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篇1

2多軸運(yùn)動控制器的方案設(shè)計

多軸運(yùn)動控制器可以通過遠(yuǎn)程以太網(wǎng)通信的方式接收上位機(jī)的控制信號，向步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器發(fā)送脈沖信號和方向信號以完成對電機(jī)的運(yùn)動控制。采用ARM9處理器S3C2440搭建硬件平臺，配有DM9000A以太網(wǎng)通信芯片使硬件平臺具備遠(yuǎn)程通信的功能。在Linux操作平臺上進(jìn)行控制系統(tǒng)軟件功能設(shè)計，并采用UDP通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與運(yùn)動控制器之間的遠(yuǎn)程通信［3］。

2．1多軸運(yùn)動控制器硬件電路設(shè)計

本文采用ARM9處理器S3C2440設(shè)計了系統(tǒng)中運(yùn)動控制器的硬件電路部分，并采用DM9000A網(wǎng)絡(luò)接口控制器設(shè)計了運(yùn)動控制器的以太網(wǎng)接口。運(yùn)動控制器硬件整體框圖如圖2所示。運(yùn)動控制器選用ARM9處理器作為運(yùn)動控制器的核心芯片可以方便地嵌套Linux操作系統(tǒng)，在操作系統(tǒng)之上實(shí)現(xiàn)運(yùn)動控制器的插補(bǔ)等多軸運(yùn)動控制算法。選用DM9000A以太網(wǎng)控制芯片實(shí)現(xiàn)上位機(jī)LabVIEW與運(yùn)動控制器之間的遠(yuǎn)程通信，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)超聲檢測的遠(yuǎn)程自動控制。為了解決步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器與主控芯片信號匹配的問題，本文采用光耦器件設(shè)計了電壓轉(zhuǎn)換模塊，負(fù)責(zé)把主控芯片輸出的3．3V電壓信號轉(zhuǎn)換至5V電壓信號后輸入到步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器中，同時負(fù)責(zé)把限位開關(guān)發(fā)出的24V限位信號轉(zhuǎn)換至3．3V輸入到主控芯片中。此外，電路中還搭載了用于存儲數(shù)據(jù)的擴(kuò)展存儲器、以及用于調(diào)試的JTAG接口電路和RS232串口電路。

2．2多軸運(yùn)動控制器軟件設(shè)計

本課題所用的限位開關(guān)為位置可調(diào)的限位開關(guān)，每個軸有2個限位開關(guān)，在每次超聲檢測前，把每個限位開關(guān)調(diào)節(jié)到被測工件的邊緣處，從而使探頭移動的范圍即為工件所在范圍。故此設(shè)計運(yùn)動控制器的軟件時便可將限位開關(guān)做為邊界條件，以此來設(shè)計探頭的運(yùn)動范圍。其運(yùn)動控制流程:首先系統(tǒng)初始化，通過上微機(jī)控制界面人工控制探頭到被測工件的起點(diǎn)，然后X軸正向運(yùn)動到X軸限位開關(guān)處，Y軸正向運(yùn)動一個探頭直徑的長度，X軸再反向運(yùn)動到X軸另一側(cè)的限位開關(guān)處，之后Y軸繼續(xù)正向運(yùn)動一個探頭直徑的長度，如此往復(fù)運(yùn)動直至探頭到達(dá)Y軸的限位開關(guān)處，檢測結(jié)束，探頭復(fù)位。運(yùn)動控制軟件流程圖如圖3所示。

3多軸運(yùn)動控制系統(tǒng)上位機(jī)軟件設(shè)計

基于以太網(wǎng)的自動超聲檢測多軸運(yùn)動控制系統(tǒng)的上位機(jī)軟件是以LabVIEW開發(fā)平臺為基礎(chǔ)，使用圖形G語言進(jìn)行編寫的，主要包括多軸運(yùn)動控制軟件和以太網(wǎng)通信軟件。Lab-VIEW是一款上位機(jī)軟件，其主要應(yīng)用于儀器控制、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)分析等領(lǐng)域，具有良好的人機(jī)交互界面［4］。LabVIEW軟件中有專門的UDP通信函數(shù)提供給用戶使用，用戶無需過多考慮網(wǎng)絡(luò)的底層實(shí)現(xiàn)，就可以直接調(diào)用UDP模塊中已經(jīng)的VI來完成通信軟件的編寫，因此編程者不必了解UDP的細(xì)節(jié)，而采用較少的代碼就可以完成通信任務(wù)，以便快速的編寫出具有遠(yuǎn)程通信功能的上位機(jī)控制軟件［5］。上位機(jī)LabVIEW軟件的遠(yuǎn)程通信模塊、運(yùn)動控制模塊以及數(shù)據(jù)處理模塊相互協(xié)調(diào)配合，共同構(gòu)成了超聲檢測多軸運(yùn)動控制系統(tǒng)的上位機(jī)軟件。

3．1運(yùn)動控制軟件設(shè)計

運(yùn)動控制系統(tǒng)軟件部分主要由運(yùn)動方式選擇、探頭位置坐標(biāo)、運(yùn)動控制等模塊組成，可完成對系統(tǒng)運(yùn)動方式的選擇，運(yùn)動參數(shù)、控制指令的設(shè)定以及探頭位置信息讀取等工作。運(yùn)動方式選擇模塊可根據(jù)實(shí)際需要完成相對運(yùn)動或是絕對運(yùn)動兩種運(yùn)動方式的選擇，并會依照選擇的既定運(yùn)動模式將X、Y、Z三軸的相應(yīng)運(yùn)動位置坐標(biāo)輸出在相應(yīng)顯示欄中，以便進(jìn)行進(jìn)一步的參數(shù)核對以及設(shè)定;運(yùn)動控制模塊可依照檢測規(guī)則實(shí)現(xiàn)對整個系統(tǒng)運(yùn)動過程的控制，包括:設(shè)定相對原點(diǎn)、運(yùn)行、復(fù)位、以及退出等相關(guān)操作。相對原點(diǎn)設(shè)定可以將探頭任意當(dāng)前位置設(shè)為新的原點(diǎn)，并以原點(diǎn)作為下一個運(yùn)動的起始點(diǎn)，即為探頭位置坐標(biāo)的相對零點(diǎn)，并將此刻相對原點(diǎn)的絕對位置坐標(biāo)值在文本框中顯示出來。運(yùn)動控制系統(tǒng)軟件流程圖如圖4所示。

3．2以太網(wǎng)通信軟件設(shè)計

以太網(wǎng)通信模塊采用無連接的UDP通信協(xié)議，通過定義多軸運(yùn)動控制器與上位機(jī)LabVIEW的以太網(wǎng)通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)下位機(jī)與上位機(jī)之間的遠(yuǎn)程通信。具體設(shè)計如下:首先使用“UDPOpenConnection”打開UDP鏈接，使用“UDPWrite”節(jié)點(diǎn)向服務(wù)器端相應(yīng)的端口發(fā)送命令信息，然后使用“UDPRead”節(jié)點(diǎn)讀取服務(wù)器端發(fā)送來的有效回波數(shù)據(jù)，用于后期處理，最后應(yīng)用“UDPCloseConnection”節(jié)點(diǎn)關(guān)閉連接［6］。以太網(wǎng)通信模塊的程序框圖如圖5所示。

4實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

實(shí)驗(yàn)平臺由步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動器、上位機(jī)控制軟件和自主研發(fā)的多軸運(yùn)動控制器構(gòu)成。在上位機(jī)的用戶控制界面中，首先輸入以太網(wǎng)的IP地址并選擇運(yùn)動方式，然后根據(jù)用戶的檢測需求設(shè)定運(yùn)動速度和運(yùn)動距離，點(diǎn)擊運(yùn)行后探頭即按所設(shè)定運(yùn)行。探頭運(yùn)動過程中還可以選擇設(shè)定當(dāng)前位置為原點(diǎn)，探頭即按照新的原點(diǎn)重新開始運(yùn)動。同時，在探頭運(yùn)動時會實(shí)時顯示探頭當(dāng)前所在位置坐標(biāo)。模擬開關(guān)發(fā)送選通超聲探頭信號并發(fā)送脈沖信號激勵超聲探頭發(fā)射超聲波，F(xiàn)PGA控制A/D轉(zhuǎn)換電路對超聲回波信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換，并將數(shù)據(jù)存入雙口RAM，存儲完成后向ARM發(fā)送信號，ARM接收到采集完成信號將數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)向上位機(jī)發(fā)送。上位機(jī)的LabVIEW用戶控制界面如圖6所示。

篇2

    (1)根據(jù)該項目設(shè)計的要求:對系統(tǒng)進(jìn)行了總體設(shè)計。構(gòu)建了以通用 PC 機(jī) 為上位機(jī),可編程序控制器(S7-200PLC)為下位機(jī)的控制系統(tǒng)。

    (2)控制軟件編程:控制軟件采用自適應(yīng)設(shè)計,使系統(tǒng)的穩(wěn)定性發(fā)揮到最佳 狀態(tài)。采用提前量自整定的控制算法并編寫了 PLC 程序,實(shí)現(xiàn)了提高了發(fā)油精 度的設(shè)計目標(biāo)。

    (3)組態(tài)軟件設(shè)計:利用組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)上位機(jī)對系統(tǒng)的組態(tài)控制。 

    由于時間有限,本課題難免存在一些不足,需在以后的研究中進(jìn)一步完善。 后續(xù)工作應(yīng)集中在以下幾方面:

    (1)本系統(tǒng)設(shè)計主要是針對中小型油庫而設(shè)計的,總的發(fā)油鶴位小于十個, 如果油庫的規(guī)模再大些,可以采用 S7-300PLC 作控制主站,S7-200PLC 通過 PROFIBUS 現(xiàn)場總線掛接在 S7-300 上作為控制從站,形成 PROFIBUS 現(xiàn)場總線 結(jié)構(gòu),系統(tǒng)的適應(yīng)能力會更強(qiáng)大。

    (2)為了加強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性,如果條件允許,還可以增加雙設(shè)備冗余或雙 機(jī)熱備功能。

    (3)在原有控制程序的算法上加入人工智能方法(專家系統(tǒng)、模糊邏輯、神 經(jīng)網(wǎng)絡(luò)),實(shí)現(xiàn)智能控制,從而提高控制系統(tǒng)的性能。

    6 技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

    本文是針對中小型油庫設(shè)計的。設(shè)計的對象是自動發(fā)油系統(tǒng);設(shè)計的目的是在日益激烈的國際市場競爭面前,提高油庫效率,加快周轉(zhuǎn),加強(qiáng)安全管理,減少人為差錯,增強(qiáng)竟?fàn)幜吞嵘髽I(yè)形象。信息化、自動化、規(guī)范化是油庫發(fā)展的必然趨勢。

    以PLC為控制器投資比較大。一臺西門子S7-200的PLC加上擴(kuò)展模塊售價為5000元;油泵每臺2500元以內(nèi);電動機(jī)每臺2000元,總投資為23000元。它比DCS系統(tǒng)和以太網(wǎng)系統(tǒng)要貴一些,但是,它以良好的人機(jī)界面、發(fā)油的穩(wěn)定性和兼容性為以后的維修和長時間的使用打下了基礎(chǔ),后期的維修費(fèi)用大大降低了。

    致謝

    本論文是老師的悉心指導(dǎo)下完成的,在課題進(jìn)展的全過程中,宋老師精心指導(dǎo),嚴(yán)格要求,可以說自己每一步的前進(jìn)都是與老師的指導(dǎo)分不開的。 宋老師學(xué)識淵博、治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn),具有豐富的實(shí)際科研項目經(jīng)驗(yàn)。宋老師待人熱情,從不以長者自居,他是學(xué)生的良師益友?？偠灾?無論是在做學(xué)問還是在做人方面,宋老師為我樹立了榜樣,指明了方向。

    本論文之所以能順利完成,還要感謝同學(xué)們的熱心幫助,我還要向自己的父母、親戚和朋友表示感激,感謝他們的全力支持和鼓勵。最后,我再一次向曾經(jīng)支持和幫助過我的老師、同學(xué)表示衷心 的感謝!

