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2007年全国塑性加工理论与新技术学术研讨会2007年5月沈阳396基于NI产品的热力模拟实验机测控系统苏海龙，骆宗安，魏瑾，张殿华(东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室,辽宁沈阳110004)摘要：利用NI产品的实时控制器、数据采集卡、labVIEWRT软件及S7-300PLC开发出具有自主知识产权的热力模拟实验机的测控系统，即高速、高精度、多实时闭环控制及数据采集系统，填补了我国热力模拟实验机研制的空白。关键词：LabVIEWRT；M系列数据采集卡；S7-300-2DPTest-ControlSystemofThermo-MechanicalSimulatorBasedonNiProductsSUHailong,LUOZongan,WEIJin,ZHANGDianhua(TheStateKeyLaboratoryofRolling&Automation,NortheasternUniversity,Shenyang110004,China)Abstract:Openoutthetest-controlsystemofthermo-mechanicalsimulatorthatpossessesindependence-knowledgepropertyright,usesrealtimecontroller,datacollector,LabVIEWRTsoftwareandS7-300.Itishighspeed,highprecision,morerealtimeclosedloopcontrolanddataacquisitionsystem,fillsuptheblankofresearchonthermo-mechanicalsimulatormadeinchina.KeyWords:LabVIEWRT,Mseriesdatacollector,S7-300-2DP1序言金属材料在连铸、压力加工、热处理、焊接等热加工过程中，以及在成品的实际使用过程中，会产生各种物理和力学行为，同时其微观组织性能也会发生改变，为了能更快、更精确、更经济地研究金属材料在接近实际情况下的组织性能变换规律，人们研制出了采用小试样快速进行物理模拟的实验设备，即机热力模拟实验机。但这种实验设备是一个集加工工艺、机械、液压、真空、电气等多学科相结合的产品，尤其对控制系统要求非常苛刻，如几个位置闭环和压力闭环控制周期为1ms，温度闭环为10ms，同时还要进行高速数据采集。为此，我们采用了NI硬件和软件产品，经过多次实验，成功地完成了该实验机测控系统的研制。由于LabVIEW是图形化语言，结构清晰，可无限层地嵌套，代码效率高，人机界面及数据处理更是方便快捷，因此极大地缩短了产品的开发周期。物理模拟是材料及塑性加工科学研究由“经验”走向“科学”，由“定性”走向“定量”的桥梁，因此热力模拟实验机的研制具有广泛的前景。2模拟机的工作过程热力模拟实验机的任务就是模拟金属在加热状态下，发生各种形变时，记录下整个实验过程工艺数据的变化，如温度、力、位移、应力、应变等，进而分析研究其相变、结晶等变化规律。工作原理是利用直接焊在试样（柱状或板状）轴心处的热电偶丝测量温度，采用变压器原侧调节可控硅，使接在变压器副侧的试样进行直接电阻加热，即试样中通过低电压、大电流而被快速加热。然后通过控制伺服阀推动液压缸控制锤头打击试样，使其快速变形，并记录试样变形过程的所有相关参数。为了防止试样在加热过程中被氧化，在操作箱抽真空或充以惰性气体，也可以在加热过程中对试样喷水、气、水气混合进行淬火。3控制系统构成2007年全国塑性加工理论与新技术学术研讨会2007年5月沈阳397该实验机中有许多模拟量控制闭环，有两个位置闭环，一个是控制锤头移动的闭环，另一个是推出试样变形量及定位控制位置闭环，压力闭环，试样温度控制闭环，扭转控制闭环、真空度、淬火水流量控制等。