基于數據采集卡的數據采集與監控系統

張天佑，李全英

（1.綿陽市維博電子有限責任公司 四川 綿陽 621000；2.中國兵器工業第五八研究所 四川 綿陽 621000）

基于數據采集卡的數據采集與監控系統

張天佑1，李全英2

（1.綿陽市維博電子有限責任公司 四川 綿陽 621000；2.中國兵器工業第五八研究所 四川 綿陽 621000）

數據采集與監控系統是送粉式激光3D打印設備的重要組成部分。該系統主要用于輔佐操作人員監控各個機組運行參數的變化情況，一旦發生異常，立即向操作人員發出警告，以便操作人員在第一時間檢查報警信號發生處，并迅速做出處理，以減少非正常情況對設備造成的損害，從而大大降低設備的損耗。根據3D打印設備技術基礎上闡述其設備運行的工藝流程、技術原理及特點，采用多線程對加工數據信息進行實時采集和監控，通過分析同步采集卡硬件選擇和軟件開發，初步實現了分布式數據采集和監測。文中主要介紹了基于VS2010和數據采集卡的監控系統，該系統主要包括系統登錄，模擬量及開關量的采集等部分。針對監測監控設備存在的信號干擾問題，提出了軟件濾波的必要性和可行性，保證了系統運行的穩定性和可擴展性，降低了開發難度。

數據采集；監控系統；3D打印設備；軟件濾波

隨著工業現代化的不斷發展，傳統的加工工藝已無法滿足現代工業部件的加工需求，傳統的工業產品開發，往往是先開模具，然后再做手板，而運用3D打印技術，無需開模，可以減少制造時間，降低費用，對成本有了更好的控制。3D打印需要依托多個學科領域的尖端技術，其應用領域及其廣泛，從日常用具到關系國家安全的國防事業，幾乎各種領域都可以有涉足[1]。3D打印技術的發展前景如此廣闊，對于該設備的各項功能也同樣要求嚴格，文中主要闡述其控制子系統中的數據采集與監控系統。VS2010作為編程語言，編程靈活高效且面對對象，其可視化編程環境更是快捷簡便；數據采集卡作為普遍使用的數據采集功能擴展卡，可以適應多種型號的總線接入計算機，便于開發[8]。

1 系統組成結構

1.1 系統的組成

數據采集與監控系統（DCS）包括一臺具有擴展功能的高配置通用計算機系統，計算機系統一方面可以安裝相關工藝軟件，為數控系統準備加工程序，另一方面可以集成氣氛環境等數據采集卡和處理軟件，實現氣氛環境和加工成形過程中設備運行狀態數據采集、監控和處理相關信息，并與數控系統通訊。數控采集卡包括：氣氛環境參數采集卡、成形過程視頻監控數據采集卡和送粉狀態參數采集卡等。DCS系統集成負責將全部成套設備的數據采集信號和控制信號集成起來，實現統一控制和監控[2]。系統集成包括數控系統與數據采集與監控系統、氣氛環境監測系統、激光器系統、送粉系統等的集成[7-9]。該系統的功能構成如圖1所示。

圖1 系統功能構成圖

1.2 系統的功能

對于基于計算機的數據采集系統來說，其系統中的傳感器和變換器負責將系統外部的各種類型的物理量轉換成電信號，供數據采集和監控系統進行采集和處理[3]。系統實現的功能有以下幾個方面：

1）定時檢測、采集氣氛子系統的當前狀態，包括環境溫度、濕度及氧含量等關鍵數據，并將數據動態顯示[10]；

2）定時檢測、采集氣氛子系統的當前狀態，包括環境溫度、濕度及氧含量等關鍵數據，并將數據動態顯示；

3）當氣氛室出現報警時，向監控中心發送報警消息并將報警信息記錄在日志文件中。日志文件本地存儲，系統通信失敗時，可通過USB設備進行轉儲[11]；

4）可在本地設置、修改和讀取激光器的控制參數、送粉器的控制參數；

5）可在監控中心實時采集并顯示視頻信號，并對采集的數據進行統計。

2 系統軟件功能設計

2.1 系統采集數據

本監控系統是基于VS2010設計，系統對氣氛室、激光頭、打印頭和其他加工信息（工件計數、加工耗時等）等部分進行監控。系統數據采集所用的數據結構如下：

2.2 數據采集各模塊分析

數據采集與監控系統監控外部各設備狀態，主要通過與其通訊來實現數據狀態采集，不同的外設將會有不同的通訊協議，并分占不同的通訊端口，傳遞不同的系統信息。控制系統主控流程圖如圖2所示。

氣氛室作為數據采集與監控系統的主要監測部件，系統同樣主要通過與氣氛室進行RS485通訊來實現數據狀態采集。數據采集與監控系統具有多種報警數據采集方法，全面獲取在加工過程中氣氛室的工況數據采集，可實現以下數據的采集：當前加工程序信息，加工開始時間/加工結束時間，加工速度、報警號等，其結果輸出可以設定在工控機的固定位置，然后由系統對此類文件進行實時監控，經過如此設置和運行后生成相應的數據、報警輸出文檔[4]。由此生成的文件為實時刷新，為了保證得到數據的實時行，要保證在數據刷新后監控系統可以立即讀取到最新的信息，并得到當前刷新的最新數據。在處理上，使用了多線程技術來實現，主線程生成一個子線程來對氣氛室進行監控，不斷讀取最后更改時間，保證了信息的及時性和準備性[14-15]。