    參考文獻(xiàn)

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篇3

自動控制故障注入是對產(chǎn)品進(jìn)行檢測實(shí)驗(yàn)以及驗(yàn)證容錯系統(tǒng)的技術(shù)手段之一。利用故障注入這一形式，設(shè)備檢測實(shí)驗(yàn)?zāi)茉赨UT（被驗(yàn)證單元）進(jìn)行機(jī)內(nèi)測試功能的診斷以及外部測試功能診斷的驗(yàn)證。在科學(xué)技術(shù)不斷進(jìn)步發(fā)展的背景下，自動控制故障注入這一技術(shù)已經(jīng)全面代替?zhèn)鹘y(tǒng)的手工的故障注入技術(shù)。在驗(yàn)證容錯系統(tǒng)的過程中，故障注入能客觀評價整個系統(tǒng)的容錯能力。當(dāng)前從驗(yàn)證對象不同的技術(shù)狀態(tài)進(jìn)行劃分，可將故障注入這一技術(shù)分為兩大類型：一是應(yīng)用到成品中的技術(shù)，一是在產(chǎn)品模型或者產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計狀態(tài)中的技術(shù)。

當(dāng)前故障輸入技術(shù)能有驗(yàn)證對象進(jìn)行緊密的聯(lián)系，但是無法直接在電子成品設(shè)備中進(jìn)行驗(yàn)證，所以，自動控制故障注入設(shè)備的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)成了該領(lǐng)域的重點(diǎn)以及難點(diǎn)。

一、自動控制故障注入設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.自動控制故障注入設(shè)備結(jié)構(gòu)研究

自動控制故障注入設(shè)備包含了多個模塊，各個不同的模塊功能各有特點(diǎn)。

數(shù)字控制的主要功能在于對軟件發(fā)出的命令進(jìn)行接收，形成對應(yīng)的控制信息；控制軟件能對故障注入設(shè)備的相關(guān)數(shù)值進(jìn)行設(shè)定、控制，外界測試器測試出的結(jié)論將向控制軟件進(jìn)行反饋，做出故障結(jié)果的分析以及處理動作；驅(qū)動放大模塊主要功能在于放大控制信號，驅(qū)動加強(qiáng)信號的接收以及切換模塊，驅(qū)動故障控制模塊；注入設(shè)備的信號接收模塊功能在于提供UUT信號接收線口，在還未進(jìn)行故障注入時保證UUT能夠進(jìn)行正常的工作，所謂接口適配器能將故障注入設(shè)備與UUT進(jìn)行匹配以及連接，類型各異的UUT適用于不同的接口適配器類型，以此來提高故障注入的實(shí)用性能；另外，注入設(shè)備的信號接入總線主要是利用接口適配器，將UUT的信號線與故障注入設(shè)備進(jìn)行連接，免于在大量故障接入過程中再重新進(jìn)行連線，最終保證注入故障的實(shí)用性以及操作便利。

該注入設(shè)備結(jié)構(gòu)還包括以下部分：故障注入總線主要是用來進(jìn)行故障注入操作；信號切換模塊以及注入模塊主要以故障注入要求為前提，將相對的信號與總線發(fā)出的信號進(jìn)行切換；故障注入能對不同類型的故障注入進(jìn)行操作，顯示模塊會將與總線進(jìn)行連接的信號注入至總線信號通道，在通道上完成故障類型的設(shè)置。

2.自動控制注入設(shè)備設(shè)計工作原理

在自控注入設(shè)備設(shè)計與實(shí)現(xiàn)過程中，主要工作原理在于利用設(shè)備控制軟件實(shí)現(xiàn)故障參數(shù)的注入，通過數(shù)字控制設(shè)計模塊，控制軟件形成信息被解析成為控制信號，利用驅(qū)動放大模塊來將信號進(jìn)行放大，利用驅(qū)動控制接收模塊、故障注入模塊等運(yùn)作，最終實(shí)現(xiàn)故障的自動注入以及撤銷。

設(shè)計故障注入設(shè)備的重點(diǎn)在于實(shí)對設(shè)備的實(shí)用性能、通用性能及完整性能做充分考慮。在通用性設(shè)計中，UUT與接口適配器注入設(shè)備分離，可對UUT進(jìn)行信號處理時了使用耐大電壓的電流器件，將UUT的信號兼容能力進(jìn)行提升。在操作性能的設(shè)計中，將接口適配器所需要的UUT信號一次性與故障輸入設(shè)備進(jìn)行連接，利用顯示模塊對控制指令進(jìn)行確認(rèn)，保證指令的正確執(zhí)行，如此便于進(jìn)行多種復(fù)雜的軟件操作。在設(shè)備完整性設(shè)計方面，故障注入相關(guān)模塊進(jìn)行了保護(hù)性相關(guān)安排，能夠免于物理性質(zhì)損壞UUT相關(guān)的電子元件。在注入設(shè)備的拓展性方面，信號拓展接口以及信號切換對應(yīng)模塊在接入信號時實(shí)現(xiàn)了能力拓展，而故障注入模塊則直接開拓了故障注入能力。

二、注入設(shè)備重點(diǎn)模塊設(shè)計

1.輸入設(shè)備故障注入模塊設(shè)計

故障注入模塊包括多種故障類型：錯誤信號、短路信號、串聯(lián)電阻、固高信號以及信號與電阻產(chǎn)生地面搭接等。

信號串聯(lián)電阻的主要原理圖如上。在必要的條件下，可對電阻進(jìn)行多個組合完成阻值的匹配，阻值選擇主要通過驅(qū)動大模塊以及數(shù)字控制模塊進(jìn)行確定，利用K1、K2完成操作，再將電阻與對應(yīng)的故障注入總線進(jìn)行串聯(lián)。

2.控制軟件的設(shè)計

故障注入自動控制軟件的運(yùn)用原理主要是：在注入設(shè)備參數(shù)得以建立之后，利用自動控制使用界面產(chǎn)生和形成了注入?yún)?shù)值，產(chǎn)生同UUT的故障參數(shù)相關(guān)的數(shù)據(jù)文件，形成UUT不相關(guān)的控制數(shù)值等，向UUT注入故障注入設(shè)備的故障信息，在此基礎(chǔ)上對相關(guān)的信息以及最終的注入效果進(jìn)行結(jié)果的收集，產(chǎn)生輸出數(shù)據(jù)的形式文件，便于進(jìn)行分析。

3.自動控制故障注入設(shè)備的實(shí)現(xiàn)

在設(shè)計故障注入設(shè)備的前提條件之上實(shí)現(xiàn)自控故障注入設(shè)備，這一故障設(shè)備總共含有了四十多條信號通道接收總線以及三條故障注入總線。在注入設(shè)備控制軟件設(shè)計中，在WINDOW平臺上進(jìn)行操作，利用BASIC語言進(jìn)行編寫，設(shè)備采用110v額定電壓以及1A額定電流類型繼電器，注入設(shè)備的數(shù)字控制模塊利用PCI插件版。

在對設(shè)計的故障輸入設(shè)備進(jìn)行注入實(shí)驗(yàn)過程中，主要的故障注入部位是注入設(shè)備內(nèi)的串行通信線，這一總線設(shè)計具有對應(yīng)的設(shè)備接口適配器，利用數(shù)字化的波形采集器采集故障波形信息，累計注入68個故障。

三、結(jié)語

自動控制故障注入設(shè)備在進(jìn)行故障注入設(shè)備性能實(shí)驗(yàn)中占有重要地位和作用，當(dāng)前須根據(jù)實(shí)際的故障注入要求，在堅持故障注入設(shè)備擴(kuò)展性、實(shí)用性、操作性以及無破壞性基礎(chǔ)上進(jìn)行自動控制技術(shù)的設(shè)計以及研究，通過系列的實(shí)驗(yàn)對注入設(shè)備實(shí)際效果進(jìn)行驗(yàn)證。另外，注入設(shè)備之間含有可插拔的連線，其電流以及信號電壓保持在中、低取值范圍，但是這一故障注入設(shè)備包含的故障類型仍然不全面，在日后的設(shè)計中仍需要加強(qiáng)和完善。

參考文獻(xiàn)

篇4

引言

劍桿毛巾織機(jī)以其靈活多變、適應(yīng)性廣、技術(shù)發(fā)展成熟而深受毛巾生產(chǎn)企業(yè)的青睞。當(dāng)前劍桿毛巾織機(jī)逐步替代了老舊的有梭織機(jī)，成為了毛巾織造行業(yè)的主流設(shè)備。近年來，國產(chǎn)劍桿毛巾織機(jī)在市場需求的推動下得到了巨大的發(fā)展，但是遍布江浙地區(qū)的中小型劍桿毛巾織機(jī)生產(chǎn)企業(yè)的自主研發(fā)能力普遍還很弱，現(xiàn)有的劍桿毛巾織機(jī)產(chǎn)品大多數(shù)是在測繪國外中低檔產(chǎn)品的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，高性能與新機(jī)型的研發(fā)能力以及自動控制系統(tǒng)的研發(fā)能力普遍不足，而市場競爭越來越激烈，需要不斷更新和開發(fā)產(chǎn)品。因此，在完成機(jī)械部件設(shè)計的基礎(chǔ)上，開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高性能控制系統(tǒng)，逐漸成為國內(nèi)中小型劍桿毛巾織機(jī)生產(chǎn)廠家關(guān)注的重點(diǎn)。

文章以劍桿毛巾織機(jī)樣機(jī)（如圖1所示）為控制對象，在分析毛巾織造工藝的基礎(chǔ)上，提出了一套以ARM技術(shù)為核心的新型毛巾劍桿織機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計方案，并制作樣機(jī)。文章的研究成果將在合作單位首先試用并進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化推廣，有利于推動紹興以及浙江地區(qū)中小型劍桿毛巾織機(jī)生產(chǎn)企業(yè)產(chǎn)品的升級換代，提高其市場競爭力。

圖1 劍桿毛巾織機(jī)樣機(jī)

1 硬件設(shè)計方案

設(shè)計的毛巾劍桿織機(jī)控制系統(tǒng)以ARM技術(shù)為核心，采用的主控芯片為LPC1766。硬件電路設(shè)計過程為：首先，根據(jù)控制系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計方案，完成電路原理圖設(shè)計，并計算相關(guān)電路參數(shù)，采購電路元器件。其次，對關(guān)鍵電路模塊進(jìn)行功能仿真或制作實(shí)物電路論證電路設(shè)計的合理性與可靠性。最后，繪制電路PCB板圖，重點(diǎn)考慮電路布局與電路板抗干擾性能。在拿到PCB樣板后，焊接控制系統(tǒng)電路板。其核心電路如下所述：

1.1 主控制板硬件電路設(shè)計

主控制板硬件電路設(shè)計包括：LPC1766芯片供電模塊、電源電路、數(shù)據(jù)存儲模塊、時鐘電路、USB輸入輸出接口、19264液晶顯示屏控制電路、掉電復(fù)位保護(hù)電路、劍桿毛巾織機(jī)運(yùn)行狀態(tài)信號量輸入模塊、起毛伺服控制器接口、鍵盤接口電路以及電子多臂龍頭控制板、伺服電機(jī)連接控制板與8色選緯控制板的接口等電路模塊的設(shè)計、驗(yàn)證與制作調(diào)試工作。其中液晶顯示電路如圖2所示。

1.2 卷取伺服電機(jī)連接控制板設(shè)計

卷取伺服電機(jī)連接控制板主要解決主控制板與卷取系統(tǒng)的伺服電機(jī)控制器之間的通信問題，具有獨(dú)立的控制芯片STCF1104。該連接控制板與主控制板之間的通信采用RS232實(shí)現(xiàn)。卷取伺服電機(jī)連接控制板與伺服控制器之間需要實(shí)現(xiàn)伺服使能信號、伺服硬件異常報警信號、伺服系統(tǒng)定位完成、伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向與脈沖數(shù)等信息的讀取與設(shè)置。

2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

劍桿毛巾織機(jī)控制系統(tǒng)的軟件將以實(shí)時嵌入式系統(tǒng)μC/OS-II與FAT32文件管理系統(tǒng)為平臺進(jìn)行開發(fā)。其設(shè)計流程如下：

（1）在控制系統(tǒng)方案設(shè)計：首先，進(jìn)性詳細(xì)的市場調(diào)研，分析市場上主流的劍桿織機(jī)控制系統(tǒng)（包括平布與毛巾織機(jī)）的功能特點(diǎn)，借鑒其好的設(shè)計思想，使其為我所用，并設(shè)法改進(jìn)其不足之處，確保設(shè)計的劍桿毛巾織機(jī)控制系統(tǒng)符合當(dāng)前的技術(shù)潮流，并具有自己的特色。其次，與合作單位的機(jī)械部件設(shè)計人員進(jìn)行充分的交流，在深刻領(lǐng)會其整機(jī)設(shè)計思想、織機(jī)控制要求與控制系統(tǒng)制造成本要求后撰寫劍桿毛巾織機(jī)控制系統(tǒng)用戶需求分析報告與總體方案設(shè)計報告，并提交合作單位審核通過。確保項目研究成果能在合作單位使用推廣，并被市場接受。

（2）控制系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計：首先，詳細(xì)分析毛巾織造工藝流程，理清劍桿毛巾織機(jī)控制信息點(diǎn)、研究織機(jī)動作時序，確立控制時間節(jié)點(diǎn)與控制信息間的邏輯關(guān)系。其次，根據(jù)用戶需求分析報告，對總體方案進(jìn)行細(xì)化，提出各個控制模塊與相關(guān)控制算法的具體實(shí)現(xiàn)方案，并完成關(guān)鍵芯片與外購部件的選型工作。

