張黨輝

(蘇州長(zhǎng)風(fēng)航空電子有限公司，江蘇 蘇州 215200)

隨著國(guó)內(nèi)航空發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度熱電偶產(chǎn)品工廠標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)擴(kuò)容，原始人工測(cè)量方式已不能滿足檢測(cè)產(chǎn)能提升需求，同時(shí)對(duì)于產(chǎn)品質(zhì)量一致性與質(zhì)量預(yù)測(cè)，其標(biāo)準(zhǔn)化測(cè)量及電子化數(shù)據(jù)必不可少。本文主要介紹了一種熱電偶全自動(dòng)檢測(cè)單元設(shè)計(jì)方法與實(shí)現(xiàn)過(guò)程，文中闡述了系統(tǒng)軟硬件單元的構(gòu)成，二級(jí)緩沖搬運(yùn)工位的設(shè)計(jì)、測(cè)試程序的開發(fā)，從而實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)單元熱電偶的常溫工位、高溫工位的電參數(shù)自動(dòng)檢測(cè)（包含電阻、絕緣、高溫絕緣、極性、精度等）、數(shù)據(jù)自查與報(bào)表輸出的實(shí)現(xiàn)，通過(guò)實(shí)踐，設(shè)計(jì)符合預(yù)期要求，對(duì)生產(chǎn)效率提升具有很大促進(jìn)作用。

1 系統(tǒng)架構(gòu)及工作原理

熱電偶自動(dòng)檢測(cè)單元結(jié)構(gòu)包含：主控機(jī)、網(wǎng)絡(luò)集線器、PCI 板卡、觸控屏、高溫爐、PID 控制器、可編程控制器（PLC）、伺服電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器、氣缸、機(jī)械手、信號(hào)燈、電路矩陣控制模塊、電阻掃描儀、絕緣電阻測(cè)試儀、溫度記錄儀、數(shù)據(jù)采集儀、校準(zhǔn)反饋熱電偶、掃描槍，儀器擴(kuò)展接口等機(jī)構(gòu)。所有子部件系統(tǒng)通過(guò)LAN 進(jìn)行互通控制，上位控制軟件根據(jù)用戶角色給定不同的系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定、操作、控制、后臺(tái)數(shù)據(jù)處理、計(jì)量等特殊權(quán)限。如圖1 所示，作者通過(guò)一種綜合參數(shù)采集系統(tǒng)及機(jī)械分系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)批量熱電偶的常溫工位電阻、絕緣，高溫工位極性、熱電偶精度、絕緣等自動(dòng)檢測(cè)功能，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)判別、存儲(chǔ)、打印、與其它系統(tǒng)交互功能。系統(tǒng)主要由專用托盤、放料工位、常溫工位、預(yù)熱工位、高溫工位、取料工位不同功能模塊組成，各工位間的托盤由對(duì)應(yīng)的推進(jìn)裝置協(xié)調(diào)機(jī)械手進(jìn)行流轉(zhuǎn)，不同工位采取自主檢測(cè)模式，由軟件控制中心進(jìn)行統(tǒng)一協(xié)調(diào)動(dòng)作。用戶操作軟件首先驗(yàn)證用戶權(quán)限與預(yù)置型號(hào)信息后自動(dòng)調(diào)取符合測(cè)試要求的本地后臺(tái)數(shù)據(jù)，用戶通過(guò)操作界面可以打開預(yù)測(cè)試數(shù)據(jù)與通訊編輯窗口、預(yù)置參數(shù)采集窗口、數(shù)據(jù)查詢解算與打印窗口、數(shù)據(jù)維護(hù)窗口、儀器設(shè)備計(jì)量窗口、用戶信息管理窗口與使用幫助文檔等，通過(guò)以上各操作窗口可以實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)試窗口參數(shù)自定義、熱電偶電參數(shù)自動(dòng)采集與智能判別信息、數(shù)據(jù)解算、自定義報(bào)表查詢與打印、數(shù)據(jù)備份、儀器儀表計(jì)量等功能。

圖1 系統(tǒng)原理架構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)控制要求

2.1 首先以技術(shù)人員角色進(jìn)入系統(tǒng)后臺(tái)，設(shè)定系統(tǒng)各單元的IP 地址、RS232/485 通訊接口參數(shù)、MODEBUS 擴(kuò)展儀器參數(shù)、注冊(cè)待測(cè)產(chǎn)品的檢測(cè)工序、數(shù)據(jù)判別界限、動(dòng)態(tài)窗口信息、報(bào)表格式等內(nèi)容。

