江蘇徐州重型機械有限公司 江蘇徐州 221004

隨著輪式起重機向大型化方向發(fā)展,起重機系統(tǒng)越來越復雜［1］,擴展工況越來越多,市場對起重機的可靠性要求也越來越高,這些對輪式起重機的測試工作提出了更高的要求。當前大型輪式起重機的一些測試工況較為危險,作業(yè)空間較大,傳統(tǒng)的測試系統(tǒng)已經不能滿足測試工作的需求,而遠程測控系統(tǒng)的應用將很好地解決這一問題。

目前,遠程測控系統(tǒng)已經在許多行業(yè)得到了廣泛應用［2-3］,而在工程機械尤其是起重機現場測試方面的應用才剛剛起步。遠程測控系統(tǒng)可以通過現場總線網絡如以太網、CAN總線將分布在現場的各測試設備連通,形成一個測試設備網絡,達到資源共享和集中管控的目的,實現多臺設備協(xié)同工作,測試人員遠程操作監(jiān)控數據。在起重機多系統(tǒng)測試中,引入遠程測控技術建立遠程測控系統(tǒng),根據實際測試需求實現多個測試設備就近測試,解決了測試布線和測試設備放置困難等棘手問題,極大地提升了測試布點空間;同時,遠程測控技術允許測試人員遠離測試現場遠程操作,從而擴展了起重機作業(yè)空間,基本消除了空間對測試工況的限制,也大大提升了測試人員的工作安全性。

1 技術構架

本文中遠程測控系統(tǒng)以以太網為主通訊網絡,傳輸各遠程測控設備的實時采集數據;起重機控制器通訊以CAN總線為主,因此選用CAN總線為輔通訊網絡采集起重機信號。整體構架如圖1所示,主要包含3個部分:現場層、通訊層和測控層。

1.1 現場層

現場層主要是遠程測控設備通過CAN總線讀取起重機控制器運行數據,通過傳感器讀取起重機各個系統(tǒng)模擬量和數字量。

1.2 通訊層

遠程測控上位機通過以太網與現場各個遠程測控設備進行數據交互,按照測試需求遠程測控設備,將現場采集的各類數據通過以太網傳送到遠程測控上位機上。

圖1 遠程測控系統(tǒng)技術構架

1.3 測控層

測控層主要包含遠程測控上位機。測控上位機主要完成測試任務、采集內容、采集通道、采樣率等內容的設置,測試數據的實時顯示,測試數據的保存、分析、上傳數據庫等工作。

測試人員通過測控上位機遠程操作現場各個遠程測控設備,進行采集和測試數據的進一步操作。

2 硬件系統(tǒng)

硬件系統(tǒng)主要包含遠程測控設備和遠程測控上位機。

2.1 遠程測控設備

在起重機測試點相對集中的區(qū)域設置遠程測控設備完成該區(qū)域的數據采集,遠程測控設備要求體積小巧,數據采集主要是模擬量、數字量和CAN信號;同時要求有以太網、CAN通訊功能,時間同步接口等。根據以上分析,基于NI CompactRIO系統(tǒng)完成遠程測控設備設計,具體硬件配置選型要求表1所求。

2.2 遠程測控上位機

遠程測控上位機采用常規(guī)測控系統(tǒng)常用的研華工控機610H,具體配置如下:

? 機箱:研華610H(300W電源)

表1 遠程測控設備參數需求明細表

? 主板:研華H61工業(yè)ATX主板AIMB 701

? CPU:Intel 酷睿i5 2400(四核3.1G)

? RAM:DDR3 三代4G內存

? 顯卡:獨顯,研華 96VG-1G-PE-LE2

? 操作系統(tǒng):win7

2.3 對時系統(tǒng)

對時系統(tǒng)主要功能是確保遠程測控系統(tǒng)內所有遠程測控設備的時間采用同一個時間點,本文使用NI 的C模塊中GPS同步模塊為整個系統(tǒng)提供精確的時間同步。

3 采集和遠程傳輸技術設計

本文中的遠程測控技術重點功能是實現數據采集并遠程傳輸,本章針對這兩點說明本系統(tǒng)采用的創(chuàng)新技術。

3.1 CAN節(jié)點采集技術

CAN節(jié)點采集的關鍵點是波特率的設置和數據包解析。CAN模塊帶有波特率設置功能,但是在具體使用時,會出現丟包現象,因此根據CAN采集模塊的硬件特性并結合長期設計經驗設計出本系統(tǒng)特有的波特率驅動技術。在實際使用中,采集人員只需在人機界面中寫入所需要的波特率,系統(tǒng)底層軟件將按照波特率驅動技術計算相關參數并驅動硬件區(qū)達到相應效果。波特率驅動技術包含概念如下:

◆位時間(Bitt)——CAN模塊傳輸一位數據需要的時間,其倒數是波特率(BitRate);

◆波特率(BitRate)——每秒鐘傳輸的數據位數;

