基于組態王環境的自鎖閥瞬時測控

黃曉勤 霍娟娟 屈倩茹 溫志杰

（1．北京航天動力研究所 北京 100076 2．天津亞控科技發展有限公司 天津 300130）

1 引言

隨著計算機技術和自動化技術的飛速發展，通用監控組態軟件已被廣泛普及，極大地縮短了計算機測控系統軟件的研制進度，顯著提高了經濟效益。其中，工業 SCADA軟件——組態王以其軟件產品通用性、易用性、穩健性的優點被獲得廣泛應用。通用層次組態軟件對信號的采集經常是基于板卡之上的，通過動態鏈接庫將板卡所上傳的數據信號轉換后再用于顯示，由于KINGVIEW組態王軟件是運行在Windows的環境下，對數據變化的響應速度慢的問題則是不可避免的，因此，它很難完成對快變信號的采集與控制需求。在各類組態軟件的發展中，雖然對高速信號的采集功能正逐漸地被使用，但通常只是被用于測試，不能與瞬時的控制關聯起來。

自鎖閥是航天推進領域中環控、姿軌控、熱控等系統必不可少的關重部件之一。為了保證精確的控制狀態，項目研制根據總體系統對自鎖閥的測控要求，提出了具有針對性的特殊設計要求，在設計中追求方案的合理與先進性，以確保高可靠地、安全地完成自鎖閥的測控。

本文提出了一種利用 KINGVIEW 組態王軟件作為開發平臺的實現對自鎖閥瞬態測控的研制方法。通過數據計算與分析來闡明新的測控設計的合理性，解決了常規高速采集與控制不同步的問題。設計過程力求完美，增大了組態王軟件的應用范圍，為自動化測控系統中對信號的高速同步測控的研發提供了一個新的方法。

2 總體方案

利用組態王軟件實現對自鎖閥的瞬時測控任務中主要包括按照所設定的時間對自鎖閥的開關線圈進行瞬時的通斷電、高速采集閥門動作時線圈上的通電電流，并將所測得的批量數據進行存儲、轉換與處理、顯示等。

由于組態王軟件工作于 Windows系統平臺之上，不能很好地滿足實時性要求很高的場合，那么，可以利用高速采集板卡，通過開發高速采集驅動軟件植于組態軟件中來實現。目前多通道高速數據板卡已在國內被逐漸應用起來，但通常被用于對數據信號的高速采集，如對電磁閥的特性測試等。而自鎖閥不同于電磁閥，根據自鎖閥的工作原理及其快速響應特征，一般在十幾到幾十毫秒不等，對閥門開關時的線圈通電時間有一定的限制，這就要求測試設備在進行高速采集其電流特征數據的同時還能夠按要求對其線圈進行快速通斷電的控制。

所以，為保證實時不間斷地數據采集，通過采取給予數據采集更高的優先權、短暫集中占用CPU時間、設計用戶接口插件的方法來實現基于組態王的高速采集與控制；然后對所采集的數據形成曲線后進行回放再現。即：利用組態王軟件進行上位人機對話和測控數據的顯示后處理、存儲和文件管理等；利用底層本地驅動軟件進行實時的通斷電控制、高速數據采集與存儲。

3 測控方法

3.1 軟件結構

測控設備將采集的各類信號通過內部總線傳送到核心主板。主板通過運行上位應用程序實時監測全設備的工作過程，監測各項參數指標，進行工作異常報警，并對測試數據分析處理。同時，上位管理層向下位驅動模塊發出自鎖閥打開/關閉等測控信號，最終由測控設備完成對目標執行件工作的監控。

軟件開發采用組態王平臺環境，它是以Windows操作系統作為開發及應用平臺的數據采集監控軟件。測控軟件包括本地測控驅動軟件、上位應用軟件。

測控數據流示意如圖1所示。

圖1 測控數據流Fig.1 Data-flow of measurement & control

上位管理的目的是實時監測系統測試參數、工作過程的實時報警狀態；將測試參數實時存入Access數據庫；進行ODBC數據庫連接，將Access數據庫數據導入 Excel形成數據文件并做處理，為全系統的數據分析提供依據；對各設備的獨立測試，即手動控制自鎖閥等；操作簡單，界面友好。上位應用軟件基本結構如圖2所示。

