1米太阳望远镜液压监控系统*
2012-01-25赵雪娟柳光乾
赵雪娟,柳光乾,张 涛
(中国科学院国家天文台云南天文台,云南 昆明 650011)
云南天文台1 m太阳望远镜(New Vacumm Solar Telescope,NVST)是我国正在建设中的目前国内唯一的地平式真空太阳塔,主要科学目标是在0.3~2.5μm波段对太阳进行高分辨率成像和光谱观测。为实现这一目标,其驱动控制系统必须能够长时间高精度地跟踪太阳,开环短周期跟踪精度要达到0.5″/30 s[1],因此,望远镜的轴承系统要有很高的精度[2]。NVST控制系统主要包括方位驱动控制系统和高度驱动控制系统,前者采用液压轴承,后者采用滚动轴承。其中,液压轴承的安全运转要求液压系统供油稳定,压力的波动必须稳定在一定范围内才能保证望远镜正常运行。NVST水平液压系统由武汉重工定制,存在两个缺陷:一是液压系统只有一个简单的压力表,没有数字式的液压数据系统,为液压系统性能的长期监测和系统分析带来不便;二是该系统独立于望远镜控制系统之外,操作不便,自动化程度低,系统难以维护。为此,本文为NVST设计了液压监控系统,包括油压、油温数据采集系统及自动启停系统,并通过RS232和PLC开关量控制集成到望远镜控制系统。本文第1节阐述了液压监控系统的基本结构和工作原理,第2节给出油压、油温数据采集系统的传感器选型和硬件设计,第3节介绍软件设计,第4节给出实验结果。
1 液压监控系统的基本结构和工作原理
NVST控制系统的集成度和自动化程度都很高,主要包括望远镜控制系统、天文观测系统、终端仪器系统和数据处理系统4部分。其中,望远镜控制系统主要完成望远镜的定位跟踪(方位和高度两个主轴伺服控制)、光谱仪消旋、光电导行、圆顶控制、望远镜风障控制、PLC现场服务系统和环境监测系统等。方位液压监控系统是环境监测系统的重要组成部分,基本结构如图1。
油压由多头泵进行分油控制,每根供油管的油压基本相同,油压传感器装在其中的一根上进行油压探测。油温传感器探头则直接装进油缸内部。油压、油温传感器信号经数据采集系统处理后送往望远镜控制系统。油压、油温异常时,系统将向更底层的PLC系统发送报警信号,并在原有的控制器上引出相应的开关量,通过继电器接到PLC系统进行自动启停控制。
2 液压监控系统的硬件设计
2.1 传感器选型和硬件结构
油压数据采集系统选取佛山市普量电子有限公司生产的PT500-708微压压力传感器作为油压传感器[3],该传感器为全不锈钢封焊结构,具有良好的防潮能力及优异的介质兼容性,适用于介质压力微弱的场合。根据液压系统自带的油压表,望远镜正常工作时油压约为0.54 Mpa,所选PT500-708量程为0~1.6 MPa,输出信号为0~5 V(三线制),综合精度为0.5%FS,可满足 NVST液压系统要求。油压数据采集系统的硬件结构如图2。
系统工作时,PT500-708将油压转换为0~5 V模拟电压信号,经模数转换芯片ADS7852[4]转换为12位数字信号后送入单片机AT89S52[5],由单片机控制数据的采集、处理、传输及报警等过程。由于电压值与油压值成线性关系,因此可由电压值测得相应的油压值。当油压异常时,单片机产生5 V报警信号,经以TLP521_4光耦为核心的电平转换电路转换为24 V报警信号后送至PLC控制系统,由PLC采取相应的措施,如启动报警、停止相关仪器运行、停止望远镜转动等。
油温数据采集系统采用的是DALLAS公司生产的DS18B20数字化温度传感器[6]。DS18B20采用一线式协议,测温范围为-55℃ ~+125℃,在-10℃ ~+85℃范围内精度为±0.5℃,测温分辨率高达0.0625℃,可满足油温数据采集要求。油温信号经DS18B20转换为12位输出信号,经AT89S52处理后送至望远镜控制系统,硬件结构如图3。
图1 液压监控系统的基本结构Fig.1 The basic structure of the hydraulic monitor and its control system
图2 油压采集系统硬件结构Fig.2 The hardware architecture of the oil pressure data acquisition system
图3 油温采集系统硬件结构Fig.3 The hardware architecture of the oil temperature data acquisition system
2.2 油压、油温数据采集系统的硬件设计
油压数据采集系统的电路原理图如图4,主要包括模数转换电路、数据处理电路、传输电路和电平转换电路。该系统中油压信号的传输路径为:PT500-708—ADS7852—AT89S52—MAX232/TLP521_4—上位机/PLC控制系统。
图5为油温数据采集系统的电路原理图。设计采用多通道输入以实现多点测温,可同时监测8个待测点的温度。实际使用时,可根据待测点的位置和数量,灵活选择信号输入通道,单片机将依次读取待测点的温度数据。
图4 油压数据采集系统电路原理图Fig.4 The circuit diagram of the oil pressure data acquisition system
图5 油温采集系统电路原理图Fig.5 The circuit diagram of the oil temperature data acquisition system
