液态施肥试验台测控系统的设计

液态施肥试验台测控系统的设计
吴泽全;程睿;徐冬;杨存志
【摘要】针对液体肥料施用装置中各关键部件在试验台上进行研究测试的各种参数采集处理的需要,设计开发了液态施肥试验台测控系统,对其中的关键技术:传感器的非线性校正、松下PLC与计算机通信协议的实现和使用进行了相关阐述.其中,传感器校正研究应用了一种非线性反函数逼近算法;通信协议采用的是松下PLC专用的MEWTOCOL-COM协议.现场实践结果表明,该测控系统实时性好、准确度高.【期刊名称】《农机化研究》
【年(卷),期】2010(032)009
【总页数】4页(P122-125)
【关键词】传感器;非线性校正;测控系统;PLC通信协议
【作者】吴泽全;程睿;徐冬;杨存志
【作者单位】黑龙江省农业机械工程科学研究院,哈尔滨150081;黑龙江省农业机械工程科学研究院,哈尔滨150081;黑龙江省农业机械工程科学研究院,哈尔滨150081;黑龙江省农业机械工程科学研究院,哈尔滨150081
【正文语种】中文
【中图分类】S224.21
0 引言
本文论述的测控系统是针对液体肥料施用装置[1]中各关键部件(如液泵，喷头，管
路等)在试验台上进行研究测试而设计的。

测试系统需要对目前试验环境温湿度、
液泵扭矩和转速、主管路及8个支管路的压力和流量等数据进行实时的显示和记
录[2-4]，并提供历史数据的查询和管理。

在传感器数据的采集处理过程中，关键
技术为传感器的非线性处理问题和计算机与PLC(可编程逻辑控制器)[5]的通信实现。

控制系统以PLC为核心，辅以继电器电路，对机械传动、液压系统及各路阀门部
分进行控制。

1 系统的总体结构
测控系统原理图如图1所示。

1.电机
2.扭矩转速传感器
3.水泵
4.主流量变送器
5.压力表
6.节流阀
7.截止阀
8.分流量变送器组
9.水泵 10.电机 11.喷头 12.压力变送器组 13.溢流阀 14.过滤器 15.
水箱 16.截止阀图1 测控系统原理图
为了确保系统工作性能稳定可靠，在务求结构简单的基础上，采用上、下位机结构[6]。

上位机使用计算机，提供人机交互界面、控制参数设定、试验数据的采集处
理与显示等功能。

下位机采用松下FP系列PLC控制试验台的运行，外加AD扩展模块负责传感器数据的采集。

上下位机之间通过RS232串口实现数据通讯[7]，并为了保护通信端口免遭瞬时电压冲击的破坏，在上位机端安装了串口光电隔离器。

2 系统软件设计
上位机基于Windows系统，采用C++编程语言对系统的人机界面、数据处理、
数据显示和记录、与下位机通信等功能进行程序开发，数据库则采用小型轻便的MySQL。

下位机采用PLC梯形图语言对控制试验台运行和采集传感器数据等功能的进行设计。

本软件的主要功能就是采集试验台的压力和流量传感器数据，并通过数据的导入导出功能生成测试数据的折线图,如图2所示。

其传感器数据显示界面
如图3所示。

以下对该系统软件的相关关键技术进行论述。

图2 传感器数据的折线图
2.1 传感器非线性校正
通常，传感器的输入输出都是用理论线性拟合直线来表示，在本系统中由于试验环境的复杂、多路传感器的实时并发采集、大功率变频电机运行时的电磁干扰以及系统对试验精度的要求，由简单最小二乘法拟合出来的工作直线已无法满足要求，因此在满足实时性的要求下，设计采用一种非线性反函数逼近算法对采集到的各种传感器数据进行校正。

图3 传感器数据显示界面
在对传感器输入输出进行直线拟合过程中，通过其中的变量关系，可求得其非线性特性的反拟合函数。

为了克服直线拟合误差较大的缺点，提高校正准确度，拟应用三次多项式进行反拟合，并根据实际工作中传感器普遍工作在量程的某一特定区域内，如20%～70%满量程，故将加强对该区域内非线性特性的重视程度，对该区
域以外仅进行适当考量，在拟合过程中，通过对标定数据分配相应权重来予以区分。

设传感器的标定数据为{Xk, Uk}，k=0,1,…,m，其权分布函数为w(x)，选择反拟合函数的基函数为span(1,u,u2,u3)。

则反拟合函数P3(u)为基函数的线性组合，即
以下对反拟合函数的推导过程进行详细论述。

为使[w(x)-P3(u)]2最小，根据最小二乘原理，求取反拟合函数的算法如下：
1)对标定输出进行平移，即
2)对平移处理结果进行压扩处理，即
其中，压扩系数
3)形成矩阵方程，令
则矩阵方程组为
4)得到反拟合函数,即
将代入上式即得反拟合函数，即
P3(u)=p0+p1u+p2u2+p3u3
采用上述算法及公式，对其中一路压力传感器(量程0～2.5MPa)和一路流量传感
器(量程0～1.2m3/h)数据进行非线性校正，实际输出测量结果如表1和表2所示。

