基于FX2N的自动调焦系统研究

周 静，常 鹏，彭琰举，周海洋

（1.西安石油大学 井下测控研究所，陕西 西安 710065；2.陕西鼎元石油有限公司 陕西 西安 710065）

在井场的测试系统中要对井口的压力进行实时监测，而由于油田环境的特殊性，要求测试系统必须具有较高的可靠性和抗干扰能力，在工业控制系统中，PLC以其适应性强、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等优点得到广泛应用。本系统以PLC控制器为核心，以VB6.0为上位机构成的调焦系统能够准确快速地控制直流电机的运动从而达到调焦效果，并且为用户提供了人性化的操作界面、实现了对于现场压力数据的采集，还能够实时的控制现场压力测试系统；本系统选型考究，采用了小型可扩展性强的FX2N系列PLC[1]，具有通信端口为后续的升级提供便利，选用了直流电机和丝杆及具有12位精度的位置传感器的组合进行准确调焦，而没有采用昂贵的伺服电机，这也充分兼顾了系统的成本和实用性。这对于实现油田智能化、自动化、可视化、实时化提供了可靠保证。构成系统在水平和垂直方向的位移，为了使系统快速、准确的完成调焦，控制垂直位移的直流电机电压可在12 V和5 V之间来回切换，使电机以不同的速度运动，分别完成摄像头对焦距的粗调和细调。为了使调焦系统在调焦过程中具有高可靠性和稳定性，系统采用由电机、丝杆及位置传感器组成的闭环系统[2]。同时系统还采用CCD图像数据处理技术，使调焦效果最佳，而CCD图像数据处理技术不是本文的重点所以在这里不做赘述。另外考虑到系统的可靠性，除了软件可控制系统的调焦外，本系统还设计了硬件的调焦控制台，使系统硬件结构和软件界面保持了高度一致，该系统的结构框图如图1所示。

图1 调焦系统结构框图Fig.1 Structure diagram of focusing system

1 系统方案设计

调焦系统以电机的位置为调节参数，两台直流电机分别

当系统得到预设的坐标后控制直流电机的运动，直流电机带动摄像头靠近预定位置，位置传感器检测到坐标后与给定值比较最后完成调焦，系统采用最少的机构完成调焦也体现了最简即最优的控制原则。

2 控制系统结构及功能

2.1 调焦系统硬件组成

调焦系统通过两个位置传感器检测摄像头所在的位置；通过控制电机的运动控制摄像头的运动，由位置传感器[3]和电机构成的闭环系统最终完成准确调焦。系统的硬件结构如图2所示。系统硬件部分主要由FX2N系列PLC、上位机、位置传感器、直流电机等组成。主要包括：1）FX2N系列PLC、FX2N-232-BD串行模块、FX2N-2AD[4]模块各一台；2）位置传感器两个；3）直流电机3台；图2是该调焦系统的结构框图。

图2 系统硬件结构图Fig.2 Structure diagram of hardware system

2.2 调焦控制台组成

调焦控制台是为了现场能够快速灵活的调焦而设计的，使整个系统同时具备电脑自动控制和手动控制，与在控制室里进行电脑自动控制形成互补。

调焦控制台主要由调焦控制盒、通信电缆、表盘按钮组成，实物图如图3所示。

图3 控制台实物图Fig.3 Console physical map

实现功能：4个方向按钮分别实现电机在水平方向和垂直方向的运动，快上快下按钮则将电机的供电电压切换到+12 V，是电机快速移动到预定位置，急停按钮则实现系统在非正常工作状况下的关闭。