3 液压监控系统的软件设计
3.1 下位机软件
软件设计的任务是协调、控制硬件完成液压信号的采集、转换、处理和传输过程,最终实现对液压系统工作状态的监控,保证液压轴承的安全运转,实现望远镜的平稳旋转[7-8]。
图6(a)为油压数据采集系统软件设计的主程序流程图。该采集系统软件设计的难点在于如何利用单片机AT89S52控制模数转换过程准确稳定地进行,关键是对模数转换芯片ADS7852读写时序的控制。为防止程序跑飞,加入了看门狗程序,每隔1 ms喂狗一次,保证对油压数据的监测不中断。另外,考虑到油压过低比油压过高的情况严重,报警子程序中先判断低压报警,图6(b)为报警子程序流程图。
图7(a)为油温数据采集系统软件设计的主程序流程图。采用DS18B20作温度传感器简化了硬件设计,与此同时,较小的硬件开销需要相对复杂的软件进行补偿[9]。DS18B20采用的是一线式总线协议方式,有严格的通信协议保证各位数据传输的正确性和完整性,而AT89S52单片机硬件上并不支持单总线协议。因此,必须采用软件的方法模拟单总线的协议时序完成对DS18B20芯片的访问。根据DS18B20的通讯协议,主机控制DS18B20完成温度转换必须经过3个步骤:每一次读写之前都要对DS18B20进行复位,复位成功后发送一条ROM指令,最后发送RAM指令,读取存储在RAM中温度信息。图7(b)为DS18B20复位子程序的流程图。
图6 油压数据采集系统程序流程图Fig.6 The flowchart of the program of the oil pressure data acquisition system
图7 油温数据采集系统程序流程图Fig.7 The flowchart of the program of the oil temperature data acquisition system
3.2 上位机软件
考虑到上位机串口资源有限,在实际应用中,采用总线型异步多机通信方式,只需占用一个串口便可实现上位机与多个下位机之间的通信。这种通信方式要求串口具有识别功能,可通过对下位机进行地址分配并采用查询方式和串口中断程序实现。根据系统的软件设计,设定油压、油温的查询命令分别为11H和12H,上位机发送查询命令即可获取相应的液压数据。图8为上位机软件的运行界面,已集成到NVST控制系统中。工作时,上位机发出查询命令,下位机接收命令并通过串口中断程序对查询命令进行判断,若上位机呼叫的正是本机,则发送相应的数据,否则跳回主程序继续采集和处理数据。
4 油压、油温数据采集系统和启停控制的运行测试结果
图8 液压监控系统的上位机运行界面Fig.8 The PC running interface of the hydraulic monitor and its control system
图9为一段时间内油压和油温的实时监测数据。考虑到实际应用,油压数据间隔为0.2 s,油温数据间隔为1 min。从图中可知,油压上升时间约为1 s,而下降时间约为30 s,即油压上升较下降快,望远镜应在油泵开启1 s后开始工作。液压系统正常工作时油压基本稳定在0.5 MPa附近,变动峰值为0.05 MPa,测试表明这一变动并不影响液压系统的正常工作,也不会影响望远镜的正常跟踪[10]。油压高低压报警临界值可设为0.55 MPa和0.45 MPa。油温数据则随着油泵工作时间缓缓上升,持续工作时每小时约升高1.5℃。由于数据采集过程中曾两次断开油泵,因此图中有两个谷值出现。
图9 液压数据的实时监测Fig.9 Real-time monitoring of hydraulic data
5 结语
本文主要介绍了方位液压监控系统的基本结构和工作原理,阐述了油压、油温数据采集系统的软硬件实现,并针对实际应用进行了相应的实验。理论分析和实验结果表明该系统工作正常,数据采集速度快、分辨率高,精度可满足要求,能长期稳定运行。此外,操作简单,成本低,采用相应的传感器,可用于望远镜镜筒内的真空监测、光谱筒内的温湿度检测以及圆顶内的温湿度检测等。
[1]柳光乾.云台红外太阳望远镜驱动控制系统仿真[D].昆明:中国科学院云南天文台,2004:21.
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[3]佛山市普量电子有限公司.PT500压力传感器/变送器使用说明书:http://www.sensorsensor.com/Productshow-192.html.
[4]ADS7852 User Manual[EB/OL].http://www.datasheet5.com/?keyword=ADS7852.
[5]AT89S52 User Manual[EB/OL].http://www.datasheet5.com/?keyword=AT89S52.
[6]DS18B20 User Manual[EB/OL].http://www.datasheet5.com/views-TLP521-All.html?keyword=DS18B20.
[7]柳光乾,卢汝为,李志,等.红外太阳望远镜电控及光电导行系统 [C]//2002年中国天文望远镜及仪器学术讨论会论文集.
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