由于闭环控制时的采样率为1000s/s,而实验数据的采样率要求可变，有时为闭环控制采样率的几十倍甚至上百倍。为了解决闭环控制和数据采集同时进行而采样率不同的矛盾，而采用上位机完成人机界面及数据采集任务，下位机作实时闭环控制，并将数据通过以太网发送到显示计算机。硬件配置见图1。图1硬件配置控制系统中模拟量采用18位分辨率的数据采集卡，脉冲量采用32位分辨率定时/记数器，开关量采用具有隔离功能继电器输入/输出卡。3.1实时控制任务实时控制器通过TCP/IP协议从上位机接收到闭环控制参数，利用一个状态机结构的主程序调用相应的模块化子程序来完成不同的控制任务。由于LabVIEW软件提供了上位机/下位机通过TCP/IP通讯的程序例子，经过适当地修改，就可以使控制人机界面计算机的参数和控制过程检测的数据通过RTFIFO在上位机程序和实时控制闭环子程序间自由地传递，编程速度得到极大地提高，使编程者集中精力完成自己的控制程序的开发。模拟量的控制，如温度、压力的闭环控制采用18位分辨率的PXI-6281M多功能数据采集卡，使闭环控制的精度比PXI-6052E高了一个数量级，而成本却降低了四成多。位置闭环控制使用了32位分辨率的定时/计数器PXI-6602，将采集到的位移传感器-MTS输出的PWM脉冲信号，经过标度变换折算成位移量，经过PID运算将控制信号通过PXI6733输出一个±10mA的模拟信号控制高响应伺服阀，完成精确的位置闭环控制。在位置闭环控制的同时有一个力的闭环控制，因为工艺要求锤头在接触到试样后，以一个恒定的力使试样变形。扭转控制通过PXI-6602采集雷恩增量编码器输出的TTL脉冲信号，与设定参数比较，经过控制算法后输出电压信号控制伺服阀，使液压马达旋转带动旋转轴转动。3.2数据采集在恒应变速率压缩实验中，根据实验要求，被加热到1300℃左右的试样，其变形过程持续的时间由一个工艺参数ε&（恒应变速率）决定，即ε&/))/(ln(00hhhtΔ−=（0h-试样的原始高度；hΔ-试样的变形量），ε&越大，变形的时间就越短，当采样率为1000s/s，ε&=100时，采样的点数只有几个，这样就无法画出应力-应变等曲线。而当ε&=0.01时，其变形时间又很长，采样点数很多，而实验并不PXI8187RPXI6281HostPCPXI-1042机箱PXI6281PXI6602PXI6527PXI-8187TCP/I同步电压信号PXI-1031机箱MIX-4水平位移1水平位移2相对位移温度力扭矩电压PXI-6284MPXI6733TCP/I监控PCTCP/IP温度、力信号D/A可控硅手动控制信号电压电流信号液压缸位置检脉冲信号检测伺服阀放大器液压马达按钮开关检测灯阀继电器等2007年全国塑性加工理论与新技术学术研讨会2007年5月沈阳398需要过多的数据采集点，因此数据的采样率要根据需要可变。为此我们采用了MIX-4通讯卡、PXI-6284M、PXI-1031机箱，由上位机在Windows环境下，根据应变速率的大小来决定采集数据的采样率。3.3硬件连接在硬件连接时一定要仔细阅读传感器的说明，弄清楚传感器输出的信号类型，因为NI产品的M系列数据采集卡和定时/计数器允许接收的信号为TTL电平，而有些传感器输出的信号为HTTL电平，如果将此信号长时间接到数采卡上，可能会烧坏板卡。高精度位移传感器和增量编码器在用不同采集卡读取其数据时的接线方法如下：序号传感器名称及端子名称数据采集卡名称PXI-6602端子号数据采集卡名称PXI-6281M端子号1PWM-PFI38/CTR0GATE3CTR0GATE32PWM+空空3MTS位移传感器（PWM输出）美国0VGND36DGND361A+PFI39(SOURCE_0)2PFI8(CRT0SRC)372B+PFI37(UP_DOWN_0)40PFI10(CRT0AUX)453雷恩（法国）增量编码器0VGND36DGND36模拟量信号采用差分输入方式，其信号负端通过一个13K电阻接地，以增强抗干扰能力。