基于FX2N的自動調焦系統研究

周 靜，常 鵬，彭琰舉，周海洋

（1.西安石油大學 井下測控研究所，陜西 西安 710065；2.陜西鼎元石油有限公司 陜西 西安 710065）

在井場的測試系統中要對井口的壓力進行實時監測，而由于油田環境的特殊性，要求測試系統必須具有較高的可靠性和抗干擾能力，在工業控制系統中，PLC以其適應性強、可靠性高、抗干擾能力強、編程簡單等優點得到廣泛應用。本系統以PLC控制器為核心，以VB6.0為上位機構成的調焦系統能夠準確快速地控制直流電機的運動從而達到調焦效果，并且為用戶提供了人性化的操作界面、實現了對于現場壓力數據的采集，還能夠實時的控制現場壓力測試系統；本系統選型考究，采用了小型可擴展性強的FX2N系列PLC[1]，具有通信端口為后續的升級提供便利，選用了直流電機和絲桿及具有12位精度的位置傳感器的組合進行準確調焦，而沒有采用昂貴的伺服電機，這也充分兼顧了系統的成本和實用性。這對于實現油田智能化、自動化、可視化、實時化提供了可靠保證。構成系統在水平和垂直方向的位移，為了使系統快速、準確的完成調焦，控制垂直位移的直流電機電壓可在12 V和5 V之間來回切換，使電機以不同的速度運動，分別完成攝像頭對焦距的粗調和細調。為了使調焦系統在調焦過程中具有高可靠性和穩定性，系統采用由電機、絲桿及位置傳感器組成的閉環系統[2]。同時系統還采用CCD圖像數據處理技術，使調焦效果最佳，而CCD圖像數據處理技術不是本文的重點所以在這里不做贅述。另外考慮到系統的可靠性，除了軟件可控制系統的調焦外，本系統還設計了硬件的調焦控制臺，使系統硬件結構和軟件界面保持了高度一致，該系統的結構框圖如圖1所示。

圖1 調焦系統結構框圖Fig.1 Structure diagram of focusing system

1 系統方案設計

調焦系統以電機的位置為調節參數，兩臺直流電機分別

當系統得到預設的坐標后控制直流電機的運動，直流電機帶動攝像頭靠近預定位置，位置傳感器檢測到坐標后與給定值比較最后完成調焦，系統采用最少的機構完成調焦也體現了最簡即最優的控制原則。

2 控制系統結構及功能

2.1 調焦系統硬件組成

調焦系統通過兩個位置傳感器檢測攝像頭所在的位置；通過控制電機的運動控制攝像頭的運動，由位置傳感器[3]和電機構成的閉環系統最終完成準確調焦。系統的硬件結構如圖2所示。系統硬件部分主要由FX2N系列PLC、上位機、位置傳感器、直流電機等組成。主要包括：1）FX2N系列PLC、FX2N-232-BD串行模塊、FX2N-2AD[4]模塊各一臺；2）位置傳感器兩個；3）直流電機3臺；圖2是該調焦系統的結構框圖。

圖2 系統硬件結構圖Fig.2 Structure diagram of hardware system

2.2 調焦控制臺組成

調焦控制臺是為了現場能夠快速靈活的調焦而設計的，使整個系統同時具備電腦自動控制和手動控制，與在控制室里進行電腦自動控制形成互補。

調焦控制臺主要由調焦控制盒、通信電纜、表盤按鈕組成，實物圖如圖3所示。

圖3 控制臺實物圖Fig.3 Console physical map

實現功能：4個方向按鈕分別實現電機在水平方向和垂直方向的運動，快上快下按鈕則將電機的供電電壓切換到+12 V，是電機快速移動到預定位置，急停按鈕則實現系統在非正常工作狀況下的關閉。

3 控制系統原理

為了使系統能夠準確調焦，本系統采用了由直流電機和位置傳感器構成的閉環控制系統，為了提高調焦的精度系統的位置傳感器采用12位精度的，在水平推桿和垂直推桿[5]都為0.3 m的情況下，精度為1.0×10-4m。系統的首次調焦要通過手動調節或者在人為參與的情況下進行調焦，當通過CCD技術達到最佳的調焦效果后位置傳感器會記錄此時的位置，然后將坐標輸入到上位機的設置中，開機后電機就會根據給定的參數進行移動，同時位置傳感器會檢測攝像頭的坐標，經過FX2N-2AD模塊將連續的模擬信號轉變為數字信號送給控制器PLC，然后將獲得的參數與設定的參數進行比較，在逐漸縮小偏差達到設定位置后系統就完成了自動調焦的功能。在控制系統中有6個限位開關、12個按鈕開關共18個輸入點和8個輸出點，PLC的輸入口接收來自限位開關及按鈕開關的動作信號，位置傳感器通過FX2N-2AD接PLC控制器。系統接線圖如圖4所示。

圖4 系統接線圖Fig.4 System wiring diagram

4 軟件設計

PLC主要是為現場控制而設計的，人機界面主要是開關、按鈕等。其良好的實用性和可擴展能力得到越來越廣泛的應用。采用PLC的控制系統具有可靠性高、易于控制、系統設計靈活、能模擬現場調試、編程使用簡單、性價比高、有良好的抗干擾能力等特點。但是PLC也有其不易顯示各種圖表、無良好的用戶界面、不便于監控等缺陷。