◆時間沖量(Tq)——CAN模塊內部時鐘,在本系統(tǒng)中需要結合CAN模塊和控制器處理時間的原子單位獲取,設置不同差異較大。

根據CAN2.0規(guī)范,結合本系統(tǒng)的波特率驅動技術將位時間分成三段,如圖2所示。

圖2 位時間Bitt與時間段的關系圖

具體說明如下:

◆SYNC_SEG——一個長度固定的時間沖量Tq本系統(tǒng)根據經驗設為C1個時間沖量Tq;

◆時段1TSG1——包含CAN標準的PROP_SEG和PHASE_SEG1,通過設置參數TSG1完成,本系統(tǒng)根據經驗設為C2個時間沖量Tq;

◆時段2TSG2——包含CAN標準的PHASE_SEG2,通過設置參數TSG2完成,本系統(tǒng)根據經驗設為C3個時間沖量Tq;

綜上,位時間Bitt使用若干個時間沖量Tq時鐘組成,公式如下:式中,C1、C2、C3——分別為根據經驗獲得的一個整數數集空間,根據不同波特率需求有不同的整數組合。

波特率的計算公式如下:

式中,BP——可設置整型參數,根據不同波特率需求選取不同的參數;

fCANCLK——CAN模塊的時鐘,可選用系統(tǒng)時鐘也可選用FPGA時鐘。

3.2 FIFO實時傳輸技術

各遠程測控設備采集的實時數據量大、種類多,如何避免遠程傳送給上位機時丟失數據,是本系統(tǒng)的關鍵點和難點。本系統(tǒng)設計基于網絡變量的方式,設計FIFO實時傳輸技術具體如圖3所示。

圖3 FIFO實時遠程傳輸液技術示意圖

以輪詢的方式將各個遠程測控設備采集的實時數據放入FIFO隊列中,為防止系統(tǒng)讀/寫速度的臨時波動引起數據丟失問題,引入FIFO緩沖區(qū)。上位機按照既定的讀取速度從FIFO緩沖區(qū)中讀取數據顯示在人機界面中,FIFO緩沖區(qū)中的數據是循環(huán)發(fā)送到上位機的讀取隊列中的。

FIFO緩沖區(qū)深度是整個FIFO實時傳輸技術的核心點,其設計若不合理將會影響整個FIFO實時傳輸的穩(wěn)定性,導致上位機實時顯示數據出現間斷或者失真,從而導致重大錯誤。

FIFO緩沖區(qū)深度設計原理如下:

式中,C4——根據經驗值獲得的整型參數區(qū)間;

SRn——遠程測控設備n的采樣率,一般遠程測控設備的采樣率數值都是一致的;

SPn——遠程測控設備n的采集通道;

CANn(b)——遠程測控設備n的采集數據轉換為6個32為整數數據后的數據量。

4 軟件系統(tǒng)設計

軟件部分是在labview平臺上開發(fā)的程序［4］,其設計按照模塊化原則,按功能分類主要包含以下模塊:用戶管理模塊、采集設置模塊,傳感器配置模塊,實時數據顯示模塊,數據文件操作模塊,數據分析模塊。具體內容如圖4所示。

圖4 軟件功能模塊圖

在軟件運行上采用多線程并行運行技術,可實現資源的合理分配,保證整個系統(tǒng)的高效運行。

5 遠程測控數據采集交互界面

遠程測控數據采集交互界面如圖5所示,具體功能如下:

? 在“開始存儲”、“暫停存儲”、“停止存儲”按鈕功能區(qū),設置了互鎖功能,防止用戶誤操作導致數據存儲不成功;

? 實現數據自動實時顯示;

? 存儲數據的過程中,頁面中依然可以實現實時采集數據的顯示;

? 點擊“開始采集”,開啟板卡采集,在波形圖區(qū)域將顯示測試曲線;

? 隨時都可以點擊“開始存儲”,將采集數據存儲到指定區(qū)域;

? 點擊“暫停存儲”,在波形圖區(qū)域顯示的測試曲線將靜止;

? 點擊“停止存儲”,板卡采集停止,存儲數據停止,在波形圖區(qū)域顯示的測試曲線依然實時顯示;

? 點擊退出系統(tǒng)按鈕將推出整個軟件并提示是否確定要推出軟件。

圖5 遠程測控系統(tǒng)數據采集界面

6 總結

本文針對汽車起重機測試工作的瓶頸問題,引進遠程測控技術,以NI CompactRIO系統(tǒng)為硬件系統(tǒng),基于以太網、CAN網絡設計遠程測控網絡。該遠程測控系統(tǒng)硬件系統(tǒng)構架清晰簡潔,易實現,通用性強;軟件系統(tǒng)模塊化設計,采用并行技術,運行效率高;操作界面簡潔,系統(tǒng)響應快,操作靈活便捷。該遠程測控系統(tǒng)改變了傳統(tǒng)的測試方式,測試設備分布放置,多臺設備協(xié)同工作,實現資源共享和集中管控,實現測試人員遠離測試現場,擴展測試空間拓展測試工況,提升測試作業(yè)安全性和測試安全性,在實際應用中取得了良好的效果。