（3）控制系統(tǒng)軟件編寫：首先，選擇合適的軟件開發(fā)工具，建立嵌入式系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境，并完成嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)μC/OS-II與FAT32文件系統(tǒng)在LPC1766芯片上的移植工作。其次，理清控制系統(tǒng)所有控制信息之間的邏輯關(guān)系，編寫控制系統(tǒng)軟件流程圖與狀態(tài)向量圖。再次，對控制系統(tǒng)軟件進(jìn)行模塊劃分，編寫各個子函數(shù)的輸入輸出接口，并設(shè)計控制信息數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)模型與控制算法。最后，項目組軟件編寫人員通過分工合作完成軟件代碼編寫與調(diào)試。

（4）劍桿毛巾織機(jī)控制系統(tǒng)調(diào)試：在完成控制系統(tǒng)硬件電路制作與控制軟件設(shè)計后進(jìn)行系統(tǒng)軟硬件聯(lián)合調(diào)試，驗(yàn)證各項控制功能是否完備、織機(jī)動作流程控制是否合理、各個控制模塊工作是否穩(wěn)定。通過軟硬件聯(lián)合調(diào)試，發(fā)現(xiàn)并修正控制方案、硬件電路、控制系統(tǒng)參數(shù)、軟件設(shè)計中的缺陷與錯誤。

（5）劍桿毛巾織機(jī)整機(jī)調(diào)試：在完成控制系統(tǒng)軟硬件調(diào)試后，將劍桿毛巾織機(jī)控制系統(tǒng)安裝到合作單位提供的樣機(jī)上進(jìn)行整機(jī)調(diào)試，驗(yàn)證劍桿毛巾織機(jī)的整機(jī)功能是否達(dá)到設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、能否正確合理完成毛巾布料制造全部工藝流程與安全性要求。通過整機(jī)調(diào)試，發(fā)現(xiàn)并修正控制方案、硬件電路、控制系統(tǒng)參數(shù)、軟件設(shè)計中的缺陷與錯誤，使得設(shè)計開發(fā)的控制系統(tǒng)達(dá)到設(shè)計要求。

控制系統(tǒng)軟件具體的開發(fā)流程如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計開發(fā)流程圖

3 結(jié)束語

設(shè)計完成的毛巾劍桿織機(jī)控制系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：（1）設(shè)計了電子送經(jīng)、伺服卷取功能模塊。由變頻器、交流電機(jī)與接近式張力傳感器組成的電子送經(jīng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了毛巾織造過程中相對穩(wěn)定的經(jīng)紗張力控制，簡化了機(jī)械結(jié)構(gòu)，又具有成本優(yōu)勢。伺服卷取機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了變緯密織造、毛巾須長停車自走、定位停車后自動補(bǔ)償消除停車擋等功能，并簡化了機(jī)械零部件設(shè)計，如取消緯密齒等。（2）在不增加硬件設(shè)備情況下，設(shè)計了軟件自動尋緯算法，能提高布面拼擋效果，而且將減輕擋車工的勞動強(qiáng)度與操作技能要求。（3）在起毛高度控制中，采用伺服電機(jī)控制起毛凸輪的轉(zhuǎn)動角度，實(shí)現(xiàn)了毛巾織物起毛高度在設(shè)計范圍內(nèi)任意變化，能夠?qū)崿F(xiàn)波浪型花紋編織。（4）劍桿毛巾織機(jī)控制系統(tǒng)軟件基于嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)μC/OS-II構(gòu)建，改變了傳統(tǒng)織機(jī)控制系統(tǒng)軟件普遍采用的前后臺模式，提高了控制系統(tǒng)的實(shí)時性，也有利于提高劍桿毛巾織造工藝。

參考文獻(xiàn)

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[2]陳明.新型劍桿織機(jī)的工作原理及設(shè)備性能分析[A].2009中國國際纖維紗線科技發(fā)展高層論壇暨第29屆全國毛紡年會論文集[C].2009.

[3]朱海民，張森林.基于uC/OS和ARM的經(jīng)紗張力嵌入式智能控制系統(tǒng)設(shè)計陰[J].機(jī)電工程，2006（4）.

篇5

中圖分類號：TP274+.5文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號：

1OPC技術(shù)的原理及特點(diǎn)

OPC是一個工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，采用客戶／服務(wù)器模式，以微軟的組件對象模型（COM／DCM／COM＋）技術(shù)為基礎(chǔ)，為工業(yè)控制軟件定義了一套標(biāo)準(zhǔn)的對象、接口和屬性，通過這些對象接口，應(yīng)用軟件之間能夠無縫地集成在一起，實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用程序間數(shù)據(jù)交換方式的標(biāo)準(zhǔn)化。OPC客戶是數(shù)據(jù)的使用方，處理OPC服務(wù)器提供的數(shù)據(jù)；OPC服務(wù)器又是數(shù)據(jù)的供應(yīng)方，負(fù)責(zé)為OPC客戶提供所需的數(shù)據(jù)。OPC已成為一種工業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)用此技術(shù)可以方便地把不同供應(yīng)商提供的驅(qū)動程序與應(yīng)用程序集成在一起。

OPC的優(yōu)越性及特點(diǎn)：

1)在過程控制和機(jī)器制造工業(yè)領(lǐng)域的“即插即用”；

2)允許在不同供應(yīng)商開發(fā)的硬件裝置和應(yīng)用軟件之間通過共同的接口進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，Windows技術(shù)和OPC接口使之有可能將可編程控制端的硬件和軟件組合在一起而不需要開發(fā)大量專用的通訊接口程序，由此節(jié)省了人、財、物；

3)使從辦公室產(chǎn)品到過程數(shù)據(jù)的訪問簡單易行而且靈活可靠；

4)OPC客戶可與所有接受OPC服務(wù)器的軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，并在數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)上建立了OPC規(guī)范，OPC客戶也可與之實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。

2 服務(wù)器的功能及優(yōu)點(diǎn)

0PC服務(wù)器對象為一組數(shù)據(jù)信息源進(jìn)行訪問(讀/寫)或者通信提供了一種方式。源變量的類型是一套服務(wù)器執(zhí)行的功能函數(shù)。通過OPC接口部件，一個OPC客戶應(yīng)用程序能連接到OPC服務(wù)器，而且可以與OPC服務(wù)器進(jìn)行通信，并處理相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息。OPC服務(wù)器對象為OPC客戶應(yīng)用程序建立和利用OPC組對象提供了相應(yīng)的功能特性。這種組對象允許客戶應(yīng)用程序?qū)⑺鼈兯ＭL問的數(shù)據(jù)信息有效地組織起來。

利用OPC技術(shù)可以對現(xiàn)場設(shè)備及驅(qū)動程序進(jìn)行封裝，形成OPC服務(wù)器，OPC服務(wù)器向下對設(shè)備數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，向上與OPC客戶應(yīng)用程序通信完成數(shù)據(jù)交換。OPC服務(wù)器屏蔽了現(xiàn)場層的設(shè)備驅(qū)動程序，控制系統(tǒng)的趨勢之一就是網(wǎng)絡(luò)化，控制系統(tǒng)內(nèi)部采用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，控制系統(tǒng)與控制系統(tǒng)之間也網(wǎng)絡(luò)連接，組成更大的系統(tǒng)，而且整個控制系統(tǒng)與企業(yè)的管理系統(tǒng)也網(wǎng)絡(luò)連接，控制系統(tǒng)只是整個企業(yè)網(wǎng)的一個子網(wǎng)。在實(shí)現(xiàn)這樣的企業(yè)網(wǎng)絡(luò)過程中，OPC發(fā)揮了重要作用。在企業(yè)的信息集成包括現(xiàn)場設(shè)場設(shè)備與監(jiān)控系統(tǒng)之間、監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)部各組件之間、監(jiān)控系統(tǒng)與企業(yè)管理系統(tǒng)之間、以及監(jiān)控系統(tǒng)與Internet之間的信息集成。OPC作為連接件，按一套標(biāo)準(zhǔn)的COM對象、方法和屬性，提供了方便的信息流通和交換。無論是管理系統(tǒng)還是控制系統(tǒng)，無論是PLC可編程控制器，還是DCS或者是FCS現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)，都可以通過OPC快速可靠的彼此交換信息。換句話說，OPC是整個企業(yè)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)接口規(guī)范。所以，OPC服務(wù)器提升了控制系統(tǒng)的功能，增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)的功能，提高了工業(yè)自動化及企業(yè)管理水平。

3 OPC技術(shù)在工業(yè)自動化控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

隨著工業(yè)生產(chǎn)的不斷發(fā)展，由于生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大和過程復(fù)雜程度的提高，工業(yè)自動化控制軟件設(shè)計面臨巨大挑戰(zhàn)，即要集成數(shù)量和種類不斷增多的現(xiàn)場信息。在傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)中，智能設(shè)備之間及智能設(shè)備與控制系統(tǒng)軟件之間的信息共享是通過驅(qū)動程序?qū)崿F(xiàn)的，不同廠家的設(shè)備使用不同的驅(qū)動程序，迫使工業(yè)控制軟件中包含越來越多的底層通信模塊；另外，由于相對特定應(yīng)用的驅(qū)動程序一般不支持硬件的變化，使得工業(yè)自動化控制軟硬件的升級和維護(hù)極其不便。同時，在同一時刻，兩個客戶不能對同一個設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫，因?yàn)閾碛胁煌?、相互?dú)立的驅(qū)動程序，同時對同一個設(shè)備進(jìn)行操作，可能會引起存取沖突，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。OPC技術(shù)的出現(xiàn)很好地解決了這些問題。OPC以O(shè)LE／COM／DCOM技術(shù)為基礎(chǔ)，采用客戶／服務(wù)器模式，為工業(yè)自動化軟件面向?qū)ο蟮拈_發(fā)提供了統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)定義了應(yīng)用Microsoft操作系統(tǒng)在基于PC的客戶機(jī)之間交換自動化實(shí)時數(shù)據(jù)的方法。采用這項標(biāo)準(zhǔn)后，硬件開發(fā)商將取代軟件開發(fā)商為自己的硬件產(chǎn)品開發(fā)統(tǒng)一的 OPC接口程序，而軟件開發(fā)者可免除開發(fā)驅(qū)動程序的工作，把更多的精力投入到其核心產(chǎn)品的開發(fā)上。這樣不但可避免開發(fā)的重復(fù)性，也提高了系統(tǒng)的開放性和互操作性。但在應(yīng)用過程中必須注意服務(wù)器測試、設(shè)備驅(qū)動程序開發(fā)中的異構(gòu)等相關(guān)問題的處理。

3.1服務(wù)器測試

OPC服務(wù)器必須經(jīng)過OPC基金會的測試,需要加入OPC基金會,成為其會員,然后從OPC基金會下載測試軟件,進(jìn)行詳細(xì)的兼容性測試,只有成功通過,這個服務(wù)器才可得到OPC基金會的認(rèn)可的產(chǎn)品,OPC基金會會在網(wǎng)上公布其產(chǎn)品。

3.2設(shè)備驅(qū)動程序開發(fā)中的異構(gòu)問題

隨著計算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，用戶需求的不斷提高，以DCS（集散控制系統(tǒng)）為主體的工業(yè)控制系統(tǒng)功能日趨強(qiáng)大，結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜，規(guī)模也越來越大，一套工業(yè)控制系統(tǒng)往往選用了幾家甚至十幾家不同公司的控制設(shè)備或系統(tǒng)集成一個大的系統(tǒng)，但由于缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，開發(fā)商必須對系統(tǒng)的每一種設(shè)備都編寫相應(yīng)的驅(qū)動程序，而且，當(dāng)硬件設(shè)備升級、修改時，驅(qū)動程序也必須跟隨修改。同時，一個系統(tǒng)中如果運(yùn)行不同公司的控制軟件，也存在著互沖突的風(fēng)險。

3.2.1 現(xiàn)場總線系統(tǒng)中異構(gòu)網(wǎng)段之間的數(shù)據(jù)交換

由于現(xiàn)場總線系統(tǒng)存在多種總線并存的局面，因此系統(tǒng)集成和異構(gòu)控制網(wǎng)段之間的數(shù)據(jù)交換面臨許多困難。有了OPC作為異構(gòu)網(wǎng)段集成的中間件，只要每個總線段提供各自的OPC服務(wù)器，任一OPC客戶端軟件都可以通過一致的OPC接口訪問這些OPC服務(wù)器，從而獲取各個總線段的數(shù)據(jù)，并可以很好地實(shí)現(xiàn)異構(gòu)總線段之間的數(shù)據(jù)交互。而且，當(dāng)其中某個總線的協(xié)議版本做了升級，也只需對相對應(yīng)總線的程序作升級修改。

