.

［8］巩向信，葛益军.IEC 61131-3 编程语言的现状与趋势［J］.控制工程，2007，14(1):99-101.

GONG Xiangxin，GE Yijun. Actuality and development trend of programming language based on IEC 61131-3［J］. Control Engineering of China，2007，14(1):99-101.(in Chinese)