圖2 上位應用軟件基本結構Fig.2 Structure of application software

本地測控驅動程序主要包括芯片組軟件和板卡驅動軟件。芯片組軟件用于支持主板正常工作，完成對顯示、內部總線數據、內部總線地址、DMA等的關聯與信息的分析、處理、交換等功能。板卡驅動軟件主要包含高速采集模塊、數字信號輸入輸出模塊的底層動態鏈接庫和組態鏈接驅動。

需要注意的是，跟隨硬件板卡而來的模擬信號采集動態鏈接庫函數中包含了普通采集和高速采集兩種內容，而組態王系統中只有對應采集板卡的普通采集控件是對用戶開放可用的。因此，必須設計應用于組態王環境下的針對高速采集的動態鏈接驅動程序。

3.2 高速數據采集與同步控制

在組態王的數據采集控件中開設一個針對用戶要求的可讀寫接口，用于上下層之間的信息交換。該控件需要完成的主體任務是：根據用戶預設時間和相關控制通道，完成對相應地址的脈沖寫操作；同步完成對相應模擬通道所轉換傳送來的高速數據信號進行采集；在到達預設終止時間后完成對所采集到的批量數據進行用戶指定存儲區的轉存。

首先，初始化板卡，設置采樣頻率、內部數據緩存區長度等，對高速信號采集設置高的優先權，再利用FIFO、中斷、DMA等技術，在內核中以循環模式進行數據采集，直到達到預定的采樣長度為止。然后，將批量數據移出內存，按預設定的格式形成文件并保存起來，以便進行數據曲線的后處理和分析之用。

循環模式時采樣緩存的使用過程如圖3所示。

圖3 循環模式時采樣緩存的使用過程Fig.3 The usage of sampling cache in cycle mode

為獲取數據，利用 FIFO技術，當數據填滿某半個緩存后，應及時調用函數 DRV_FAITransfer，以便將數據從臨時的采樣緩存區復制到用戶緩存區中，供后續的處理和分析之用。AD轉換原始數據被板卡設計臨時存放在 FIFO隊列中，在進行高速信號采集時，為防止數據丟失，所設計預分配用戶緩存區的長度應至少為所需獲取數據個數的兩倍以上（項目所用采集板卡中所設置的每個原始數據占用2個字節），如圖4所示。

高速采集組態驅動程序由于是基于未開放的研華封裝的庫文件來設計，為避開“DRV_Check-Event()函數執行的時間不定”所帶來的捕捉與動作不同步的問題，采用雙線程設計的方式，實現高速采集的準確性測量與閥門動作過程的實時性控制。

圖4 用戶緩存分配Fig.4 User cache allocation

3.3 數據傳輸

在高速采集中，允許驅動向用戶發預定的事件，并等待事件發生的通知。當得到事件通知后，調用函數DRV_FAICheck查詢當前的數據采集狀態。數據的傳輸和函數調用流程參見圖5。

圖5 數據傳輸和函數調用流程Fig.5 Process of data transmission & function calling

3.4 非實時數據顯示

組態軟件適用于普通或慢變過程信號波形的實時顯示，對于高速采集獲得的中高頻瞬時信號，需采用非實時數據波形回放的方法。一般可利用組態王環境下開放的數據采集插件來實現，如：文件的打開與保存、一般的圖形放大與縮小等；也可以根據最終用戶的特定需求，對組態王中繪圖插件做適應性的改進和調整。

組態王中的插件是在軟件運行中被調用時才會被動態加載的，所以可有效節省系統資源。

3.5 數據存儲

3.5.1數據庫設計

數據存儲采用應用廣泛的關系數據庫Access。

數據庫設計歸結為設計一個較優的數據模型。其中數據庫結構設計和基于數據庫結構及處理需求的應用程序的設計則是數據庫設計好壞的關鍵所在。而Access用表的方式組織數據符合數據處理分析的設計要求。表是SQL語言存放、查找以及更新數據的基本數據結構，在 SQL語言中是一種二維表。上位機程序中二維表Table1“測試系統”由若干列組成，列名唯一，即測點參數名；同一列數據具有相同數據類型；表中一行為一個元組，即一條記錄；表中每一個列值必須是不可分割的基本數據項。

代碼示例：

CREATE TABLE table1

(F1 FLOAT(2)NOT NULL；

F2 FLOAT(2)NOT NULL；

…

DO0 BIT NOT NULL；

DCDCLIFE INTEGER NOT NULL；

…)