3.2.2可作為訪問專有數(shù)據(jù)庫的中間件

在實(shí)際應(yīng)用中，許多控制軟件都采用專有的實(shí)時數(shù)據(jù)庫或歷史數(shù)據(jù)庫，這些數(shù)據(jù)庫由控制軟件的開發(fā)商自主開發(fā)。對這類數(shù)據(jù)庫的訪問不像訪問通用數(shù)據(jù)庫那么容易，只能通過調(diào)用開發(fā)商提供的API函數(shù)或其它特殊的方式。然而不同開發(fā)商提供的API函數(shù)是不一樣的，這就帶來和硬件驅(qū)動器開發(fā)類似的問題。要訪問不同監(jiān)控軟件的專有數(shù)據(jù)庫，必須編寫不同的代碼，這樣顯然十分繁瑣。采用OPC則能有效解決這個問題，只要專有數(shù)據(jù)庫的開發(fā)商在提供數(shù)據(jù)庫的同時也能提供一個訪問該數(shù)據(jù)庫的OPC服務(wù)器，那么當(dāng)用戶要訪問時只需按照OPC規(guī)范的要求編寫OPC客戶端程序而無需了解該專有數(shù)據(jù)庫特定的接口要求。

3.2.3便于集成不同的數(shù)據(jù)

OPC便于集成不同的數(shù)據(jù)，為控制系統(tǒng)向管理系統(tǒng)升級提供了方便。當(dāng)前控制系統(tǒng)的趨勢之一就是網(wǎng)絡(luò)化，控制系統(tǒng)內(nèi)部采用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，控制系統(tǒng)與控制系統(tǒng)之間也網(wǎng)絡(luò)連接，組成更大的系統(tǒng)，而且，整個控制系統(tǒng)與企業(yè)的管理系統(tǒng)也網(wǎng)絡(luò)連接，控制系統(tǒng)只是整個企業(yè)網(wǎng)的一個子網(wǎng)。在實(shí)現(xiàn)企業(yè)網(wǎng)絡(luò)過程中，OPC技術(shù)發(fā)揮了重要作用。

3.2.4使控制軟件能夠與硬件分別設(shè)計

OPC使控制軟件能夠與硬件分別設(shè)計、生產(chǎn)和發(fā)展，并有利于獨(dú)立的第三方軟件供應(yīng)商產(chǎn)生與發(fā)展，從而形成新的社會分工，有更多的競爭機(jī)制，為社會提供更多更好的產(chǎn)品。OPC作為一項逐漸成型的技術(shù)已得到國內(nèi)外廠商的高度重視，許多公司都在原來產(chǎn)品的基礎(chǔ)上增加了對OPC的支持。由于統(tǒng)一了數(shù)據(jù)訪問的接口，使控制系統(tǒng)進(jìn)一步走向開放，實(shí)現(xiàn)信息的集成和共享，用戶能夠得到更多的方便。OPC技術(shù)改變了原有的控制系統(tǒng)模式，給國內(nèi)系統(tǒng)生產(chǎn)廠商提出了一個發(fā)展的機(jī)遇和挑戰(zhàn)，符合OPC規(guī)范的軟、硬件也已被廣泛應(yīng)用，給工業(yè)自動化領(lǐng)域帶來了勃勃生機(jī)。

3.2.5數(shù)據(jù)的刷新及斷開連接

先在“引用”將近 Siemens OPC DAAutomation 2.0加入，然后開始定義全局變量。在本程序中，使用了兩個OPC組進(jìn)行OPC訪問，所以定義了全局變量。首先要定義OPC服務(wù)類型與計算機(jī)結(jié)點(diǎn)名。定義OPC組與OPC標(biāo)簽組。并定義OPC的標(biāo)簽數(shù)組與值數(shù)，注意，值數(shù)組一定要設(shè)為Variant。

OPC處理：只對WINCC

Const ServerName = "OPCServer.WinCC" ‘OPC的類型

Const NodeName = "GUK" ‘結(jié)點(diǎn)名，即計算機(jī)名

‘Dim NodeName As String

Dim WithEvents MyOPCServer As OPCServer ‘OPC服務(wù)

Dim MyOPCGroupColl As OPCGroups ‘

Dim WithEvents MyOPCGroupOut As OPCGroup ‘OPC組，本程序用兩個組進(jìn)行OPC連接

Dim WithEvents MyOPCGroupIn As OPCGroup

Dim MyOPCItemCollIn As OPCItems ‘OPC標(biāo)簽組

Dim MyOPCItemCollOut As OPCItems

Dim ServerHandlesIn() As Long ‘句柄

Dim ServerHandlesOut() As Long

Dim ErrorsIn() As Long ‘錯誤句柄

Dim ErrorsOut() As Long

Dim WatchDataReadItem(100) As String 記錄OPC的標(biāo)簽

Dim WatchDataReadValue(100) As Variant 存放OPC的值

Dim WatchDataWriteItem(100) As String 記錄OPC的標(biāo)簽

Dim WatchDataWriteValue(100) As Variant 存放OPC的值

在定義所有變量后，要進(jìn)行OPC連接,先要配置要訪問的OPC標(biāo)簽名，在WatchDataReadItem、WatchDataWriteItem中加入相應(yīng)的標(biāo)簽名，注意：這兩個數(shù)組必須由1開始，不能由0開始。

配置好標(biāo)簽后就要進(jìn)行OPC連接了。如下面子程序：

1)ClientHandles1先配置名柄索引，這將在讀取OPC標(biāo)簽的值時可要用到

2)生成OPC對象，

3)進(jìn)行OPC標(biāo)簽連接。

4 OPC技術(shù)應(yīng)用及發(fā)展前景

隨著基于OPC標(biāo)準(zhǔn)的控制組件的推廣與普及，不僅使控制組件的增設(shè)和組件的置換更加簡單，而且使過程數(shù)據(jù)的訪問也變得容易。比如過程控制程序可以直接和數(shù)據(jù)分析軟件包或電子表格應(yīng)用程序連接，從而達(dá)成高度的工廠控制系統(tǒng)的信息化。當(dāng)今軟件在自動化領(lǐng)域內(nèi)使用的重要性與日俱增，無論項目是否涉及到操作、可視化、數(shù)據(jù)存檔或控制向純粹的、基于PC的軟件解決方案的發(fā)展趨勢是不可阻擋的。因此，隨著Internet技術(shù)的廣泛應(yīng)用與發(fā)展，OPC技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn)將應(yīng)用于更加廣泛的領(lǐng)域，OPC技術(shù)必將賦予現(xiàn)代工業(yè)自動化控制軟件更強(qiáng)的生命活力，前景十分廣闊。

參考文獻(xiàn)

篇6

中圖分類號：TM121.1.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B 文章編號：1009-914X（2015）25-0012-02

引言

現(xiàn)在無線電定位技術(shù)已經(jīng)得到了很廣泛的應(yīng)用，但是無線電定位技術(shù)對于某些小距離、小范圍的定位顯得有些大材小用，換句話說就是有些浪費(fèi)成本。超聲波傳輸距離遠(yuǎn)，傳輸速度相對于無線電小的多，對于處理器的速度要求及處理精度并不是很高，需要運(yùn)算的數(shù)據(jù)量遠(yuǎn)小于無線電波，運(yùn)算的速度要求也小于處理器去處理光電信號的速度要求，所以在小空間、小范圍的定位中，超聲波定位具有很大的優(yōu)勢，可以大幅節(jié)省硬件成本，減少CPU的運(yùn)算工作量，對于智能家居等類似的行業(yè)具有很好的開發(fā)前景。

1.定位原理

無線電定位是通過各個定位點(diǎn)的無線電波頻率來識別各個定位點(diǎn)的，從而獲取定位點(diǎn)的坐標(biāo)信息，參考無線電的定位原理，超聲波的定位原理與無線電定位類似，主節(jié)點(diǎn)發(fā)出位置獲取信號，定位節(jié)點(diǎn)一旦收到就將自己的信息信號發(fā)出。如圖1，節(jié)點(diǎn)P（x，y，z） 表示需要定位的人或物，節(jié)點(diǎn)A、B、C構(gòu)成定位系統(tǒng)的參考網(wǎng)絡(luò)，由A、B、C發(fā)出的超聲波到達(dá)節(jié)點(diǎn)B的時間可以得到PA、PB、PC三條線段的距離即主節(jié)點(diǎn)到三個定位結(jié)點(diǎn)間的距離。

由圖中幾何關(guān)系可以得到

，（T為環(huán)境攝氏溫度）

然而在實(shí)際的系統(tǒng)中，由于超聲波在空氣中的傳播速度會衰減，傳輸距離有限，而且容易受到障礙物的影響，三個定位節(jié)點(diǎn)可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，可能會出現(xiàn)盲區(qū)，即定位節(jié)點(diǎn)發(fā)出的超聲波可能達(dá)不到或者可以達(dá)到的節(jié)點(diǎn)不夠3個，這時算出的坐標(biāo)位置可能就會出錯，為了避免類似情況的發(fā)生，為保證定位精度更加準(zhǔn)確，活動范圍更廣，可以使用較多的定位點(diǎn)，呈矩陣狀合理分布，同時每個定位點(diǎn)有自己的位置坐標(biāo)，主節(jié)點(diǎn)只要測得三個不同節(jié)點(diǎn)的距離，就可以計算出主節(jié)點(diǎn)在系統(tǒng)中的坐標(biāo)。為了減小誤差，定位的高度及定位點(diǎn)間的距離應(yīng)該經(jīng)過反復(fù)測試，以得到最佳的高度及間距。

2 系統(tǒng)組成方案及硬件實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)組成如圖2所示，整個系統(tǒng)主要由主節(jié)點(diǎn)、PC上位機(jī)及若干個定位節(jié)點(diǎn)組成。其中，主節(jié)點(diǎn)及定位節(jié)點(diǎn)主要由微處理機(jī)系統(tǒng)、無線電收發(fā)電路、超聲波接收電路或超聲波發(fā)射電路組成。

2.1 微處理機(jī)系統(tǒng)

微處理機(jī)選用Atmegal16單片機(jī)，它有16K字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash（具有同時讀寫的能力，即RWW），512 字節(jié)EEPROM，1K 字節(jié)SRAM，32個通用I/O 口線，是高性能低功耗的8位單片機(jī)。

2.2 超聲波發(fā)射電路

超聲波發(fā)射電路是定位節(jié)點(diǎn)的主要功能模塊，主要用來向主節(jié)點(diǎn)發(fā)送超聲波，主節(jié)點(diǎn)依據(jù)超聲波傳來的時間來計算出主節(jié)點(diǎn)與點(diǎn)位節(jié)點(diǎn)間的距離。

2.3 超聲波接收電路

超聲波接收電路是主節(jié)點(diǎn)的主要功能模塊，主要用來接收定位節(jié)點(diǎn)發(fā)來的超聲波。

2.4 無線電發(fā)射接收電路

無線電發(fā)射模塊采用的芯片是NRF24L01，主節(jié)點(diǎn)上的無線發(fā)射模塊主要由兩個功能：第一個功能是依次向各個節(jié)點(diǎn)發(fā)射帶地址編碼無線信號，一旦有定位節(jié)點(diǎn)接收到主節(jié)點(diǎn)發(fā)射來的對應(yīng)自己編碼的無線電信號，該定位節(jié)點(diǎn)會將自己的地址編碼立即反饋給主節(jié)點(diǎn)，同時定位節(jié)點(diǎn)向主節(jié)點(diǎn)發(fā)射超聲波信號，主節(jié)點(diǎn)一旦收到定位節(jié)點(diǎn)發(fā)來的反饋信號就立即開啟定時器定時，在設(shè)定時間范圍內(nèi)如果收到該節(jié)點(diǎn)發(fā)來的超聲波信號，通過聲速與時間的乘積就可以得到主節(jié)點(diǎn)與此結(jié)點(diǎn)間的距離，一旦主節(jié)點(diǎn)得到三個不同定位節(jié)點(diǎn)間的距離，然后依據(jù)定位節(jié)點(diǎn)的地址編碼來獲取這三個定位節(jié)點(diǎn)的位置坐標(biāo)，依據(jù)前面推導(dǎo)的類似的公式就可以得到主節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)位置；第二個功能是向連有PC機(jī)的節(jié)點(diǎn)發(fā)送坐標(biāo)位置數(shù)據(jù)以供PC機(jī)實(shí)時顯示坐標(biāo)位置。定位節(jié)點(diǎn)的無線發(fā)射模塊主要用來接收主節(jié)點(diǎn)的無線信號，一旦接收到主節(jié)點(diǎn)的無線信號就將自己的編碼迅速的反饋給主節(jié)點(diǎn)，以通知主節(jié)點(diǎn)進(jìn)行計時。

3 系統(tǒng)控制軟件組成

3.1 主節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計

主節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計流程如圖3，初始化的過程主要包括數(shù)據(jù)初始化，寄存器配置初始化，及系統(tǒng)硬件的自檢過程。主結(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計主要功能有：1.能夠識別定位節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)位置；2.實(shí)現(xiàn)捕獲超聲波傳輸時間的精準(zhǔn)計時；3.通過相對距離及坐標(biāo)位置的幾何關(guān)系計算出主節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)位置；4.對位置坐標(biāo)結(jié)果進(jìn)行數(shù)字化濾波處理，減小誤差。