2.2 以檢測(cè)人員角色登錄系統(tǒng)后，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入自檢測(cè)狀態(tài)，軟件會(huì)根據(jù)自檢測(cè)結(jié)果指導(dǎo)操作人員進(jìn)行所有工位的運(yùn)行初始化。

2.3 當(dāng)“放料工位”檢測(cè)到有托盤放置時(shí)，設(shè)備狀態(tài)燈提示操作人員有待測(cè)試任務(wù)，通過(guò)掃描槍注冊(cè)產(chǎn)品相關(guān)信息，點(diǎn)擊軟件“開始”按鈕，系統(tǒng)自動(dòng)執(zhí)行所有工序內(nèi)容?！俺毓の弧睖y(cè)量后自動(dòng)流轉(zhuǎn)至“預(yù)熱工位”，同時(shí)“放料托盤”回歸至初始位，狀態(tài)燈及軟件提示操作人員放料位空閑，當(dāng)“預(yù)熱工位”達(dá)到測(cè)試條件后自動(dòng)流轉(zhuǎn)至“高溫工位”進(jìn)行高溫相關(guān)電參數(shù)的測(cè)試，檢測(cè)完畢后流轉(zhuǎn)至“取料工位”，當(dāng)取料工位滿時(shí)自動(dòng)推出至取料位，狀態(tài)燈及軟件提示操作人員進(jìn)行取料操作。

2.4 系統(tǒng)控制中心主要由主系統(tǒng)流程與各工位執(zhí)行流程組成，系統(tǒng)五個(gè)虛擬工位與實(shí)際工位對(duì)應(yīng)，流向順序?yàn)閺娜斯し帕系狡渌ば颍總€(gè)機(jī)械周期根據(jù)工位申請(qǐng)信號(hào)執(zhí)行前移指令操作，不斷循環(huán)執(zhí)行，申請(qǐng)信號(hào)由當(dāng)前工位檢測(cè)數(shù)量，檢測(cè)模式，檢測(cè)結(jié)果標(biāo)志、狀態(tài)四組信號(hào)內(nèi)容組成。

2.5 系統(tǒng)運(yùn)行異常狀態(tài)分為嚴(yán)重、重要、一般三個(gè)等級(jí)。當(dāng)出現(xiàn)嚴(yán)重機(jī)械故障時(shí)，系統(tǒng)全部暫停非特定人員無(wú)法復(fù)位運(yùn)行；重要故障為異常位置、儀器通訊、緊急門禁等信號(hào)時(shí)，操作人員參照操作手冊(cè)對(duì)比故障代碼進(jìn)行對(duì)應(yīng)的故障消除及復(fù)位操作；一般故障為數(shù)據(jù)異常、通訊不可靠等，無(wú)需人員操作，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)提前設(shè)定的處理方式執(zhí)行，同時(shí)做出異常提醒。

3 系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)測(cè)控儀器。電阻采樣：選用同惠TH2518A 掃描儀（40 路），采用嚴(yán)格意義的四線制測(cè)量方法，可以實(shí)現(xiàn)在不進(jìn)行程序修正情況下，校準(zhǔn)板測(cè)量誤差＜1mΩ。絕緣電阻測(cè)試：選用同惠TH2683B，測(cè)量電壓范圍1～500V，絕緣電阻測(cè)試范圍100KΩ～10TΩ，具有絕緣電阻與漏電電流雙顯示，支持SCPI 可編程語(yǔ)言，可以實(shí)現(xiàn)PC 對(duì)儀器全部功能的異地操作與數(shù)據(jù)上傳功能。溫度采樣：選用同惠TH2552 溫度掃描儀（44 路），其儀表精度達(dá)到0.2%級(jí)別，采用線性補(bǔ)償方法，可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)去除線路損耗誤差，通過(guò)2 路PT100，A 級(jí)高精度常溫補(bǔ)償傳感器與儀表補(bǔ)償傳感器綜合處理下，可實(shí)現(xiàn)其動(dòng)態(tài)去除室溫干擾。PID 控制器：選用德電PU70，其控制器具備程序控制、AI 人工智能調(diào)節(jié)技術(shù)、MODBUS 通訊功能，測(cè)量精度達(dá)到0.25 級(jí)。矩陣控制：采用聚英電子改裝設(shè)計(jì)的DAM3232，單模塊實(shí)現(xiàn)32 路DO 輸出，32 路DI輸入，用于監(jiān)測(cè)系統(tǒng)位置信號(hào)及反饋信號(hào)，DO 通過(guò)改裝用于控制高壓矩陣模塊，實(shí)現(xiàn)絕緣電阻的自動(dòng)切換功能。PLC控制器：采用三菱FX 系列的FX5U-80M 中型控制器，I/O總點(diǎn)數(shù)為96，DI 位48，DO 為48；具有工程結(jié)構(gòu)化編程、運(yùn)算速度高、通過(guò)LAN 與外部通訊便捷等特點(diǎn)。表1 為PLC的主要I/O 端子分配表，伺服電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器選用Panasonic的MBDLN25SE 及400W 伺服電機(jī)，作為機(jī)械控制分系統(tǒng)的輔助控制單元使用。