表1 压力传感器输出结果对比
MPa
标定值简单直线拟合后的值反拟合校正后的值
0.50.5100.5050.70.7130.6940.90.8820.9071.11.1231.1081.41.3631.4141.71.7 311.683
表2 流量传感器输出结果对比
m3/h
标定值简单直线拟合后的值反拟合校正后的值
0.240.2310.2420.360.3740.3570.480.4700.4840.620.6150.6150.740.7500.744 0.840.8210.850
由表1和表2得出，反拟合校正后的检测结果误差更小，从而可将整个系统的数
据采集误差降低到1%以下。

2.2 计算机与松下PLC的通信
松下PLC通过AD扩展模块接收4～20mA的传感器信号,如图4所示。

在其内部
转换为对应的800～4 000之间的数值，通过传感器的标定数据，并根据线性公式和上一节所述的非线性校正算法，即可在上位计算机端换算得出相应传感器的实时
数值。

但因为PLC模数转换速度和RS232串口的通信速率限制，要采集的传感器数量的多少，该种数据采集模式的采样率一般小于100次/s。

图4 系统连接框图
采集转换系统的简单标定过程为，设传感器量程为(y1,y2)，对应的信号采样值范围为(x1,x2)，则对于某一采样值x，其代表的传感器实际数值y有
为了提高系统的精确度，应根据标定数据进行分段标定，即：量程(y1,y2)1对应采样值(x1,x2) 1，量程(y1,y2)2对应采样值(x1,x2)2，…，量程(y1,y2)n对应采样值(x1,x2)n。

通过试验表明，在分段数据标定的基础上再进行反拟合校正会使检测结果更准确。

计算机与PLC间的通信一般采用RS485或RS232接口，信息交换以“帧”的格式进行。

信息帧由ASCII字符串组成，其通信规范采用的是松下电工公司专用通信协议—MEWTOCOL-COM标准协议[8]。

在以计算机作为主站，PLC作为从站构成的通信网络中，通信由主站发起，将命令帧发向从站，从站以响应帧或错误帧做应答。

MEWTOCOL-COM协议对命令帧、响应帧及错误帧格式进行了严格规定。

为了保证通信成功，通信双方的波特率、数据位、停止位和奇偶校验应保持一致。

由于PLC与计算机的串行通信有一定延迟，所以在发送完一条指令后，应等待一段时间后，再进行响应数据的接收。

因此，为了最大限度地增强系统的响应速度，提高数据的采样频率，在本系统中主要采用MC，MD和MG指令，如图5和图6所示。

其中，%或<为MEWTOCOL-COM的命令帧开始标志，以%开头的信息帧单帧最大长度为118个字节，<为扩展头，单帧最大长度可达2 048个字节。

在多帧命令发送的过程中，一帧发送后，只有当PLC发回响应消息后，下一帧才能发送。

MC指令用于注册被监视的contact区，试验台的运行状态存于此区。

MD指令用于注册被监视的data区，各路传感器的输出结果存于此区。

MG指令用于启动监视，其响应帧内包含被监视区的当前数值。

这些结果数值由两部分组成：
①contact区结果数值，由于contact区只有1位数据，为节约帧空间，所以该部分结果数值从低到高以4位(不足4位的在前面补零)为1组被合并成1个16进制字符，计算机收到这些数据后应该展开为二进制数并一一对应；②data区结果数据，这些数据低位在前，高位在后，在转换中应对高低位进行交换。

图5 MC或MD指令帧格式
图6 MG指令的响应帧格式
2.3 系统软件流程
综合以上两节的讨论，在采集到各路传感器信号后，分别进行分段线性标定，再进行非线性校正，最后输出路传感器的测试值和相应的曲线图。

软件流程图，如图7所示。

图7 系统软件采集处理流程图
3 结论
本系统通过传感器的非线性校正方法，大幅度减少了传感器非线性输出特性对测量的影响，提高传感器的测量精确度，而且具有校正速度快、实时性好和实现简单的特点。

同时，采用计算机与PLC及AD模块相结合的架构，系统稳定、可靠，具有低耦合、模块化的优点。

本系统现已成功用于黑龙江八一农垦大学的液态施肥试验台上，运行良好。

【相关文献】
[1] 黄燕,汪春.液体肥料施用装置试验台的设计[J].现代化农业，2005(8):40-41.
[2] 李江全,吴进河.农机动力参数微机辅助标定测试系统的开发与应用[J].石河子大学学报(自然科学版),1999(1):47-50.
[3] 于永芳，郑仲民. 检测技术[M].北京：机械工业出版社，2003.
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[6] 黄长艺,严普强.机械工程测试技术[M].北京:机械工业出版社,1995.
[7] Mark Nelson.串行通信开发指南(2版)[M].北京:中国水利水电出版社,2000.。