3.2 定位節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計

定位節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計流程如圖4，定位節(jié)點(diǎn)功能相對簡單，主要是提供節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)位置，提醒主節(jié)點(diǎn)進(jìn)行開始計時等。

3.3 數(shù)字濾波處理技術(shù)

由于超聲波本身的傳輸衰減性，外界物體的干擾，以及硬件本身設(shè)計上的種種不足，所得到的坐標(biāo)位置結(jié)果會不可避免的存在誤差，不僅能夠很好的處理數(shù)據(jù)結(jié)果，大幅度減小誤差，還可以減小硬件上的投入，節(jié)省成本。數(shù)字濾波處理技術(shù)，有很多種，而且各有特點(diǎn)。單一的方法很難實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的濾波，多種濾波方式結(jié)合起來使用會有很好的濾波效果。這里選用的濾波方式主要有：限幅濾波法，中位置濾波法、算術(shù)濾波法平均濾波法。如圖4，當(dāng)主節(jié)點(diǎn)以一個三角形移動時經(jīng)過濾波處理后PC機(jī)顯示的主節(jié)點(diǎn)位置坐標(biāo)信息，誤差基本上能夠滿足要求。

4 結(jié)束語

經(jīng)過硬件參數(shù)的反復(fù)調(diào)整實(shí)驗(yàn)，以及各種濾波處理，可以將主節(jié)點(diǎn)的定位誤差控制在5～10cm以內(nèi)，單點(diǎn)對單點(diǎn)的定位誤差控制在1cm，控件可以在5立方米以內(nèi)。系統(tǒng)的不足還有很多，定位系統(tǒng)坐標(biāo)還需合理優(yōu)化，位置精度還不夠精確，硬件設(shè)計還需反復(fù)測試優(yōu)化。

參考文獻(xiàn)

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（基金項目：天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)校級項目KJ14-12）

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中圖分類號：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2013）16-3678-04

將以太網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于現(xiàn)場總線技術(shù)是分布式控制系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢，與傳統(tǒng)的現(xiàn)場總線相比，以太網(wǎng)現(xiàn)場總線具有刷新周期短，數(shù)據(jù)傳輸容量大，數(shù)據(jù)傳輸效率高，同步性能高等優(yōu)點(diǎn)。目前常用的實(shí)時工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)有EtherCAT技術(shù)、EtherNet/IPIP技術(shù)、Ethernet Powerlink技術(shù)、Modbus/TCP技術(shù)等[1-3]。

EtherCAT是由德國Beckhoff 自動化公司開發(fā)，該總線具有高速和高數(shù)據(jù)有效率的特點(diǎn)，在硬件實(shí)現(xiàn)上具有網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)靈活、接線簡單、性價比高等優(yōu)點(diǎn)，為今后實(shí)時工業(yè)以太網(wǎng)的發(fā)展趨勢，更是今后實(shí)時分布式控制系統(tǒng)的首選[4]。

1 Ethercat總線的工作原理與相關(guān)協(xié)議[5-6]

1.1 Ethercat總線的工作原理

2 主站的硬件設(shè)計

2.1 DSP單元

核心器件采用TMS320C6455[9]，該器件TI公司推出的高速信號處理器，最高工作頻率為1.2GHz，該模塊主要電路包括時鐘、復(fù)位、JTAG調(diào)試接口、存儲器、通信電路、模擬量接收電路等組成。DSP主要用于復(fù)雜的實(shí)時信號處理（如：數(shù)控系統(tǒng)多軸的運(yùn)動軌跡規(guī)劃、實(shí)時的插補(bǔ)算法、誤差補(bǔ)償、伺服濾波算法），并將運(yùn)算結(jié)果通過FPGA傳送到PowerPC控制的EtherCAT總線上。存儲器電路主要包括DDR2存儲器以及FLASH存儲器和DSP的接口，DDR2存儲器用于存放數(shù)據(jù)，F(xiàn)LASH存儲器用于存儲運(yùn)行程序和系統(tǒng)重要參數(shù)。模擬量接收電路在FPGA控制下，將外部輸入的模擬信號數(shù)字化后送入DSP，用于數(shù)據(jù)信號處理。通信電路主要為千兆以太網(wǎng)接口電路，DSP內(nèi)部集成了100/1000Mb/s的MAC控制器，通過外部擴(kuò)展PHY芯片實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能，千兆網(wǎng)主要用于系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置和調(diào)試使用。

2.2 FPGA單元

在設(shè)計中FPGA采用是Altera 公司的EP3C40F484-C8N，器件內(nèi)部有39600個LE 資源，有1兆位的RAM，可提供三百多個輸入輸出 引腳，芯片內(nèi)部集成了一百多個個乘法器和4 個PLL 鎖相環(huán)，滿足硬件設(shè)計需求。FPGA用于實(shí)現(xiàn)DSP和PowerPC的雙向數(shù)據(jù)交換，PowerPC將接收到的EtherCAT總線上各控制單元的信息通過FPGA傳送到DSP內(nèi)部，DSP通過FPGA可以將相應(yīng)的數(shù)據(jù)傳到EtherCAT總線上各單元。另外，F(xiàn)PGA還用于邏輯控制，實(shí)現(xiàn)模擬量輸入輸出信息、開關(guān)量輸入輸出信息與DSP、PowerPC的無縫連接。

2.3 PowerPC （MPC5200B）單元

主站PowerPC采用MPC5200B[7 8]，該器件為Freescale 公司推出的32位高性能處理器，器件主頻工作頻率為400MHz，為了提高程序運(yùn)算速度，器件內(nèi)核分別帶有16K字節(jié)的程序、數(shù)據(jù)高速緩存，帶有一個雙精度浮點(diǎn)處理單元。對于外部關(guān)鍵信號，片內(nèi)帶有標(biāo)準(zhǔn)中斷管理單元。為了實(shí)現(xiàn)器件與外部通信，MPC5200B片內(nèi)集成一路100M的以太網(wǎng)控制器，兩路CAN總線控制器，多路串行口控制器。該單元由MPC5200B、時鐘電路、復(fù)位電路、JTAG 調(diào)試接口、通信接口電路、存儲器接口電路以及對外擴(kuò)展接口電路等組成。該模塊主要用于實(shí)現(xiàn)用于實(shí)現(xiàn)EtherCAT的物理接口以及主站協(xié)議的軟件實(shí)現(xiàn)，并提供相應(yīng)的控制軟件。

2.4 電源單元

2.5 通信單元

在設(shè)計中為了考慮硬件的兼容性，采用了多種通信接口，在DSP上掛接一路1000M的以太網(wǎng)，用于DSP系統(tǒng)調(diào)試參數(shù)設(shè)置，在PowerPC上掛接一路100M以太網(wǎng)接口，六路串行接口（分別為2個RS232口、兩個RS485口、2個CAN接口）。1000M的以太網(wǎng)用于實(shí)現(xiàn)EtherCAT總線物理接口，RS232口用于實(shí)現(xiàn)與PC通信，RS485口和CAN接口可以實(shí)現(xiàn)與其他設(shè)備接口，滿足系統(tǒng)通用性要求。

3 主站軟件設(shè)計

EtherCAT主站程序包括DSP和PowerPC兩個運(yùn)行程序，DSP程序主要功能是實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制算法，PowerPC程序功能為實(shí)現(xiàn)EtherCAT協(xié)議的通信和設(shè)備的控制。DSP運(yùn)行的軟件主要為算法研究，由于篇幅所限，文章著重詳述在PowerPC硬件平臺下，EtherCAT協(xié)議和控制軟件在Linux操作系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)。

3.1 PowerPC（MPC5200B）下主站軟件功能

在PowerPC下運(yùn)行的EtherCAT 主站軟件主要包含如下功能：首先，完成系統(tǒng)主站硬件的初始化，軟件能夠?qū)ο到y(tǒng)運(yùn)行時間進(jìn)行計數(shù)，對系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控；其次，主站軟件通過發(fā)送命令要對EtherCAT 系統(tǒng)以及各個從站進(jìn)行初始化，實(shí)現(xiàn)主站與各從站之間的數(shù)據(jù)實(shí)時交換，實(shí)現(xiàn)相關(guān)協(xié)議解析和轉(zhuǎn)發(fā)；再次，主站軟件可支持在線下載、實(shí)時更新。軟件結(jié)構(gòu)采用模塊化編程，底層軟件提供硬件驅(qū)動，中間層軟件為上層應(yīng)用軟件和底層軟件提供接口，實(shí)現(xiàn)上層應(yīng)用軟件與驅(qū)動軟件隔離。

3.2 基于Linux的 EtherCAT主站下主站軟件具體實(shí)現(xiàn)

EtherCAT初始化完成后，在Linux內(nèi)新建兩個內(nèi)核定時器，一個用于完成周期性數(shù)據(jù)通信，另一個用于輪詢非周期性任務(wù)，也就是狀態(tài)機(jī)處理任務(wù)。周期性數(shù)據(jù)通信定時器的優(yōu)先級最高，定時器運(yùn)行周期通過配置軟件設(shè)置，非周期任務(wù)查詢定時器的優(yōu)先級較低，周期可定為50毫秒。

初始化和配置完成后，啟動定時器開始發(fā)送周期性數(shù)據(jù)幀，并檢查返回的數(shù)據(jù)幀，對返回的數(shù)據(jù)幀進(jìn)行解析，獲取從站的數(shù)據(jù)交給DSP處理，DSP對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，將新的輸出命令發(fā)給PowerPC，PowerPC繼續(xù)發(fā)送周期性數(shù)據(jù)幀。

4 結(jié)論

采用基于DSP和PowerPC的硬件平臺實(shí)現(xiàn)了EtherCAT總線主站相關(guān)協(xié)議，通過測試可知， 主站周期性的向各從站（測試時，從站數(shù)量為3）發(fā)送EtherCAT 數(shù)據(jù)包（數(shù)據(jù)包數(shù)量為1518字節(jié)），各從站接收到自己的數(shù)據(jù)包，再向主站返回相應(yīng)信息，EtherCAT總線延時時間為3.02μS，可以看出主站設(shè)計滿足實(shí)時性要求。

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篇8

摘要：動調(diào)式陀螺測斜儀是一種新型精密陀螺測斜系統(tǒng)，適用于有磁性干擾的叢式井、加密井的鉆探測量及在完井后的套管內(nèi)或鉆桿內(nèi)進(jìn)行測量。該儀器漂移很小，有效地提高了井眼軌跡測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。為了匹配儀器測量精度，測試數(shù)據(jù)處理采用空間曲線積分法，實(shí)現(xiàn)井眼軌跡空間展布的精細(xì)描述，開發(fā)出對應(yīng)測斜資料分析方法與解釋平臺，為老井軌跡復(fù)測、側(cè)鉆井等提供實(shí)施依據(jù)。

關(guān)鍵詞：動調(diào)式陀螺；井眼軌跡；空間曲線積分法；陀螺測斜解釋平臺

0引言

為提高油氣井利用率和開發(fā)效果，地質(zhì)部門在開發(fā)過程中，經(jīng)常在原井眼基礎(chǔ)上進(jìn)行開窗側(cè)鉆，對井眼軌跡的準(zhǔn)確性提出了更高的要求。以往由于受儀器精度及設(shè)備技術(shù)條件限制，井眼軌跡的測量結(jié)果往往存在較大偏差，從而影響了對地層的正確評估。所以，為了提高側(cè)鉆井的成功率，就需對某些老井復(fù)測井眼軌跡[1-2]。本文采用動調(diào)式陀螺儀進(jìn)行井眼軌跡測量，為匹配儀器測量精度，測試數(shù)據(jù)處理采用空間曲線積分法，實(shí)現(xiàn)井眼軌跡空間展布的精細(xì)描述，開發(fā)出對應(yīng)測斜資料分析方法與解釋平臺，為老井軌跡復(fù)測、側(cè)鉆井等提供實(shí)施依據(jù)。

