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组态软件和PLC的机翼精加工水平测控系统 |
| 1 引言 我国某机型机翼对合交点的精加工是该机型机翼加工的重要工序，为了保证对合交点的精加工质量，机翼水平测量点的测量采用电测系统，可对飞机机翼精加工前及加工中对机翼各水平测量的值进行实时检测并做好记录以确保机翼安装尺寸达到设计要求。根据某飞机公司对以前机型的水平测控系统均采用了通用的计算机语言编辑人机界面和单片机控制系统，反映表现有些不足：测量精度（0.1%）达不到测试要求，系统升级较难，无安全故障检测功能等。这些基于单片机的控制系统虽然硬件成本不高，但其开发成本较高，而且一般通用性不强。 本文在总结以前系统的基础上，利用工业控制计算机（IPC）作为上位机，再以IPC为硬件平台的基础上安装组态软件作为程序开发平台来完成工业流程及控制参数的显示，实现生产监控和管理等功能，下位机采用可编程序控制器（PLC）和数据采集模块作为现场级的控制设备，用于数据采集、状态判别和输出控制，组成一个简单实用的机翼加工水平测控系统。 2 测控系统的组成（见图1）  2.1 测控系统的硬件配置 2.1.1执行系统 如图2所示，装备了空气过滤器（1）空气减压阀;（2）压力传感器;（3）电磁阀集装板;（4）二位五通电磁阀;（5）调速阀;（6）气缸;（7）和转盘升降机构等设备。用于调整测量位置和气缸的动作速度，位移传感器在气缸的带动下改变着测量位移。  2.1.2监控系统 为了实现上述工艺要求，本系统选用SIMATICS7-200系列PLC作为现场控制设备，因为该系列PLC具有较高的性价比且具有强大的网络通信功能，网络监控设备选用工控机（IPC），现场装备了文本显示器作为现场监控和输入装置，它们都与PLC的RS-485通信接口相联。测控系统有17路模拟量输入、16路数字量输出。同时，PLC控制系统还应至少具有2个RS-485通信接口，CPU226具有2个RS-485通信接口，本机有14个数字量输入和10个数字量输出;两个带8位数字量输入8位数字量输出EM235扩展模块，方便以后扩展。 同时配置了位移传感器、压力传感器和传感器信号检测模块和20位A/D转换模块。位移传感器选用了LVDT型，精度为0.05%。考虑到现场干扰和温度范围大等因素，传感器才用恒流源供电和温度补偿。 2.2 测控系统的组态软件 2.2.1组态软件 以前的测量没有采用的监控软件，一般都是用一些通用的计算机语言编制相应的人机界面，但这种界面往往不具备较好的监视功能，而且程序扩展性不好。由于专业的监控组态软件是面向监控和数据采集的软件平台工具，主要包括HMI（人机界面）、实时数据库、实时控制、SCADA（Supervisory Control and Data Acquisition）、通信及联网、开放数据接口、对I/O设备的广泛支持等内容。所以，选用专业的工业控制软件可以非常方便地编制符合实际需要的HMI。本文提出的精加工自动监控系统的HMI，可以选用的组态软件有多种，应用比较广泛的Kingview、Wincc，力控等。本文从性价比角度出发，选用了Kingview组态软件，其软件结构框图如图3所示。  2.2.2 PLC与上位机的通信连接及程序设计 系统运行时，S7-200型PLC的编程口通过一根PPI电缆与IPC的一个RS232C串行通信口连接，用于程序的写入和调试以及上位机监视。 组态王与PLC之间通信采用的是Modbus通讯协议。Modbus协议是工业控制而设计的一种通用语言。通过此协议，控制器相互之间、控制器经由网络（例如以太网）和其它设备之间可以通信。Modbus的数据传输为主/从式，报文形式为请求/相应帧方式，不需握手，等待从机返回响应帧直至响应时间超时。对于广播报文从机不返回响应帧。在RS485等允许多个站点的网络中，至多只能有一个从站响应主站的请求。Modbus协议可使用ASCII和RTU两种传输模式，本系统支持的为RTU格式。 组态王通过串行口访问PLC相关的寄存器地址，以获得PLC所控制设备的状态或修改相关寄存器的值。在实际编程过程不需要编写读写PLC寄存器的程序，组态王提供了一种数据定义方法，在定义了I/O变量后，可直接使用变量名用于系统控制、操作显示、趋势分析、数据记录和报警显示。为了保证S7-200型PLC能够正常与IPC进行通信，除了在组态过程中对PLC进行正确的设置（波特率9600b/s，7位数据位，1位停止位，无校验，站号为2），载入PLC的通讯驱动程序外，还需要在PLC中进行如图4所示的一段程序，其功能是将PLC的通信参数与上位机设置一致。  2.2.3传感器校正算法 当用最小二乘曲线拟合法拟合函数时，如果逼近次数太高，导致计算速度过慢时，就应当采用分段曲线拟合。其原理是：对传感器分段选择多个试验点进行精确测试，并根据测试数据绘制出传感器的各段拟合曲线，然后利用拟合函数产生校正值生成分段查找表。如利用Kingview提供的工具直接查表取值，显然将会影响测量精度。如果采用线性插值的分段处理方法，必能有效提高系统精度，所以综合应用函数分段拟合算法和线性插值将会有效提高系统的测量精度。利用线性插值法实现补偿的过程是首先确定测量值在哪一个区间，然后调出区间端点对应值，利用公式：  实现校正，其中M为测量输出值，（M1，P1）、（M2，P2）为区间端点的值。 3 测控系统的主要功能 本文提出的基于组态软件和PLC的机翼精加工水平测控系统可以根据不同的工艺参数对测量位置实时监控及工艺人员可以通过友好的HMI方便地设定和修改各种工艺参数。该系统主要具备下列功能：（1）基本信息显示功能：显示各点的基本信息（横坐标、纵坐标、校零位等）;（2）工艺参数配置和修改功能：设定和修改各点变量（如局部外形偏差、安装误差、左右高度差等）的最佳值;（3）实时/历史曲线显示功能：本系统将所测各点参量实时地存入到对应的Excel数据库，并在两类HMI上显示实时/历史曲线;（4）报警功能：对系统的通讯点和各点的偏差设置了报警功能，一旦达到这些因素极限，HMI都会发出报警信息通知用户;（5）报表功能：数据报表主要反应生产过程中的数据和状态等，通过对长期生产过程进行统计可以掌握和分析设备的生产情况;（6）手/自动切换功能：在设计电路部分实现手动、半自动、全自动方式，能实现监控系统的自动/半自动，手动操作模式间的无扰切换;（7）传感器自动校正功能：采用分段拟合和线性插值的综合算法计算校正方法软件校正传感器的非线性及温度漂移。（8）其它功能：除了具备上述基本功能外，本系统还提供了登录权限保护功能和打印功能。前者为不同层次的用户提供对应的使用权限，以保护系统的安全和稳定。后者为用户提供了打印系统基本信息及实时/历史曲线的功能。 4 结束语 该系统利用了工控机组态软件的强大数据处理和图形表现能力，PLC抗干扰能力强、适用于工业现场的特点，融合了较先进的自动化技术、计算机技术、通讯技术、故障诊断技术和软件技术，具有可靠性高、维护容易和测量精度高（0.1%）等特点。此系统实现了数据的集中管理、自动控制、故障检测等多方面功能。它投入运行后，较好地实现了工艺控制要求，具有较高的性价比，得到了用户的一致好评，适合在我国航空工业推广使用。 |