在自動加工過程中，系統對氣氛室采集的數據除了氧含量、水含量、內外壓差顯示外，還有報警指示。

2.2.1 水含量數據采集模塊分析

水含量數據采集模塊的設計是通過KBM-30通訊采集卡來實現的。該模塊使用固定的通訊數據格式：9 600，8，N，1。模塊支持標準的 modbus rtu 協議，模塊使用功能碼03（讀取保持型寄存器）讀取模擬量值，長度為一個字（2個字節），寄存器地址為00 00（大部分組態軟件寄存器地址要加1，比如組態王里的地址為40001）。KBM-30通訊采集卡外觀如圖3所示。

讀取模塊模擬量值，發送給模塊的命令幀：03 03 00 00 00 01 85 E8，其中第一個字節03為模塊通訊地址，第二個03為讀取模擬量值的功能碼，00 00為寄存器地址，00 01為讀取寄存器的字（兩個字節）數，85 e8為crc校驗，高位在前。模塊返回：03 03 02 00 50 C1 B8，其中第一個03為模塊通訊地址，第二個03為讀取模擬量值的功能碼，02為返回數據的字節數，00 50為返回的數據，即模擬量值，c1 b8為crc檢驗。其中返回數據00 50為一個有符號整形數值，00 50轉換為十進制為80，然后乘以一個固定系數（表1）就是實際測得的數值[12]。

2.2.2 氧含量數據采集模塊分析

氧含量數據采集模塊的設計是通過Rapidox 1100-ZP便攜式氧氣分析儀來實現的。該分析儀測量準備，氧氣分析量程為1ppm到100％，適合在線連續測量分析，響應時間T90約為5s，精確度為實際測量氧氣的±1％，精準度為±0.5％，校準程序簡易，可以使用任意兩種氣體對儀器進行校準[13]。可編程報警繼電器全數據記錄軟件使用RS232連接到數據采集與監控系統，支持標準的modbus協議。Rapidox 1100-ZP便攜式氧氣分析儀外觀如圖4所示。

在自動加工過程中，采集與監控系統定時向氧氣分析儀發送單字符“d”，氧氣分析儀返送數據字符串。例如，返送的字符串為：d2.959E+05，-1.426E+01，2.000E+00，，23:19:40，14/01/00，，，ALM1&2，0[CR][LF]。

圖2 主控制流程圖

圖3 KBM-30通訊采集卡

表1 KBM-30模塊模擬量計算表

字符串中“d”表示數據已經回送；“2.959E+05”是科學計數法，是氧含量讀數，單位ppm；“，”是數據分隔符；“-1.426E+01”表示氧傳感器讀數，單位是mV；“2.000E+00”表示內部壓力傳感器讀數，單位是bar；“23:19:40”表示氧分析儀采集數據時的系統時間；“14/01/00”表示氧分析儀采集數據時的系統日期；“ALM1&2”表示數據報警號；“0”表示傳感器狀態碼；[CR]=ASCII 13，[LF]=ASCII 10。

圖4 Rapidox 1100-ZP氧分析儀

3 系統登陸

用戶登陸時需要輸入用戶名和密碼才能進入數據采集與監控系統。輸入用戶名和密碼后點擊 “登錄”按鈕開始登錄，若用戶名和密碼輸入正確，則登錄成功，反之，則登錄失敗[5]。登錄成功后，監控系統人機界面如圖5所示。

圖5 系統人機界面

4 結束語

文中提出了以VS2010和數據采集卡相結合的基于送粉式3D打印的數據采集與監控系統，監控在自動加工過程中氣氛室、激光頭、打印頭等相關模擬量、開關量以及其它加工信息。本文著重介紹了基于KBM-30通訊采集卡及Rapidox 1100-ZP便攜式氧氣分析儀的模擬量和開關量的采集。運用VS2010編程簡單快捷，數據采集卡采集各種數據流程簡潔，應用效果令人滿意[6]。本系統的解決方案相對于類似應用環境的數據采集和監控具有一定的借鑒意義[15-16]。

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Data acquisition and monitoring system based on data acquisition card

ZHANG Tian-you1，LI Quan-ying2
（1.Mianyang Weibo Electronic Co.，ltd， Mianyang 621000，China；2.Dept.of CNC，No.58 Research Institute of China Ordance Industries， Mianyang 621000， China）

Data acquisition and monitoring system is an important part of the Feeding Method Laser 3D Printing equipment.The system is mainly used to assist the operator to monitor the operation parameters of the various units of the situation， once an exception occurs， the operator immediately issued a warning， so that the operator in the first time to check the alarm signal occurs， and quickly make a deal to reduce the damage caused by abnormal conditions of the device，thus greatly reduce the loss of equipment.According to the 3D printing equipment technology based on elaborated the process of the operation of equipment，technical principles and characteristics by multiple threads of processing data of acquisition and real-time monitoring，through the analysis of the synchronous acquisition card hardware selection and software development，the initial realization of the distributed data collection and monitoring.This paper mainly introduces the monitoring system based on VS2010 and data acquisition card.The system mainly includes the entry of the system，the analog quantity and the collection of the switching value.The necessity and feasibility of software filtering is put forward in view of the signal interference problem in the monitoring equipment，which ensures the stability and expansibility of the system and reduces the difficulty of development.

data acquisition； monitoring system； 3D printing equipment； software filter

TN06

：A

：1674－6236（2017）15-0117-05

2016-06-13稿件編號：201606097

張天佑（1980—），男，陜西漢中人，高級工程師。研究方向：數控技術。