1陀螺測斜儀

常用2種陀螺測斜儀測量井眼軌跡。一種是框架式陀螺測斜儀[3]，其原理是利用高速旋轉(zhuǎn)的物體具有定軸性的原則實(shí)現(xiàn)方位測量，由于高速旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動存在摩擦力，容易產(chǎn)生漂移，而且這種因漂移而產(chǎn)生的偏差會隨著時間而增大。另外，框架式陀螺無法直接測量方位，需要在開始測量前用人工確定正北作為基準(zhǔn)，這樣容易帶來人為誤差。由于框架式陀螺測斜儀的漂移偏差無法預(yù)測和克服，導(dǎo)致井眼軌跡測量結(jié)果不穩(wěn)定。而動調(diào)式陀螺儀采用了更為先進(jìn)的撓性支撐，因而漂移很小，有效地提高了井眼軌跡測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。動調(diào)式陀螺測斜儀是一種精密陀螺測斜系統(tǒng)，采用慣性導(dǎo)航原理，利用撓性陀螺儀和石英撓性加速度計作為主要測量元件，通過定點(diǎn)測量儀器各軸的地球自轉(zhuǎn)角速度和加速度分量，經(jīng)過系統(tǒng)解算后得到當(dāng)前位置的井斜度、方位角。然后，根據(jù)各測量點(diǎn)的方位、傾斜角確定井眼軸線的空間位置，同時為了與鉆具配合，必須隨時得到工具面角[4]。特別適用于有磁性干擾的叢式井、加密井的鉆探測量及在完井后的套管內(nèi)或鉆桿內(nèi)進(jìn)行測量。

2井眼軌跡曲線算法優(yōu)化

井眼軌跡算法有很多種，常用方法有平均角法、圓柱螺線法、最小曲率法和曲率半徑法[5-6]。這些計算方法大多是將測量段內(nèi)的井眼軌跡假設(shè)為直線、折線、圓柱螺線和斜面圓弧曲線等簡單曲線模型[8]。井眼軌跡計算是通過測量井眼的斜深、井斜角和方位角，然后，再用一定的計算方法將這些測量數(shù)據(jù)解釋為XYZ空間坐標(biāo)數(shù)據(jù)[9]。

井眼軌跡計算的積分法是一種基于空間曲線的方法，它將相鄰的2個井斜測點(diǎn)的連線視為一漸變空間曲線[5-8]，這更符合鉆井工作的實(shí)際，其精度高于常用的井眼軌跡計算方法。在實(shí)際井眼軌跡測試時，通過優(yōu)化工藝方案，制定合理資料錄取方案，采取連續(xù)測斜或加密測點(diǎn)方案，可以最大程度地逼近軌跡空間曲線形態(tài)。

3處理解釋系統(tǒng)設(shè)計

陀螺測斜解釋平臺采用C#開發(fā)完成，充分利用人工智能，與上游基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫緊密銜接，用戶僅需進(jìn)行簡單輸入工作便可完成井眼軌跡評價，大大提高了單井處理效率。軟件設(shè)計3個功能模塊，主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、圖表繪制、報告生成(見圖1)。

3.1數(shù)據(jù)處理

動調(diào)式陀螺測井儀主要采取點(diǎn)測方式進(jìn)行，在開窗側(cè)鉆位置或最大井斜位置采取加密測點(diǎn)或重復(fù)測試某深度點(diǎn)的工藝提高測試數(shù)據(jù)精度。在數(shù)據(jù)處理上實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)質(zhì)量自動檢查，如果相鄰測點(diǎn)測深增量ΔL=0，說明這2點(diǎn)為重復(fù)測試數(shù)據(jù)，需要計算其平均井斜角和方位角。再采用空間曲線積分法依次計算相鄰測點(diǎn)垂深增量ΔH、水平位移增量ΔS、東西位移增量ΔE、南北位移增量ΔN，并對n個測點(diǎn)位移累積求和就是某點(diǎn)的垂深、水平位移、東西位移和南北位移。

3.2圖表繪制

對井眼軌跡的描述主要采用水平投影圖、垂直剖面圖和三維軌跡圖方式。繪制水平投影圖和垂直剖面圖時，需要考慮實(shí)現(xiàn)新老井眼軌跡對比功能。因?yàn)樵缙诘耐勇轀y井測量和分析誤差相對較大，在開展動調(diào)式陀螺儀對老井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行普查，落實(shí)真正的井眼軌跡時，進(jìn)行新老井眼軌跡對比繪圖(見圖2)。

三維軌跡圖主要利用計算機(jī)圖形化計算，采用OPENGL繪圖方式，實(shí)現(xiàn)井眼軌跡的三維縮放、旋轉(zhuǎn)等功能，使用戶對井眼軌跡走向更能直觀準(zhǔn)確地觀察和掌握(見圖3)。

3.3報告生成

陀螺測試井眼軌跡報告內(nèi)容包括井基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、現(xiàn)場測試情況、井的三維軌跡圖、垂直剖面圖、水平投影圖、解釋結(jié)論表等。井基礎(chǔ)數(shù)據(jù)或軌跡對比所需老井井眼數(shù)據(jù)直接通過油田上游信息系統(tǒng)A2數(shù)據(jù)庫中獲取，只需輸入正確的井號，便可連接A2系統(tǒng)。

報告形式以Word格式表現(xiàn)，利用MicrosoftOffice系統(tǒng)中word模板編輯功能，可以預(yù)先對報告內(nèi)容進(jìn)行整體編輯排版。系統(tǒng)以word標(biāo)簽查找方式，完成計算結(jié)果、各種表格、圖件等內(nèi)容對應(yīng)添加到Word文檔中，實(shí)現(xiàn)一鍵自動生成報告的功能，滿足不同用戶、不同地質(zhì)需求，大大降低了單井處理解釋時間。

4陀螺測井技術(shù)應(yīng)用

4.1克服磁性干擾，指導(dǎo)加密井鉆進(jìn)

油田開發(fā)后期，依靠打定向井、加密井或老井側(cè)鉆穩(wěn)產(chǎn)增效[8]。動調(diào)式陀螺測井儀由于其不受磁性干擾的特點(diǎn)，可以在井距較?。捍判愿蓴_強(qiáng)烈的環(huán)境下，準(zhǔn)確測取井筒的傾斜角、方位角、工具面角等參數(shù)，進(jìn)一步計算可得出垂深、南北偏移、東西偏移、閉合方位等參數(shù)，指導(dǎo)新井鉆進(jìn)。

TJH油田計劃在的G71井附近打1口水平井，由于該區(qū)塊為低滲透區(qū)塊，井距普遍較小。為了保證側(cè)鉆順利完成，該井在側(cè)鉆過程中，對本井及鄰井均分別進(jìn)行了陀螺定向及測斜，發(fā)現(xiàn)水平井設(shè)計井眼軌跡存在問題，該井與水平井的最小距離只有18.58m，存在安全隱患，隨后根據(jù)計算結(jié)果及時調(diào)整鉆井方案，保證了水平井順利施工，投入正常生產(chǎn)后初期日產(chǎn)油近50t。

4.2應(yīng)用陀螺定向，提高側(cè)鉆中靶成功率

在剩余油富集區(qū)實(shí)施側(cè)鉆井是老井產(chǎn)能建設(shè)的重要手段，陀螺定向在油田廣泛用于老井開窗側(cè)鉆，減少定向時間，提高了側(cè)鉆中靶率[9-10]。

BQ油田B19-1斷塊計劃在高部位部署B(yǎng)S24-7K井，實(shí)施前對BS24-7井進(jìn)行陀螺測試，總水平位移與原來的認(rèn)識相差204.2m(見圖4、圖5)，根據(jù)結(jié)果及時進(jìn)行調(diào)整鉆井方案，避免井位落空。該井投產(chǎn)后，初期日產(chǎn)油9.8t。

5結(jié)論

(1)動調(diào)式陀螺測斜儀不受鐵磁物質(zhì)的影響，適用于有磁性干擾的叢式井、加密井的鉆探測量及在完井后的套管內(nèi)或鉆桿內(nèi)進(jìn)行測量。無需人工校北并且采用先進(jìn)的撓性支撐，更有效地提高了井眼軌跡測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

(2)開發(fā)了井眼軌跡分析平臺，采用與動調(diào)式陀螺測斜儀測量精度相匹配的空間曲線積分法，能夠更加精細(xì)描述井眼曲線空間展布。

(3)動調(diào)式陀螺測井技術(shù)在油田落實(shí)井眼軌跡、判斷油水井在油層中具置、指導(dǎo)加密井部署、提高側(cè)鉆中靶率等方面提供可靠了依據(jù)，能夠取得很好的地質(zhì)應(yīng)用效果。

軟件開發(fā)畢業(yè)論文范文模板(二)：隨采地震監(jiān)測數(shù)據(jù)采集控制軟件開發(fā)論文

摘要：隨采地震能夠?qū)ぷ髅媲胺降刭|(zhì)異常體進(jìn)行連續(xù)探測和實(shí)時預(yù)報，成為近幾年的研究熱點(diǎn)，但是目前還沒有能夠在煤礦井下開展隨采地震長期連續(xù)監(jiān)測的裝備及配套軟件。為了解決這個問題，基于MicrosoftFoundationClasses(MFC)開發(fā)框架，開發(fā)了一套隨采地震監(jiān)測數(shù)據(jù)采集軟件，在室內(nèi)、野外進(jìn)行了為期3個月的聯(lián)調(diào)測試，并且在貴州巖腳煤礦與井下隨采地震監(jiān)測設(shè)備開展了為期3個月的全面試運(yùn)行。測試表明，軟件實(shí)現(xiàn)了隨采地震信號的高效采集、完全存儲和處理軟件的實(shí)時通信功能，具有運(yùn)行穩(wěn)定、操作便捷、處理高效、便于維護(hù)、無人值守等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：隨采地震監(jiān)測；數(shù)據(jù)采集；軟件設(shè)計

我國的煤礦以井下開采為主，與國外相比，我國煤炭行業(yè)的信息化水平較低，礦山空間信息仍然以圖表和文字作為主要的存儲介質(zhì)，信息基礎(chǔ)設(shè)施未能跟上時代變化的腳步，使得煤礦企業(yè)的競爭力受到嚴(yán)重的制約[1]。煤礦井下危險具有多變性、隱蔽性，導(dǎo)致安全問題成為威脅煤礦工人生命的核心問題[2]。而采掘工作面更是礦井水害、頂板、火災(zāi)以及瓦斯等多種災(zāi)害事故的多發(fā)區(qū)，同時也是工作人員聚集區(qū)，因此，也是導(dǎo)致重大生命財產(chǎn)損失的高危區(qū)域[3-7]。隨采地震勘探[8]是利用采掘活動激發(fā)的震動作為震源，探測工作面內(nèi)部或者掘進(jìn)面前方一定區(qū)域內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造的一種地震勘探技術(shù)，可以擺脫放炮的安全隱患及對正常采掘生產(chǎn)的影響，實(shí)現(xiàn)了采掘的同時進(jìn)行超前探測[9-11]。隨采地震所用震源信號是連續(xù)、非可控的，只有進(jìn)行連續(xù)、長期監(jiān)測，記錄遠(yuǎn)場信號，將其與遠(yuǎn)場信號作互相關(guān)，得到清晰的相關(guān)峰值，才能將其轉(zhuǎn)化為脈沖子波，代替炸藥震源進(jìn)行地震勘探[12]。

因此，研制隨采地震監(jiān)測裝備及控制軟件成為當(dāng)務(wù)之急。本文針對隨采地震監(jiān)測裝備的特點(diǎn)，充分分析其觀測系統(tǒng)和監(jiān)測數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，利用數(shù)據(jù)庫和文件系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計了軟件的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；考慮處理軟件的特點(diǎn)，設(shè)計了與處理軟件之間的接口；最后基于MicrosoftFoundationClasses(簡稱MFC)開發(fā)框架，開發(fā)了數(shù)據(jù)采集軟件，聯(lián)合測試成功后，并在貴州巖腳煤礦進(jìn)行了3個月的野外采集工作。

1隨采地震觀測系統(tǒng)及其特點(diǎn)

為了能夠獲得工作面內(nèi)部煤層劇烈變化情況、斷層和陷落柱位置與規(guī)模以及應(yīng)力集中區(qū)等信息，目前的隨采地震觀測系統(tǒng)采用復(fù)雜部署模式。如圖1所示，采用H形布局，共72道，其中孔中部署24道，分4個深孔，每個鉆孔內(nèi)部署6道，由一個孔中多級檢波器串承擔(dān)；其余的48道部署于工作面兩側(cè)巷道的錨桿上，圖1中綠色圓點(diǎn)為巷道檢波器。

數(shù)據(jù)采集分站為6通道，整個觀測系統(tǒng)共需12臺分站，數(shù)據(jù)處理時主要使用煤層中的槽波，而槽波的頻率較高，可以達(dá)到500Hz，為了采集高質(zhì)量的數(shù)據(jù)，采樣間隔為250μs，這就對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提出了新的要求，不僅僅數(shù)據(jù)道數(shù)多，采樣率較高，而且是長期連續(xù)實(shí)時監(jiān)測。

觀測系統(tǒng)隨著工作面的推進(jìn)而移動，當(dāng)工作面推進(jìn)到檢波器測點(diǎn)附近時，要依次將檢波器拆卸，避免被埋入采空區(qū)中，當(dāng)工作面推進(jìn)到距離圖2中黃色深孔檢波器10~20m時，要將全部的黃色測點(diǎn)移動到藍(lán)色測點(diǎn)位置，以此類推直到工作面回采結(jié)束。

