计算机远程IO控制技术在大型水工模型试验中应用研究语音计算器
2022-10-21 23:31:43 万金五金网
计算机远程I/O控制技术在大型水工模型试验中应用研究
计算机远程I/O控制技术在大型水工模型试验中应用研究 2011： 1 水工模型试验现场条件和目前采用的测控技术
随着科学技术的进步，人们越来越多地用计算机来实现控制系统。在大型水工模型试验领域，目前国内存在以下几种模式：单片机控制系统、PC控制系统和工业控制机型(IPC)控制系统。单片机控制系统大多在20世纪80年代和90年代初期由研究机构和大学的试验仪器人员独自开发，具有系统费用相对低廉的优点，但是随着时间的推移，其稳定性和扩展性较差、与其它设备数据通信困难、软件操作界面不友好，对系统开发人员业务素质要求也较高。
目前，国内的商业化水工模型试验系统都是基于IPC。IPC需要解决微型机与现场测量仪表、传感器、执行机构之间的信息传输问题。传统方式下，IPC利用机内插装的I／O板及外部端子排与现场仪表装置联系。这些信息多以(4～20)mADC模拟信号为主，辅以开关信号，IPC与现场设备的联系越多，则连线也愈多，IPC与现场设备之间的距离越远，布线也愈复杂。
大型水工模型试验测控系统现场具有以下特点。
一方面，大型水工模型试验场所占地面积大，信号需要长距离传输，信号在传输过程中受到的各种干扰，尤其是长线信号传输时情况更为严重。大型水工模型测控系统要求信号在
长距离传输的过程中有较强的抗干扰能力。需要采取适当的技术措施，如屏蔽技术、接地技术、隔离技术等。长线信号传输时，系统所受到的干扰有：a.周围空间电磁场对长线电磁感应干扰；b.信号间的串扰；c.长线信号的地线干扰。
另一方面，水工模型形状由模型所模拟的天然河道原型决定，模型形状不规则，现场布线条件差，测控点较多，布线相当复杂。控制电缆、信号线、电源线，往往是直接凌空或沿模型河道直接连结计算机，接地处理也被简单处理，整个系统没有按照工业规范安装，这势必更加恶化了计算机与现场设备之间的信号传输问题。
综上所述，根据大型水工模型试验测控系统特点，要求测控系统的信道具有较强的抗干扰能力，测量和控制信号能长距离高保真传输。同时，测控系统作为一个试验系统也要求整个系统布线简单，安装方便。要达到上述目的，需要寻找一种全新的控制方式。
2 远程I／O方案及关键技术
随着数字通信技术的发展，IPC主机可以利用远程I／O技术和现场设备进行数字通信。数字通信相对于模拟通信，具有下列显著的优点：①抗干扰能力强，特别是在长距离传输时，可由中继器再生信号来消除噪音积累。②数字信号便于产生、存储和交换，便于与计算机连接。③便于实现抗干扰编码和差错控制。
远程I／O技术方案使用先进可靠的工业级前端模块。前端模块安装在现场，由单独设置的网络接口模块实现主机和各个前端模块之间的数据通信。系统采用主从网络传输结构，通过RS_485接口界面进行通讯，具有双向传输信息、节省布线投资等优点。
2.1 前端模块
前端模块是一种智能前端，其主要功能为：由软件命令指定每一通道的输入或输出功能、量程范围及工作方式；实现量程自动变换、数字滤波及工程单位换算；对放大器进行零漂校正等。其中嵌入式智能模块中配置有微处理器，具有可编程能力，支持高级语言开发，可代替工业控制中大量使用的PLC(可编程控制器)。
前端模块具有高精度、高智能、高抗干扰能力、高可靠性、低功耗等优点。通常还具有良好的防尘、防潮、防震性能，适宜现场安装。
每个网络可包含256个模块，除去1个接口模块，如每个智能前端模块有8个测点，则网络的同一通信线路可远距传输2040个测点信息。采用RS_485串口通讯，在不外加中继模块的情况下，最大通信距离为1 200 m。如增加中继模块，可以进一步增加通讯距离。
2.2 网络拓扑结构
远程I／O系统网络拓扑结构如图1所示。在图中，各节点经其接口通过一条通信线路与公共总线连接。任何节点的信息都可以沿总线传输，主机通过轮询，向各个节点传送或接收信息，具有以下优点:
①结构简单，扩展灵活;
②可靠性高，共享网络资源能力强；
③设备少，安装和使用方便。
并且，每个节点通过前端模块连接入测控网络。由于前端模块具有隔离作用，最大隔离电压达到3000VDC，如果网络由隔离型中继模块将网络分割为几个独立的部分，在遇到雷击灾害时能大大减少损失。
2.3 RS-485通讯
远程I／O控制网络在连接中使用RS-485接口进行通讯，RS_485接口具有较强的电气抗干扰能力，非常适合工业环境中应用。RS-485信号传输方式如图2所示。
图1 远程I/O系统网络拓扑结构图Fig.1 The topology constructionof long_rang I/O control system
图2 RS-485信号传输方式示例Fi