3.5.2ODBC接口應用

目前應用系統開發都采用分層的體系結構進行。分層結構的重要特點之一就是開放的客戶端開發機制，即數據庫廠商不再需要提供全套的數據庫相關軟件，包括DBMS、編程語言、開發工具等，而是只要按照統一的標準為其它軟件商的開發工具提供連接數據庫和使用數據庫的接口即可。

ODBC（open database connectivity開放數據庫互聯）是微軟為數據庫定義的開放接口，可實現異構數據庫的互聯，它允許符合此規范的數據庫之間進行數據傳輸。這就解決了如何將測試平臺采集的數據傳送到數據庫的問題。定義數據源如圖6所示，由應用程序調用ODBC連接數據庫，并對數據庫的數據進行操作。

代碼示例：連接ODBC數據源

SQLConnect(DeviceID，"dsn=mine1；uid=；pwd=")；//連接指定的數據源mine1

SQLClearTable(DeviceID，"測試系統")；//創建新表

3.5.3SQL數據存儲程序設計

數據庫系統是通過其所支持的數據語言來實現的。而SQL數據庫語言則是集成了DDL數據定義語言、DCL數據控制語言、DML數據操縱語言的功能于一體中，可獨立完成數據庫重構、插入數據建立數據庫、定義關系模式功能，以及完成查詢、更新和維護與進行數據庫的安全控制等功能。所以，SQL數據庫語言是通用的功能極強的關系數據庫語言。它具有嵌入式特點，其語句能夠嵌入到高級語言程序中。因此，項目的上位數據存儲模塊的軟件研發使用SQL語言來編寫。

為了在應用程序中通過ODBC實現數據交換，首先設計記錄體 bind1，用于建立數據庫字段和采集變量之間的聯系。然后將數據變量名及字段名存入 bind1，定義數據源，定義要訪問的數據庫名和數據庫類型(選擇 ODBC驅動程序)。bind1與db1數據庫的表table1“測試系統”是映像關系，調用SQL函數實現數據存儲導出。

4 工程實例

本文案例中對自鎖閥的測控方法是：利用嵌入式計算機，擴展連接多通道多功能信號模塊，對經所另設計的閥門信號調理電路變換來的信號進行高速采集與控制。測控原理如圖7所示。

圖7 自鎖閥測控基本原理Fig.7 Principle of the self-locking valve measure & control

4.1 閥運動特性與磁密度計算

由于項目用自鎖式電磁閥利用永磁體實現自鎖，其運動特性涉及線圈電流 i、電磁吸力 Fa、線圈磁鏈ψ、銜鐵運動速度v、銜鐵行程s等成函數關系，較為復雜，這里不再對線圈計算與電磁鐵估算做詳述。

使用電磁場有限元分析軟件Ansoft Maxwell進行二維計算，所得結果如下：

（1）關閉狀態永磁吸力向下值大于受力分析得到的所需永磁力，可以保持閥芯與閥座密封。

（2）打開瞬間電磁力與永磁力綜合吸力向上值大于密封力，可以打開。

（3）打開狀態永磁吸力向上值大于受力分析得到的所需永磁力，可以保持打開狀態。

（4）關閉瞬間電磁力與永磁力綜合吸力向下值大于閉鎖力，可以關閉。

圖8為上述幾種情況下磁力線和磁密分布圖。

圖8 磁場有限元仿真計算結果Fig.8 The calculation results of magnetic field finite element simulation

以上計算僅為估算，最終能夠產生的吸力F及吸力特性曲線（F與h的關系）必須由試驗確定。電磁鐵的熱性能同樣需要試驗來得到。

4.2 數據采集

由于所被測閥門判定合格的動作時間的離散度大于 1ms，所以，為保證模擬輸入測試通道有足夠的帶寬且能獲得更精細化的曲線，使采集到的工作電流曲線不會失真，這里選用的是高速采集模塊PCM-3810I。其擁有12位16通道的A-D、16通道DI或DO等資源，模塊的單通道采樣頻率為250kHz。因項目對多個閥門進行測控，設計按 16路全通道10kHz進行數據采集，即：模塊按 160kHz的頻率執行采樣和A/D轉換，使每個自鎖閥線圈電流測試通道的數據信號按每點0.1ms間隔獲取，滿足系統的采樣要求及降額使用要求。