2隨采地震監(jiān)測數(shù)據(jù)采集軟件設(shè)計

2.1軟件架構(gòu)設(shè)計

針對分站多、數(shù)據(jù)量大、觀測系統(tǒng)多變化、實(shí)時性要求高以及需要與數(shù)據(jù)處理分析軟件進(jìn)行通信的特點(diǎn)，采集軟件利用多線程技術(shù)分別進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和存儲，軟件框架設(shè)計見圖3。

2.2軟件數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計

采集軟件中的數(shù)據(jù)可以分為兩類，一類為數(shù)據(jù)量不大，變化周期較長的數(shù)據(jù)，比如：監(jiān)測分站信息、觀測系統(tǒng)信息等；另一類為數(shù)據(jù)量較大，而且變化周期很短的數(shù)據(jù)，比如：監(jiān)測數(shù)據(jù)。根據(jù)數(shù)據(jù)特點(diǎn)，采集軟件采用數(shù)據(jù)庫與文件系統(tǒng)相結(jié)合的方式保存數(shù)據(jù)，以提高數(shù)據(jù)存儲效率。監(jiān)測數(shù)據(jù)采用文件系統(tǒng)保存，其他數(shù)據(jù)采用數(shù)據(jù)庫方式保存。

a.數(shù)據(jù)庫設(shè)計

數(shù)據(jù)庫主要保存測區(qū)信息、采樣率、每個文件的采樣時長、采集分站信息、傳感器信息、觀測系統(tǒng)以及監(jiān)測數(shù)據(jù)的保存路徑等信息，其E-R模型見圖4。

b.文件結(jié)構(gòu)設(shè)計

監(jiān)測數(shù)據(jù)的輔助信息，如采樣率、觀測系統(tǒng)、道數(shù)等信息全部保存在數(shù)據(jù)庫中的監(jiān)測數(shù)據(jù)表datafile_info中，按照采樣順序?qū)⒚康罃?shù)據(jù)作為一塊寫入文件，塊的順序與道號一致，樣點(diǎn)值采用有符號的浮點(diǎn)型數(shù)據(jù)類型保存，詳見圖5。文件名為第一個樣點(diǎn)的采樣時間，格式為：YYYY-MM-DD_HH_MM-SS，不足兩位數(shù)的補(bǔ)零。

2.3軟件交互接口設(shè)計

本軟件需要分別與井下采集分站和隨采地震數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行交互，主要涉及到兩個接口。

a.與采集分站接口

為了便于和井下采集分站通信，采用UDP與TCP協(xié)議相結(jié)合的通信模式，采集軟件的查詢指令通過UDP協(xié)議與采集分站通信，通知指令和數(shù)據(jù)傳輸則采用TCP協(xié)議傳輸，其通信流程見圖6。

b.與數(shù)據(jù)處理軟件接口

為了提高數(shù)據(jù)存儲效率，采集軟件采用數(shù)據(jù)庫與文件系統(tǒng)相結(jié)合的方式存儲監(jiān)測數(shù)據(jù)，大量的監(jiān)測數(shù)據(jù)保存在文件中，但是文件的相關(guān)信息，如：道數(shù)、采集時間、采樣率、觀測系統(tǒng)等信息保存在數(shù)據(jù)庫表datafile_info，與數(shù)據(jù)處理軟件的通信也通過數(shù)據(jù)庫來完成，數(shù)據(jù)記錄表中專門設(shè)計一個字段為數(shù)據(jù)狀態(tài)標(biāo)志，數(shù)據(jù)采集時狀態(tài)為0，采集結(jié)束后為1，數(shù)據(jù)處理軟件不斷查詢該表中數(shù)據(jù)狀態(tài)標(biāo)志為1的記錄，一旦有這樣的記錄，則根據(jù)數(shù)據(jù)庫中的信息讀取監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，處理結(jié)束后將該標(biāo)志改為2，具體處理流程見圖7。

3隨采地震監(jiān)測數(shù)據(jù)采集軟件實(shí)現(xiàn)

3.1開發(fā)環(huán)境

軟件基于VisualStudio的微軟基礎(chǔ)庫類(micro-softfoundationclasses，MFC)開發(fā)框架，采用C++語言編寫，充分利用其圖形用戶界面(graphicaluserinterface，GUI)，大大提高軟件的開發(fā)效率。在功能開發(fā)方面，為了滿足隨采地震監(jiān)測的需要，提供數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)保存功能，采用菜單欄和對話框方式來實(shí)現(xiàn)軟件與用戶之間的人機(jī)交互。在整個應(yīng)用框架的基礎(chǔ)上進(jìn)行功能性、界面性的填充。將軟件開發(fā)分成若干部分，有效地提高軟件研發(fā)效率和可讀性，同時也便于后期維護(hù)升級。

3.2軟件的實(shí)現(xiàn)

為了提高軟件的運(yùn)行效率，將軟件操作界面、數(shù)據(jù)采集、保存和整理以及設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與恢復(fù)功能分別由單獨(dú)的線程來完成。

a.數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)

數(shù)據(jù)庫中最主要的兩張表為傳感器信息表和監(jiān)測數(shù)據(jù)表，傳感器信息表為觀測系統(tǒng)表的基礎(chǔ)，而且隨著工作面的回采傳感器移動后，傳感器的位置信息就會發(fā)生變化，觀測系統(tǒng)隨之變化；監(jiān)測數(shù)據(jù)表是數(shù)據(jù)采集軟件與處理軟件通信的基礎(chǔ)，表中需要包含大數(shù)據(jù)文件路徑、觀測系統(tǒng)、采樣率、采樣時間和時長等重要信息，具體見表1和表2。

傳感器信息表中(表1)以Station_ID、Channel和Modify_Time為聯(lián)合主鍵，這樣表中可以把同一個傳感器在不同時間的坐標(biāo)都保存起來，隨時可以獲取任何時間段的觀測系統(tǒng)。

監(jiān)測數(shù)據(jù)表中(表2)由File_Index為主鍵，該值為根據(jù)時間自動生成一個與時間有關(guān)的數(shù)，確保唯一性，同時將大數(shù)據(jù)文件的相關(guān)數(shù)據(jù)信息全部存入該表中，以方便數(shù)據(jù)處理軟件隨時查詢。

b.軟件操作界面

隨采地震監(jiān)測軟件屬于監(jiān)測類軟件，具有自動化程度高、人工干預(yù)少等特點(diǎn)，因此，需要用戶的操作很少，主要是一些參數(shù)設(shè)置和監(jiān)測分站運(yùn)行狀態(tài)的顯示：系統(tǒng)中監(jiān)測分站的數(shù)量、每臺分站的傳感器數(shù)量及其工作狀態(tài)。

傳感器參數(shù)設(shè)置功能主要包括傳感器的安裝位置及其坐標(biāo)、所屬監(jiān)測分站號、通道號、測點(diǎn)號等信息的增加、刪除和修改，由修改傳感器的時間為主鍵，即可獲得該時刻的觀測系統(tǒng)。

c.數(shù)據(jù)采集功能

數(shù)據(jù)采集功能主要包括數(shù)據(jù)采集軟件與監(jiān)測分站之間的通信、監(jiān)測分站狀態(tài)查詢與控制、數(shù)據(jù)采集等。為了達(dá)到隨時能夠與監(jiān)測分站通信的目的，與監(jiān)測分站的通信通過UDP和TCP協(xié)議兩種方式來實(shí)現(xiàn)，其中監(jiān)測分站的信息和狀態(tài)查詢由UDP協(xié)議實(shí)現(xiàn)，指令的發(fā)送、參數(shù)設(shè)置和數(shù)據(jù)采集通過TCP協(xié)議實(shí)現(xiàn)。TCP協(xié)議中采集軟件為服務(wù)器端，監(jiān)測分站為客戶端，服務(wù)器端采用完成端口技術(shù)來接收多個監(jiān)測分站上傳的數(shù)據(jù)，為了便于數(shù)據(jù)保存，每個通道的數(shù)據(jù)分別存放在獨(dú)立的緩存區(qū)中，緩存區(qū)采用循環(huán)數(shù)組的設(shè)計，當(dāng)數(shù)據(jù)寫入緩存區(qū)中后，循環(huán)數(shù)組的數(shù)據(jù)采集下標(biāo)iColDataIndex+1，數(shù)據(jù)采集詳細(xì)流程見圖8。

d.數(shù)據(jù)保存

為了提高數(shù)據(jù)存儲的效率，將數(shù)據(jù)存儲分為數(shù)據(jù)保存和整理兩個步驟，分別由兩個線程執(zhí)行。數(shù)據(jù)保存線程監(jiān)測緩存區(qū)中數(shù)據(jù)采集下標(biāo)iColData-Index與已保存數(shù)據(jù)下標(biāo)iSaveDataIndex之差，當(dāng)該差值達(dá)到預(yù)設(shè)值時，從數(shù)據(jù)緩存區(qū)中讀取數(shù)據(jù)并保存成數(shù)據(jù)文件(采用異步模式將每道單獨(dú)存儲為一個文件)。數(shù)據(jù)保存完成后，循環(huán)數(shù)組的已保存數(shù)據(jù)下標(biāo)iSaveDataIndex+1，其數(shù)據(jù)保存詳細(xì)流程見圖9。

e.數(shù)據(jù)整理

為方便數(shù)據(jù)處理需要把同一時段的各道檢波器的數(shù)據(jù)保存為一個文件，當(dāng)由于檢波器或者采集分站故障導(dǎo)致數(shù)據(jù)缺失時做填零處理。因而增加一個專門進(jìn)行數(shù)據(jù)整理的子模塊，由一個單獨(dú)的線程來處理，其數(shù)據(jù)整理詳細(xì)流程見圖10。

f.系統(tǒng)自恢復(fù)

井下的供電系統(tǒng)或者網(wǎng)絡(luò)經(jīng)常檢修或者故障，導(dǎo)致隨采地震監(jiān)測設(shè)備出現(xiàn)故障，當(dāng)故障解決后，系統(tǒng)應(yīng)該能夠自動恢復(fù)，但是該系統(tǒng)是由多個監(jiān)測分站組成的，分站之間需要不斷進(jìn)行時間同步，當(dāng)一臺分站出現(xiàn)故障后，該分站停止采集，其他分站仍然正常采集，當(dāng)該分站故障解決后，要想恢復(fù)采集，必須要把系統(tǒng)中所有的分站進(jìn)行重啟。圖11所示流程，就是用來檢測網(wǎng)絡(luò)是否出現(xiàn)故障，如果出現(xiàn)故障，則一直檢測，直到故障修復(fù)，然后重新啟動系統(tǒng)。

4隨采地震監(jiān)測數(shù)據(jù)采集軟件聯(lián)調(diào)與測試

4.1運(yùn)行環(huán)境

數(shù)據(jù)采集軟對運(yùn)行環(huán)境的要求如下：

操作系統(tǒng)：windows7及其以上；CPU：2.5GHz，4核；內(nèi)存：8GB；硬盤：500GB。

4.2聯(lián)調(diào)與測試

該軟件與井下監(jiān)測分站以及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行為期1個月的聯(lián)調(diào)測試，聯(lián)調(diào)過程中對采集軟件與監(jiān)測分站和數(shù)據(jù)處理軟件的接口進(jìn)行了修改和完善，并在野外進(jìn)行了為期2個月的穩(wěn)定運(yùn)行后，各項性能指標(biāo)都達(dá)到了設(shè)計要求，軟件實(shí)時波形界面見圖12所示。最后在貴州巖腳煤礦進(jìn)行為期3個月全面試運(yùn)行，無論是采集數(shù)據(jù)還是與數(shù)據(jù)處理軟件的通信都正常工作。

5結(jié)論

篇9

計算機(jī)領(lǐng)域新技術(shù)應(yīng)用使各行業(yè)生成、收集和存儲了大量數(shù)據(jù)。大量信息數(shù)據(jù)給社會帶來方便也帶來大堆問題：信息過量，難以消化；信息真假難以辨識；信息安全難以保證；信息形式不一致而難以統(tǒng)一處理。一般數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)可高效實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)錄入、查詢與統(tǒng)計等功能，卻無法發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)存在的關(guān)系和規(guī)則。如何辨析信息和如何不被信息淹沒已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)問題。一、數(shù)據(jù)挖掘直面數(shù)據(jù)豐富而知識匱乏的挑戰(zhàn)