表1 I/O 地址分配表

3.2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)。高溫校準(zhǔn)：采取對(duì)接方式，測(cè)溫爐校準(zhǔn)孔位采用高精度S 型（鉑銠）熱電偶進(jìn)行控溫及20 路測(cè)溫孔反饋，反饋溫度采用支持MODBUS 協(xié)議的20 路溫度掃描儀進(jìn)行讀取，測(cè)溫孔溫度實(shí)時(shí)精度在0.5%以內(nèi)，測(cè)溫孔位整體溫度在600℃～1000℃之間，同時(shí)實(shí)時(shí)指示每個(gè)熱電偶與測(cè)溫孔溫度差。接觸探針結(jié)構(gòu)：采用鍍金探針自由伸縮距離為12mm，接觸安全距離為6mm，探針表面采用鈍角梅花與產(chǎn)品實(shí)物接觸，即防止刺傷產(chǎn)品表面，同時(shí)能保證具有良好的接觸點(diǎn)。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)：由放料區(qū)、常溫測(cè)量區(qū)、高溫預(yù)熱區(qū)、高溫測(cè)量區(qū)、取料區(qū)組成，測(cè)量區(qū)域由機(jī)械手進(jìn)行搬運(yùn)，放料區(qū)由伺服電機(jī)與絲桿進(jìn)行推進(jìn)操作，取料區(qū)取料動(dòng)作由推進(jìn)氣缸執(zhí)行，常溫區(qū)與高溫區(qū)測(cè)試針模隨下壓氣缸組件控制，預(yù)熱爐設(shè)計(jì)為緩沖工位裝置用于調(diào)節(jié)常溫與高溫測(cè)試時(shí)間比例。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 系統(tǒng)控制流程。主程序模塊控制流程圖如圖2 所示，每個(gè)工位自主執(zhí)行測(cè)試流程，通過(guò)X1-X4 準(zhǔn)備信號(hào)信息申報(bào)由系統(tǒng)統(tǒng)一協(xié)調(diào)循環(huán)推進(jìn)。

