基于PLC和虚拟仪器技术的真空计电参数检定系统的软件设计

　　真空计电参数是电离真空计的栅极电压、阴极电压、发射电流和离子流，热偶真空计的加热电流和热电势的统称。真空计电参数检定装置用于真空计电参数的计量检定。文章阐述了所编制的基于PLC技术的真空计电参数系统的T形图控制程序设计，触摸屏控制程序设计及基于Labview实现PLC控制和系统控制的自动化计量软件。系统可实现通过触摸屏和上位机控制真空计电参数检定系统，实现检定数据的自动处理，报告自动生成。

　　真空技术是20世纪初发展起来的一门新的技术学科，随着科技的进步，真空技术作为一门实用的基础科技应用范围日益广泛。真空计电参数是电离真空计的栅极电压、阴极电压、发射电流和离子流，热偶真空计的加热电流和热电势的统称。作者针对目前快速发展的型号计量需求，研制了自动化程度高的真空计电参数检定装置，并编制了相关软件。文章阐述了针对装置所编制的相关软件的设计，包括核心部件之一的PLC的T形图控制软件，触摸屏控制软件和基于Labview的系统控制计量软件。

1、装置介绍

　　真空计电参数检定装置主要包括热偶计电参数检定部分和电离计检定部分，两部分既相互独立，又可通过转换开关共同分享同一台电源和多用数字表。其各部分原理和构成如下所示。

1.1、装置的热偶计电参数检定部分

　　该装置的热偶计电参数检定部分示意图如图1所示，图中长丝电阻和短丝电阻分别等效长丝热偶规和短丝热偶规的加热灯丝，电阻R 等效热偶规的热电偶灯丝的电阻。在检定过程中，首先根据被检热偶计的类型通过开关切换选择长丝还是短丝，然后选择供电电源的方向，最后调节被检真空计加热电流，通过检定装置测量真空计的加热电流;调节检定装置的毫伏值输出，使被检真空计满偏至0.1Pa，测量此时的毫伏值。进而根据检规对数据进行处理，判定。

图1　装置的热偶计电参数检定部分原理图

1.2、电离计电参数检定部分

　　该装置的电离计电参数检定部分的示意图如图2所示，该部分主要包括直流电源、等效电路、数字表、电离计接口和真空规管等。图中R1和R2分别为等值的精密电阻，其阻值必须大于阴极内阻的10倍。高阻网络阻值分档可调，调节范围为104～1012Ω，通过调节高阻网络两端的电压可以得到离子流的模拟量。在具体检定过程中，通过测量R1和R2之间的点对地的电压可以得出真空计阴极电压值;通过测量栅极对地的电压可以得出真空计的栅极电压;通过测量栅极到地的电流可以得出真空计的发射电流;将标准离子流的模拟量输入真空计，通过式(1)可以得到真空计的离子流示值。

　　式中：I+为真空计离子流示值，K 为真空规管的灵敏度系数，P 为真空规管所处的压力值，Ie为真空计的发射电流。

　　进而根据检规对数据进行处理，判定。

图2　装置的热偶计电参数检定部分原理图

1.3、电阻计电参数检定部分

　　电阻计电参数的检定是一种定性的功能性检定，将真空计连接一个未开封的电阻规，调节真空计的零点调节电位器，观察真空计的零点是否可调;将真空计连接一个开封的电阻规暴露至大气状态，调节真空计的满度调节电位器，观察真空计的满度是否可调。

2、软件设计

　　软件部分主要包括PLC的T 形图控制程序，触摸屏控制程序和自动化计量控制软件。

2.1、PLC的控制程序

　　PLC是真空计电参数装置的核心组成部件之一。编程软件的作用是编辑、调试、输入用户程序，也可以在线监控PLC内部状态和参数，与PLC进行人机对话，它是开发、应用、维护PLC不可缺少的工具。PLC采用T形图程序对其进行控制，CXprogrammer

　　编程软件是基于视窗的编程软件，以高效的多程序开发环境提供丰富的监控和调试功能。其连接方式是CPU 单元外部设备接口或内置RS-222C端口。与PLC通信的协议是外部设备总线或Host　Link[4]。离线操作可完成编程、I/O 内存编辑、创建I/O表，设定PLC参数、打印、修改程序等工作。在该项目中采用CX-programmer软件对其PLC进行编程控制。在编程之前首先要对各开关量分配地址。