測控設備外接自鎖閥，其線圈電流流經信號調理電路中的電流傳感器后返回，傳感信號再經轉換為電壓信號后進入PCM-3810I模塊，如此被上層管控系統進行控制、高速采集、存儲等處理。

電流傳感器的信號變換在其標稱使用范圍內具有線性特征，設備中設計相應的電壓二級轉換也為線性的，則理想轉換電流In(xn)（A）為線性函數，見式（1）。由于設備測控鏈路中涉及各段連接線的線長、接口接觸阻抗、信號傳感器、電流/電壓電路及匹配阻容電路等，存在鏈路偏差，且各通道之間也有偏差，這就需要進行第二次擬合。本項目中的擬合函數只需按線性方式就可滿足任務的要求了，如項目有更高的需求（如：萬分之一），可采用二次函數來做。本項目信號調理閥門實際電流值f(x)（A）經過換算與誤差糾偏后得到，最終換算公式如下：

其中，

n：項目所使用通道采用非差分方式，取1～16；

xn：經高速采集模塊采得的電壓值（V）；

kn1：電壓/電流轉換系數，根據傳感器特征參數及實際變送電路阻容參數而定；

an：電壓/電流轉換偏置量，根據傳感器特征參數及實際變送電路阻容參數而定；

其中，

n、xn、kn1、an：同上式 4-1。

kn2：糾偏擬合系數；

bn：擬合基準偏置量。

cn：擬合零偏。

4.3 非實時曲線顯示

自鎖閥動作時線圈通電電流曲線參見圖9。

圖9 動作線圈通電電流曲線Fig.9 Current curve of coil when self-locking valve working

上圖所示曲線反映的是組態王高速采集驅動軟件運行后所得到的原始數據，以100us每點進行繪制，幅值表示直接采到的電壓值xn(V)，不夠直觀。所以需經式 4-2換算后轉化為實際對應的電流值來顯示，用于分析、判斷。組態王的通用繪圖插件是個直寫過程，故，特設一個可讀寫標簽用于將用戶實際校準后的擬合系數輸入，然后進行公式植入，換算后再繪圖顯示。

對式4-2做進一步的簡化：

可簡寫為：

其中，

n =1～16；

k1n=kn1kn2；

k2n=ankn2+bnkn2+cn。

這樣，在上位機程序運行時，用戶只需將事先計算好的k1n、k2n作為參數輸入即可。然后，通過用戶定制的專用繪圖插件來對曲線的特征值進行活動游標的顯示選取，類見圖10，做進一步的分析。

圖10 動作線圈通電電流曲線Fig.10 Current curve of coil when self-locking valve working

測控設備控制閥門線圈通斷電，測量自鎖閥在預定的瞬時通電期間所達到穩定狀態時的電流值。根據測試得到的數據及曲線，對設備性能做出評估，結果滿足項目的要求。

5 結論

根據熱控系統對自鎖閥測控的需求，提煉出對上位 KINGVIEW 組態王軟件和閥門線圈瞬間通電控制與同步不間斷高速信號采集的研制要求，以此為設計輸入，論證并確定了可滿足用戶需要的針對自鎖閥動作響應特征的解決方案，即：測控同步（實時的自鎖閥線圈通電控制與電流信號的高速采集）、信號后處理（即：非實時的電流數據顯示）。同時，項目研發中實施了安全與可靠性設計等。

經試驗驗證，測控設備能夠實時檢測自鎖閥等部件的工作狀態，并控制其動作，保證其按指令安全、可靠地動作；測試精度滿足要求，方案合理，具有較強抗干擾能力，系統工作穩定。不僅滿足項目對自鎖閥信號的測試需求，同時還擴展了KINGVIEW組態王軟件的應用范圍，對信號的瞬態測控研究具有一定的指導意義。

[1] 組態王KINGVIEW6.5使用手冊[M],北京:北京亞控科技發展有限公司.

[2] 王珊,薩師煊。數據庫系統概論(第四版)[M],北京:高等教育出版社,2006.

[3] 馬國華,監控組態軟件及其應用[M],北京:清華大學出版社,2001.

[4] 高守傳,精通 SQL結構化查詢語言詳解[M],北京:人民郵電出版社,2007.