計算機作為上位機可以提供良好的人機界面，進行系統的監控和管理，進行程序編制、參數設定和修改、數據采集等，既能保證系統性能，又能使系統操作簡便，便于進行生產過程的有效監督。而PLC作為下位機，執行可靠有效的分散控制。用上位機去監控下位機，這就要求PC與PLC之間穩定、可靠的數據通信。系統的軟件設計主要完成PC與PLC的通信、編寫相應的程序控制系統。

調焦系統的軟件設計包括兩個部分：VB軟件設計和PLC軟件設計。

4.1 VB軟件設計

VB6.0具有可視化，支持面向對象的程序設計，具有結構性的事件驅動編程模式，編程效率高等優點，本系統選擇VB6.0提供的串口通信控件MSComm[6]來進行通信編程。

4.1.1 MSComm控件

MSComm控件提供了一系列標準通信命令的使用界面。使用它可以建立與串行端口的連接，通過串行端口再連接到系統的控制器PLC，發出命令，交換數據，以及監視和響應串行連接中發生的時間和錯誤。

MSComm控件還有很多重要屬性，基本屬性如下：

Commport設置并返回通訊端口號

Settings以字符串的形式設置并返回波特率、奇偶校驗、數據位、停止位。

PortOpen設置并返回通訊端口的狀態。也可以打開和關閉端口。

Input從接收緩沖區返回和刪除字符。

Output向傳輸緩沖區寫一個字符串。

4.1.2 PC機與PLC串口通信

PC與PLC采用主從方式通信，為了測試PC與PLC能否正常通信，要進行回路測試，其持續運行界面如圖6所示，首先單擊“回路測試”按鈕，若出現“與PLC通信正常！”信息框，表示線路與硬件連接正常，此時PC與PLC可以進行正常通信；初始化持續和回路測試持續如下：

圖6 電機控制部分PLC梯形圖Fig.6 Motor control PLC ladder

程序初始化：

圖5 程序運行界面Fig.5 The program's interface

4.2 PLC軟件設計

自動調焦系統中電機控制是精確定位的關鍵，所以對電機實施控制顯得尤為重要，為了保證FX2N系列PLC能夠正常與PC進行通信，需要在PLC中運行先運行一段程序。其功能是設置PLC通信參數[7]：波特率是9 600 b/s，7位數據位，1位停止位，奇校驗，站號位0.，然后在運行系統程序，下面是電機控制的部分梯形圖。

調焦系統能準確調焦或者定位的關鍵在于有直流電機、絲桿及位置傳感器構成的閉環控制系統，由于位置傳感器的精度非常高，加上下位機程序編寫靈活可以實時更新，使得調焦系統調焦更加清晰，根據調焦的控制要求，其控制流程圖如圖7所示。

圖7 PLC工作流程圖Tab.7 Flow chart of PLC program design

5 結束語

自動調焦系統是為了克服井場不能人為實時的對井口壓力進行測試而設計的，自動調焦系統充分應用了PLC控制優勢，并結合直流電機的控制，位置傳感器的應用達到了精確調焦的功能，相對于采用伺服電機進行定位的系統降低了成本；直流電機在垂直位移方向的電壓的切換可完成粗調和細調，這也使系統能夠快速的定位，整個系統充分體現了穩、準、快的控制要求；自動調焦系統現已成功應用于油田實際生產中，并且為油田檢測及控制系統朝著智能化、自動化、低成本的方向發展提供了有力借鑒。

[1]李致金，吳文娟.兩軸定位機械手電氣控制系統的設計[J].機床與液壓，2011，39（8）：112－114.LI Zhi-jin，WU Wen-juan.Design of electric control system for two axis positioning robot[J].Machine Tool&Hydranlics，2011，39（8）：112－114.

[2]李嘉佳.配料車間自控系統的研究與應用[D].河北科技大學，2011.

[3]郭傳偉，殷天明，王艷，等.開關磁阻電機無位置傳感器控制的研究[J].機車電傳動，2006（1）：26－29.GUO Chuan-wei，YIN Tian-ming，WANG Yan，et al.Study on control without position sensor for switched reluctance motor[J].Electric Drive for Locomotives，2006（1）：26－29.

[4]王少華，黃建科，劉紅武.基于PLC特殊功能模塊在高爐加溫系統中的應用[J].電氣技術，2007（7）：71－72.WANG Shao-hua，HUANG Jian-ke，LIU Hong-wu.The application of specific function module based on PLC in the heating system heating store[J].Electrical Engineering，2007（7）：71－72.

[5]寧言軍.醫藥灌裝機同步跟蹤系統優化設計[D].武漢理工大學，2011.

[6]徐世許，孫衛國，于金鵬，等.基于VC的上位機與PLC遠程通信設計[J].青島大學學報：工程技術版，2006，21（3）：41－45.XU Shi-xu，SUN Wei-guo，YU Jin-peng，et al.Remote communication between master-computer and PLC based on VC6.0 [J].Journal of Qingdao University：Engineering&Technology Edition，2006，21（3）：41－45.

[7]丁莉君.監控計算機與PLC數據通信的研究與應用[D].西安建筑科技大學，2007.