　　根据地址分配表和总的装配接线图可以确定各开光量的逻辑关系，借助软点过渡可以编制程序实现目标控制。程序包括“符号”栏的数据类型、开关量地址、使用类型和对应开关的设置。完成以上两项设置后，可以按照地址配置和逻辑关系编制T形程序图，如图3示。在该T形图程序中，涉及软点和硬点共700多个，通过顺序、互锁等结构建立逻辑关联，实现PLC的控制。

图3　T形图程序

2.2、触摸屏控制程序

　　触摸屏是近年来快速发展起来并得到广泛应用的新一代人机交互设备，触摸屏的出现使得工业可视化控制得到实现。首先用手指或其它物体触摸安装在显示器前端的触摸屏，然后系统根据手指触摸的图标或菜单位置来定位信息输入。触摸屏有触摸检测部位和触摸屏控制器组成。采用NP-Designer组态软件进行触摸屏程序编制，是一种快速构造和生成嵌入式计算机监控系统的组态软件，它的组态环境能够在基于Microsoft的各种32位Windows平台上运行。如图4是该软件的操作界面。通过界面设计，按钮属性设计和地址设计最终实现通过触摸屏对PLC的控制。

图4　NP-Designer组态软件操作界面

2.3、Labview计量控制软件

　　Labview是一种程序开发环境，由美国国家仪器(NI)公司研制开发的，类似于C和BASIC开发环境，但是Labview与其他计算机语言的显著区别是：其他计算机语言都是采用基于文本的语言产生代码，而Labview使用的是图形化编辑语言G编写程序，产生的程序是框图的形式。如图5所示为基于Labview软件一个简单报表生成程序。

图5　报表生成程序

　　NI公司为用户提供了基于Labview的各类仪器驱动程序，如数字多用表吉时利2000等都有相应的基于Labview 的驱动程序。应用这些驱动程序大大提高了程序编制的速度和效率。但需要注意的是有些驱动程序模块与实际应用有一定差距，需要使用者对其修改或者利用VISA自行编制。

　　Labview的对PLC的控制可以通过图7所示的串口命令格式来实现，当PLC接收命令并且正常时，以图6的应答命令格式回复，从而实现通信。从上位机发来的命令帧时，自动返回应答帧，帧的各部分意义为：‘@’表示帧的开始;“节点号’用于识别上位机所连接PLC的地址。“识别码”为2个字符的命令码;“正文”用于设置命令参数，例如需要读写的内存地址等：‘'FCS'’为2个字符的帧校验码;终止符为固定的两个字符，表示命令帧或应答帧的结束，应答帧的结束码返回命令的执行状态，若一切正常则返回“00”，若有错误则返回错误代码。

图6　串口命令格式及其应答格式

　　主程序主要由被检仪表信息输入模块、电阻计检定模块、热偶计检定模块、电离计检定模块和报告生成模块五大部分构成。结合”LabVIEW　ReportGeneration　Toolkit　for　Microsoft　Office”及word中书签和域的使用，能应用于单通道热偶计、双通道热偶计、电阻电离复合计、热偶电离复合计、单电离计和双电离计的检定，实现数据的自动处理、原始记录和证书的自动生成。其程序设计流程图如图7所示。

图7　真空计电参数检定程序流程图

2.4、程序效果分析

　　实际工作中应用程序检定真空计电参数表明其效率可提高50%，采用自动检定系统无疑会大大降低计量人员的劳动强度，节约时间，提高效率。

3、结束语

　　本文叙述了真空计电参数的检定系统设计中PLC技术的应用及其自动化控制计量程序。程序具有较强实用性和通用性，针对真空计电参数计量过程复杂、数据处理繁琐等特点，在基本信息的录入中可以避免很多人工重复的劳动;在数据处理过程中通过程序实现数据自动运算，自动判定给出结论，并按照一定的格式存储，从而有效地提高了劳动效率。依托程序框架和其中较通用的模块，可以较方便扩展到真空等计量专业的自动化检定/校准中。

　　随着科技的发展，自动化程序应用前景十分广阔，目前我们还有很多工作有待开展、完善。比如可以结合Office数据库软件，充分利用已有的信息记录为我们所用，缩短整个检定过程所需的时间，提高准确性和效率。有理由相信，自动化技术在未来计量工作中将会发挥越来越重要的作用。