圖2 系統(tǒng)工位流程圖

4.2 軟件功能設(shè)計(jì)。通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)于熱電偶產(chǎn)品的測(cè)試自定義，自定義測(cè)量界面、數(shù)據(jù)打印、MAS 系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)對(duì)接、后臺(tái)數(shù)據(jù)維護(hù)、人員角色管理、計(jì)量等操作。4.2.1 數(shù)據(jù)自定義界面。該界面為限制權(quán)限界面，內(nèi)容包含了新型號(hào)的注冊(cè)、用戶界面數(shù)據(jù)顯示最大數(shù)據(jù)量、通訊參數(shù)、參數(shù)配置、參數(shù)列表等功能，當(dāng)需要新增加新型號(hào)數(shù)據(jù)時(shí)，在參數(shù)設(shè)置表格中填寫對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)的窗口提示信息及上下限制參數(shù)。4.2.2 軟件采集界面。該界面為動(dòng)態(tài)生成界面，當(dāng)在自定義界面新增型號(hào)及檢測(cè)內(nèi)容后，采集界面會(huì)根據(jù)設(shè)定的檢測(cè)項(xiàng)目自動(dòng)生成對(duì)應(yīng)卡片頁(yè)的檢測(cè)項(xiàng)目?jī)?nèi)容，同時(shí)該界面基礎(chǔ)涵蓋注冊(cè)、電參數(shù)測(cè)量、主觀判斷與接口界面，其它界面如尺寸、重量、用戶自定義界面等會(huì)根據(jù)不同型號(hào)進(jìn)行動(dòng)態(tài)顯示，每個(gè)界面的輸入框與測(cè)量項(xiàng)目也會(huì)根據(jù)自定義內(nèi)容進(jìn)行動(dòng)態(tài)顯示，當(dāng)測(cè)試數(shù)據(jù)或輸入數(shù)據(jù)存在超差時(shí)，在表格中會(huì)通過(guò)黃色背景進(jìn)行標(biāo)識(shí)，當(dāng)自動(dòng)測(cè)量中存在嚴(yán)重的數(shù)據(jù)異常時(shí)，記錄表格相應(yīng)數(shù)據(jù)背景變?yōu)榧t色，正常數(shù)據(jù)或未開始測(cè)量的表格位置為無(wú)背景色。4.2.3 報(bào)告與數(shù)據(jù)輸出界面。在該界面中，用戶可以根據(jù)需要選擇對(duì)應(yīng)型號(hào)及數(shù)量類別進(jìn)行查詢，也可通過(guò)訂單號(hào)、單個(gè)序號(hào)、日期區(qū)間及檢驗(yàn)員進(jìn)行組合查詢，當(dāng)需要對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)換算（符合國(guó)標(biāo)熱電偶、鉑電阻轉(zhuǎn)溫度或逆向轉(zhuǎn)換）時(shí)，選擇對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)換項(xiàng)目，點(diǎn)擊數(shù)據(jù)結(jié)算即可生成對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)。當(dāng)需要打印數(shù)據(jù)時(shí)，選中對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)首行的復(fù)選框，點(diǎn)擊打印按鈕即可打印報(bào)告，同時(shí)鼠標(biāo)右鍵菜單選項(xiàng)中有MAS 對(duì)接數(shù)據(jù)上傳、PDF 文檔導(dǎo)出、導(dǎo)入用戶數(shù)據(jù)（引用其它系統(tǒng)電子數(shù)據(jù)）等功能。4.2.4 其它功能界面。數(shù)據(jù)維護(hù)界面用戶管理員對(duì)后臺(tái)數(shù)據(jù)的備份和后期遠(yuǎn)程維護(hù)等操作；用戶注冊(cè)界面用于管理員注冊(cè)新的檢驗(yàn)用戶角色，同時(shí)用于管理登錄用戶相關(guān)權(quán)限功能等；計(jì)量功能界面，該界面為限制權(quán)限界面，用于計(jì)量人員登錄操作，其中包含了對(duì)應(yīng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)動(dòng)作功能確認(rèn)，校準(zhǔn)參數(shù)的輔助測(cè)量、校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的后臺(tái)寫入等系統(tǒng)必須功能。

4.3 軟件實(shí)現(xiàn)。軟件主要涉及到數(shù)據(jù)庫(kù)的訪問(wèn)、公共SOCKET 鏈接、PLC 通訊、儀器儀表的測(cè)量、數(shù)據(jù)的判斷、打印等操作。

4.3.1 ADO 數(shù)據(jù)庫(kù)的訪問(wèn)。本系統(tǒng)使用ACCESS 數(shù)據(jù)庫(kù)軟件的ACCDE 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式，該數(shù)據(jù)庫(kù)可以高效運(yùn)行于本地系統(tǒng)，其中用戶信息、測(cè)量設(shè)置參數(shù)信息、與產(chǎn)品型號(hào)測(cè)量參數(shù)信息都存放于mubiao.accde 數(shù)據(jù)庫(kù)中，通過(guò)測(cè)量設(shè)置參數(shù)界面，用戶可以動(dòng)態(tài)管理產(chǎn)品型號(hào)測(cè)量參數(shù)信息的有關(guān)設(shè)置、創(chuàng)建及刪除操作；打印數(shù)據(jù)單獨(dú)存放于print.accde 數(shù)據(jù)庫(kù)，從而在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換運(yùn)算后直接將新數(shù)據(jù)存放臨時(shí)打印數(shù)據(jù)庫(kù)print.accde 中，將明顯減少主數(shù)據(jù)庫(kù)容量，訪問(wèn)主要程序部分指令如下：