面對信息社會帶來的“數(shù)據(jù)豐富而知識匱乏”的現(xiàn)實(shí)挑戰(zhàn)，數(shù)據(jù)挖掘（Data Mining，DM）和知識發(fā)現(xiàn)（Knowledge Discovery，KD）技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，伴隨計算機(jī)新技術(shù)和新理論的出現(xiàn)而發(fā)展，在電信與銀行，生物及大型超市等領(lǐng)域運(yùn)用效果顯著。數(shù)據(jù)挖掘有時又稱作數(shù)據(jù)庫知識發(fā)現(xiàn)（KDD），此術(shù)語出現(xiàn)于1989年，從數(shù)據(jù)集識別有效與新穎的，潛在有用的，最終可理解的模式過程。KDD過程常指多階段處理，包括數(shù)據(jù)準(zhǔn)備與模式搜索，知識評價及反復(fù)修改求精；該過程要有智能性和自動性。有效性指發(fā)現(xiàn)新數(shù)據(jù)仍保持可信度，新穎性要求模式應(yīng)是新的，潛在有用性指發(fā)現(xiàn)的知識將來有效用，最終可理解性要求發(fā)現(xiàn)模式能被用戶所理解，幾項綜合在一起稱為數(shù)據(jù)的科學(xué)性豍。

數(shù)據(jù)挖掘的界定。數(shù)據(jù)挖掘是從存放在數(shù)據(jù)庫與數(shù)據(jù)倉庫或其它存儲信息庫中的海量數(shù)據(jù)挖掘有趣知識過程。一般的定義是：數(shù)據(jù)挖掘是從大量、不完全、有噪聲、模糊、隨機(jī)的數(shù)據(jù)中抽取隱含其中，事先不為人所知、潛在、有效、新穎、有用和最終可理解知識的過程。研究人工智能學(xué)術(shù)人員和計算機(jī)技術(shù)專家通常所說數(shù)據(jù)挖掘名稱各異但實(shí)質(zhì)一樣。自然世界數(shù)據(jù)以多種多樣形式存放，除最常見數(shù)字與字符等類型，還有許多復(fù)雜數(shù)據(jù)。復(fù)雜類型數(shù)據(jù)挖掘包括：空間數(shù)據(jù)挖掘和多媒體數(shù)據(jù)挖掘，時序數(shù)據(jù)挖掘和文本數(shù)據(jù)挖掘，Web數(shù)據(jù)挖掘與流數(shù)據(jù)挖掘等。數(shù)據(jù)挖掘與傳統(tǒng)數(shù)學(xué)統(tǒng)計分析有區(qū)別，數(shù)據(jù)挖掘在沒有明確假設(shè)前提下自動建立方程，可采用不同類型如文本、聲音、圖片等的數(shù)據(jù)挖掘興趣模式；統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析工具側(cè)重被動分析，需建立方程或模型來與假設(shè)吻合，最終面對數(shù)字化數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)挖掘是主動發(fā)現(xiàn)型與預(yù)測型數(shù)據(jù)分析工具，分析重點(diǎn)在于預(yù)測未來未知潛在情況并解釋原因。二、軟件工程的產(chǎn)生與數(shù)據(jù)實(shí)用性

軟件工程概念源自軟件危機(jī)，20世紀(jì)60年代末的“軟件危機(jī)”這個詞語頻繁出現(xiàn)計算機(jī)軟件領(lǐng)域，泛指計算機(jī)軟件開發(fā)和維護(hù)所遇到的系列嚴(yán)重問題。在軟件開發(fā)和維護(hù)過程中的軟件危機(jī)表現(xiàn)為軟件需求的增長得不到滿足，軟件開發(fā)成本和進(jìn)度無法控制，軟件質(zhì)量難保證，軟件維護(hù)程度非常低，軟件成本不斷提高，軟件開發(fā)生產(chǎn)率趕不上計算機(jī)硬件發(fā)展和各種應(yīng)用需求增長等。軟件危機(jī)產(chǎn)生的宏觀原因是軟件日益深入社會生活，軟件需求增長速度超過軟件生產(chǎn)率提高，具體軟件工程任務(wù)的許多困難來源于軟件工程所面臨任務(wù)和其他工程之間各種差異以及軟件和其他工業(yè)產(chǎn)品的差異，即特殊性。軟件開發(fā)和維護(hù)過程存在的問題，與計算機(jī)軟件本身特點(diǎn)有關(guān)，軟件開發(fā)過程進(jìn)度很難衡量，軟件質(zhì)量難以評價，管理和控制軟件開發(fā)過程困難等。計算機(jī)軟件專家認(rèn)真研究解決軟件危機(jī)方法，逐步形成軟件工程概念，開辟工程學(xué)新領(lǐng)域即軟件工程學(xué)。軟件工程用工程、科學(xué)和數(shù)學(xué)原理與方法研制與維護(hù)計算機(jī)軟件有關(guān)技術(shù)及管理的方法。

軟件工程針對數(shù)據(jù)的處理具有系統(tǒng)的規(guī)范的系列辦法。1993年IEEE（電氣和電子工程師學(xué)會）給軟件工程綜合定義為：將系統(tǒng)化、規(guī)范和可度量的方法應(yīng)用于軟件開發(fā)、測試、運(yùn)行和維護(hù)全過程，即將工程化應(yīng)用于軟件數(shù)據(jù)等設(shè)計中。軟件工程包括方法、工具和過程三個要素，方法是完成軟件工程項目技術(shù)手段；工具支持軟件開發(fā)、管理與文檔生成；過程支持軟件開發(fā)各個環(huán)節(jié)控制與管理。軟件工程的發(fā)展伴隨計算機(jī)與數(shù)據(jù)等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展而進(jìn)步。三、軟件工程的知識庫應(yīng)用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)

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本論文以項目教學(xué)法的方式探索步進(jìn)電機(jī)的PLC控制轉(zhuǎn)速方法。本設(shè)計控制要求如下：按下啟動按鈕，步進(jìn)電機(jī)以100Hz的基準(zhǔn)頻率正轉(zhuǎn)。按一次加速按鈕，頻率以50Hz遞增，最多加速5次；按一次減速按鈕，頻率以25Hz遞減，最多減速4次。加速時為正轉(zhuǎn)，減速時為反轉(zhuǎn)。按下停止按鈕，步進(jìn)電機(jī)立即停止運(yùn)行。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器的細(xì)分設(shè)置為1，電流設(shè)置為1.5A。

1 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計

1.1 控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。本設(shè)計中，系統(tǒng)硬件部分由上位機(jī)、PLC、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器、步進(jìn)電機(jī)、負(fù)載等組成。上位機(jī)是計算機(jī)，作為控制面板、人機(jī)交互界面和控制軟件編制環(huán)境，通過與PLC的通信，實(shí)現(xiàn)操作監(jiān)控功能；PLC發(fā)出脈沖信號、方向信號，通過步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。

1.2 控制系統(tǒng)的硬件。

1.2.1 PLC。使用PLC控制步進(jìn)電機(jī)時，應(yīng)該保證PLC具有高速脈沖輸出功能。通過選擇具有高速脈沖輸出功能或?qū)Ｓ眠\(yùn)動控制功能的模塊來實(shí)現(xiàn)。在本設(shè)計中，采用的是三菱系列FX2N-32MT型的晶體管輸出型PLC。在PLC的選型上，必須采用晶體管輸出型PLC，若使用繼電器型的PLC，則高速脈沖的輸出很難達(dá)到控制要求。

1.2.2 步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)有步距角（涉及到相數(shù)）、靜力矩、電流三大要素組成。根據(jù)負(fù)載的控制精度要求選擇步距角大小，根據(jù)負(fù)載的大小確定靜力矩，靜力矩一經(jīng)確定，根據(jù)電機(jī)矩頻特性曲線來判斷電機(jī)的電流。一旦三大要素確定，步進(jìn)電機(jī)的型號便確定下來了。

1.2.2.1 步距角的選擇。步進(jìn)電機(jī)的步距角取決于負(fù)載精度的要求，將負(fù)載的最小分辨率（當(dāng)量）換算到電機(jī)軸上，每個當(dāng)量電機(jī)應(yīng)走多少角度（包括減速）。電機(jī)的步距角應(yīng)等于或小于此角度。目前市場上步進(jìn)電機(jī)的步距角一般有0.36度/0.72度（五相電機(jī)）、0.9度/1.8度（二、四相電機(jī)）、1.5度/3度（三相電機(jī)）等。

1.2.2.2 靜力矩的選擇。步進(jìn)電機(jī)的動態(tài)力矩一下子很難確定，我們往往先確定電機(jī)的靜力矩。靜力矩選擇的依據(jù)是電機(jī)工作的負(fù)載，而負(fù)載可分為慣性負(fù)載和摩擦負(fù)載兩種。單一的慣性負(fù)載和單一的摩擦負(fù)載是不存在的。直接起動時（一般由低速）兩種負(fù)載均要考慮，加速起動時主要考慮慣性負(fù)載，恒速運(yùn)行進(jìn)只要考慮摩擦負(fù)載。一般情況下，靜力矩應(yīng)為摩擦負(fù)載的2～3倍內(nèi)好，靜力矩一旦選定，電機(jī)的機(jī)座及長度便能確定下來（幾何尺寸）。

1.2.2.3 電流的選擇。靜力矩一樣的電機(jī)，由于電流參數(shù)不同，其運(yùn)行特性差別很大，可依據(jù)矩頻特性曲線圖，判斷電機(jī)的電流（參考驅(qū)動電源、及驅(qū)動電壓）。

1.2.3 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器。遵循先選電機(jī)后選驅(qū)動的原則。電機(jī)的相數(shù)、電流的大小是驅(qū)動器選擇的決定性因素。在選型中，還要根據(jù)PLC輸出信號的極性來決定驅(qū)動器輸入信號是共陽極或共陰極。為了改善步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行性能和提高控制精度，通常通過選擇帶細(xì)分功能的驅(qū)動器來實(shí)現(xiàn)。目前驅(qū)動器的細(xì)分等級有2倍、4倍、8倍、16倍、32倍、64倍等，最高可達(dá)256倍細(xì)分。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)控制要求和步進(jìn)電機(jī)的特性選擇合適的細(xì)分倍數(shù)，以達(dá)到更高的速度和更大的高速轉(zhuǎn)矩，使步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)精度更高，振動更小。如圖2所示。公共端：采用共陽極接線方式。將輸入信號的電源5V正極連接到該端子上。控制信號低電平有效。脈沖：共陽極時該脈沖下降沿被驅(qū)動器解釋為一個有效脈沖，并驅(qū)動電機(jī)運(yùn)行一步。方向：該段信號的高電平和低電平控制步進(jìn)電機(jī)的兩個轉(zhuǎn)向。共陽極時該端懸空被等效認(rèn)為輸入高電平。脫機(jī)：該端接受控制機(jī)輸出的高/低電平信號，共陽極低電平時電機(jī)相電流被切斷，轉(zhuǎn)子處于自由狀態(tài)。A+/A-，B+/B-：該端接兩相混合式步進(jìn)電機(jī)。DC+/DC-：該端接10V-40V間的直流電源。

1.3 控制系統(tǒng)的連接。本設(shè)計的相關(guān)硬件連接如圖3所示。

2 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計

2.1 PLC的I/O地址分配。

2.2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器的設(shè)置。在驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的PLSY指令中，脈沖的個數(shù)=360°/步距角，工作的頻率=脈沖個數(shù)/運(yùn)行時間。不指定脈沖個數(shù)，則默認(rèn)為65535個脈沖。在方向信號輸入為0時，默認(rèn)為反轉(zhuǎn)。根據(jù)控制要求，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器的細(xì)分設(shè)置為1，SW1-SW3的設(shè)置為000，步進(jìn)電機(jī)的步距角為1.8°；電流設(shè)置為1.5A，SW5-SW7的設(shè)置為101。

2.3 梯形圖和指令表。

3 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的調(diào)試

3.1 初始化程序。程序開始運(yùn)行時，D0初始值為K100，指定的頻率為100Hz。

3.2 步進(jìn)電動機(jī)正轉(zhuǎn)。按下啟動按鈕X0，PLC的Y0脈沖輸出，Y2高電平輸出，步進(jìn)電機(jī)正傳運(yùn)行。

3.3 正傳加速調(diào)整。X2為正傳加速按鈕。當(dāng)按下一次X2時，在步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行的當(dāng)前頻率的基礎(chǔ)上，以20Hz遞增，于是步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速增加。最多加速5次。

3.4 反轉(zhuǎn)減速調(diào)整。X3為反轉(zhuǎn)減速按鈕。當(dāng)按下一次X3時，在步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行的當(dāng)前頻率的基礎(chǔ)上，以20Hz遞減，于是步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速增加。最多減速4次。

本論文采用了PLC控制兩相混合式步進(jìn)電機(jī)的加減速，方法簡單，控制方便，可靠性高。本論文中的程序通過現(xiàn)場實(shí)物調(diào)試，驗(yàn)證了方法的正確性和可行性。用軟件完成脈沖分配功能，可以減少硬件資源，降低成本，控制的參數(shù)改變方法靈活，提高了控制系統(tǒng)的可靠性和靈活性。本文著重探索了步進(jìn)電機(jī)的PLC控制的調(diào)速方法，詳細(xì)介紹了步進(jìn)電機(jī)調(diào)速的具體控制過程。文中有不妥之處，懇請斧正。