4系统软件4.1软件的总体结构及功能控制系统的软件分别由上位机、实时控制器、实时监视计算机完成，上位机的软件运行在WINDOWS平台下，完成实验工艺参数的录入、数据采集（通过MIX-4完成）、数据分析、处理、报表等功能。上位机通过TCP/IP协议经过交换机分别与控制器和监视计算机通讯。实时控制器的软件为Real-time控制程序，运行在实时操作系统下，完成多个实时控制任务、与上位机、监控计算机通温度变送器变压器横向位移检测力检测伺服阀液压缸位移检测可控硅锤头纵向位移检测HMI参数输入试样温度控制主液压缸位置控制扭转控制交换机PXI-6527逻辑控PXI-8187RT控制器液压单元位置闭环数据处理运行状态监视PXIMIX4AI模块6284数据采集温度闭环扭转闭环图2控制系统任务分配图力闭环TCP/IPTCP/IP监控2007年全国塑性加工理论与新技术学术研讨会2007年5月沈阳399讯等功能。监视计算实时机监控实验过程中控制系统的工作状态和工艺参数的变化等。其任务分配见图2。4.2闭环控制程序的结构闭环控制程序中包含多个PID闭环，而每个PID闭环的控制周期不尽相同，能够实现多个PID闭环同时完成实时控制任务，又互不干扰的前提是，NI公司的M系列数据采集卡和PXI-6602等数采卡中的提供的多个DMA通道和不断优化的DAQmx驱动程序。在此基础上利用LabVIEW中While循环的移位寄存器，将通过TCP/IP协议接收到并暂存在FIFO中的实验设定数据，分配到各个PID闭环中，完成闭环控制。这样速度快、程序简捷，满足了闭环控制的实时性。程序结构见图3图3PXI-8187RT通讯及闭环控制程序结构图4.3控制程中的设定数据衔接问题图4压缩试样加热照片在闭环控制程序中，尤其是有液压的控制系统中，要保证液压缸平稳移动，精确的定位，就必须解决好设定参数的衔接问题。因为液压缸在实验过程中移动到某个位置，当下一次实验时要通过2007年全国塑性加工理论与新技术学术研讨会2007年5月沈阳400手动控制，将液压缸移动到合适的位置上，新的实验就在这个位置开始。从打开液压泵开始到关掉液压泵的过程中，液压缸始终在PID闭环的控制下，否则液压缸将发生不可预见的移动，并可能造成人身伤害和设备的损坏。为此必须优化程序结构，解决好设定数据的衔接。首先当液压泵打开的瞬间，要记录下液压缸的位置，以此为零点，下一次的移动的起点就是上一次的终点。当液压缸停止时，其设定值就是当前的位置。另外，位移传感器一定要选择绝对值型的，或电压/电流输出值的，如果选择增量编码器来检测位置，当突然停电或每次关机前必须记录当前液压缸的位置，否则再来电或开机时，将造成较大的机械冲击。而且在程序中，必须每个周期都要记录当前液压缸的位置值，这样增加了CPU负担。5结束语选用NI公司的LabVIEW图形化软件和先进的PXI系列硬件，在较短的时间里成功地开发出热力模拟试验机的控制系统。通过使用嵌入式实时控制器、M系列高精度数据采集卡和MIX4通讯卡，较好地解决了闭环控制周期不能太短，数据采集速率较高的矛盾。实现了在完成多闭环控制的过程中高速采集多路数据，且采样速率可变的目标。使热力模拟实验机的性能达到了设计要求，并填补了我国在该领域大型试验设备研制开发的空白。利用LabVIEW软件开发的人机界面，直观友好，操作简单。LabVIEW的易学特点及大堤缩短了整个项目的开发周期，提高了工作效率。该材料实验机能够较好地完成高/低温的热处理、淬火、焊接、拉、压、扭及其组合实验，成本较低、功能多、操作简便，因此具有广泛的应用前景。参考文献[1]雷振山,LabVIE7Express实用技术教程,中国铁道部出版社,2004,北京.[2]邓焱,LabVIE7.1测试技术及仪器应用,机械工业出版社,2005,北京.[3]杨乐平,LabVIEW高级程序设计,清华大学出版社,2003,北京.[4]NICorporation,IDControlToolsetUserManual,200