數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)連接操作：

4.3.2 表單訪問(wèn)鏈接操作

4.3.3 資源管理類函數(shù)設(shè)置

4.3.4 資源操作類函數(shù)設(shè)置

4.3.5 Modbus TCP[1]模塊的操作。主要通過(guò)Modbus TCP協(xié)議通過(guò)，通道使用ASCII 順序編碼作為標(biāo)志，當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)前發(fā)送復(fù)位指令，切換設(shè)備所有測(cè)量通道自動(dòng)切換一邊，對(duì)應(yīng)的提示燈將告訴用戶，該通道是否可控。當(dāng)測(cè)量過(guò)程中需要多路復(fù)用時(shí)，通過(guò)發(fā)動(dòng)對(duì)應(yīng)通道信息，也可以同時(shí)啟用兩組繼電器，如四線制電阻與第8 路通，標(biāo)識(shí)儀表正在使用電阻測(cè)量功能，正在測(cè)試第八路傳感器產(chǎn)品的電阻值，格式如“01 18 20001008 CRSD”。

4.3.6 查詢及打印報(bào)表。通過(guò)通用化自定義表格模板借助BarTender 進(jìn)程實(shí)現(xiàn)快速化打印，通過(guò)符合ITS-90 國(guó)際溫標(biāo)實(shí)現(xiàn)熱電偶數(shù)據(jù)的溫度轉(zhuǎn)化[2]，具體實(shí)現(xiàn)，用戶可以像編輯EXCEL 一樣在BarTender 建立相應(yīng)模板，將對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)與相應(yīng)數(shù)據(jù)庫(kù)字段綁定，也可對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)字段單組或多組數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單的VBA 操作，從而實(shí)現(xiàn)相同數(shù)據(jù)庫(kù)匹配用戶不同的報(bào)告格式要求；通過(guò)擬合ITS-90 中的分度表公式，使用戶在相關(guān)電阻，電壓值需要轉(zhuǎn)化溫度或測(cè)量誤差時(shí)，通過(guò)簡(jiǎn)單操作即可實(shí)現(xiàn)用戶所需要的相關(guān)數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)自動(dòng)增加在表格列尾部，在打印時(shí)數(shù)據(jù)自動(dòng)保存在print.accde 數(shù)據(jù)庫(kù)當(dāng)中；通過(guò)進(jìn)程啟用函數(shù)，用戶可以按照規(guī)則自動(dòng)啟動(dòng)后臺(tái)模板（產(chǎn)品型號(hào)與頁(yè)碼號(hào)形成每項(xiàng)打印內(nèi)容的頁(yè)數(shù)），相關(guān)指令如下所示：

5 系統(tǒng)實(shí)踐

通過(guò)系統(tǒng)實(shí)踐測(cè)試，熱電偶測(cè)試可以根據(jù)用戶自定義方式采樣及測(cè)算，同時(shí)具有聲音與表格背景色提示，計(jì)量?jī)x表可直接通過(guò)接口進(jìn)行，無(wú)需拆解。通過(guò)以XX-XX01 傳感器參數(shù)測(cè)試為例，進(jìn)行了用戶參數(shù)自定義設(shè)置，數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、數(shù)據(jù)解算與報(bào)表打印、設(shè)備計(jì)量等測(cè)試，符合設(shè)計(jì)預(yù)期，批量產(chǎn)品測(cè)量效率明顯高于人工。通過(guò)該系統(tǒng)設(shè)計(jì)，驗(yàn)證了采用虛擬工位與基于SOCKET 的熱電偶全自動(dòng)檢測(cè)單元系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的可行性，測(cè)量系統(tǒng)軟件預(yù)留了拓展接口模塊，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)SCPI 命令[3]與VISA 語(yǔ)言[4]可以迅速將電感測(cè)量?jī)x、數(shù)字信號(hào)發(fā)生器等數(shù)字化儀器以LAN 接口方式擴(kuò)充到集成系統(tǒng)中來(lái)。

6 結(jié)論

通過(guò)基于SOCKET 的熱電偶全自動(dòng)檢測(cè)單元系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)踐，提出了由全局SOCKET 套接字連接的全自動(dòng)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，虛擬工位防錯(cuò)的調(diào)度方式，與控制語(yǔ)言，并實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)采集系統(tǒng)軟件；實(shí)際應(yīng)用表明，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可靠、控制軟件運(yùn)行穩(wěn)定，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)語(yǔ)言設(shè)計(jì)使得本系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)在支持VISA 與SCPI 的儀表中進(jìn)行無(wú)差別化移植，滿足用戶多種測(cè)試需求；實(shí)現(xiàn)傳感器的數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、自動(dòng)判別、符合ITS-90 的熱電偶、熱電阻溫度轉(zhuǎn)換、自動(dòng)存儲(chǔ)及打印報(bào)表等功能，通過(guò)替代人工，明顯提升了檢驗(yàn)測(cè)試準(zhǔn)確性與效率。