3 控制系统原理

为了使系统能够准确调焦，本系统采用了由直流电机和位置传感器构成的闭环控制系统，为了提高调焦的精度系统的位置传感器采用12位精度的，在水平推杆和垂直推杆[5]都为0.3 m的情况下，精度为1.0×10-4m。系统的首次调焦要通过手动调节或者在人为参与的情况下进行调焦，当通过CCD技术达到最佳的调焦效果后位置传感器会记录此时的位置，然后将坐标输入到上位机的设置中，开机后电机就会根据给定的参数进行移动，同时位置传感器会检测摄像头的坐标，经过FX2N-2AD模块将连续的模拟信号转变为数字信号送给控制器PLC，然后将获得的参数与设定的参数进行比较，在逐渐缩小偏差达到设定位置后系统就完成了自动调焦的功能。在控制系统中有6个限位开关、12个按钮开关共18个输入点和8个输出点，PLC的输入口接收来自限位开关及按钮开关的动作信号，位置传感器通过FX2N-2AD接PLC控制器。系统接线图如图4所示。

图4 系统接线图Fig.4 System wiring diagram

4 软件设计

PLC主要是为现场控制而设计的，人机界面主要是开关、按钮等。其良好的实用性和可扩展能力得到越来越广泛的应用。采用PLC的控制系统具有可靠性高、易于控制、系统设计灵活、能模拟现场调试、编程使用简单、性价比高、有良好的抗干扰能力等特点。但是PLC也有其不易显示各种图表、无良好的用户界面、不便于监控等缺陷。

计算机作为上位机可以提供良好的人机界面，进行系统的监控和管理，进行程序编制、参数设定和修改、数据采集等，既能保证系统性能，又能使系统操作简便，便于进行生产过程的有效监督。而PLC作为下位机，执行可靠有效的分散控制。用上位机去监控下位机，这就要求PC与PLC之间稳定、可靠的数据通信。系统的软件设计主要完成PC与PLC的通信、编写相应的程序控制系统。

调焦系统的软件设计包括两个部分：VB软件设计和PLC软件设计。

4.1 VB软件设计

VB6.0具有可视化，支持面向对象的程序设计，具有结构性的事件驱动编程模式，编程效率高等优点，本系统选择VB6.0提供的串口通信控件MSComm[6]来进行通信编程。

4.1.1 MSComm控件

MSComm控件提供了一系列标准通信命令的使用界面。使用它可以建立与串行端口的连接，通过串行端口再连接到系统的控制器PLC，发出命令，交换数据，以及监视和响应串行连接中发生的时间和错误。

MSComm控件还有很多重要属性，基本属性如下：

Commport设置并返回通讯端口号

Settings以字符串的形式设置并返回波特率、奇偶校验、数据位、停止位。

PortOpen设置并返回通讯端口的状态。也可以打开和关闭端口。

Input从接收缓冲区返回和删除字符。

Output向传输缓冲区写一个字符串。

4.1.2 PC机与PLC串口通信

PC与PLC采用主从方式通信，为了测试PC与PLC能否正常通信，要进行回路测试，其持续运行界面如图6所示，首先单击“回路测试”按钮，若出现“与PLC通信正常！”信息框，表示线路与硬件连接正常，此时PC与PLC可以进行正常通信；初始化持续和回路测试持续如下：

图6 电机控制部分PLC梯形图Fig.6 Motor control PLC ladder

程序初始化：

图5 程序运行界面Fig.5 The program's interface

4.2 PLC软件设计

自动调焦系统中电机控制是精确定位的关键，所以对电机实施控制显得尤为重要，为了保证FX2N系列PLC能够正常与PC进行通信，需要在PLC中运行先运行一段程序。其功能是设置PLC通信参数[7]：波特率是9 600 b/s，7位数据位，1位停止位，奇校验，站号位0.，然后在运行系统程序，下面是电机控制的部分梯形图。

调焦系统能准确调焦或者定位的关键在于有直流电机、丝杆及位置传感器构成的闭环控制系统，由于位置传感器的精度非常高，加上下位机程序编写灵活可以实时更新，使得调焦系统调焦更加清晰，根据调焦的控制要求，其控制流程图如图7所示。

图7 PLC工作流程图Tab.7 Flow chart of PLC program design

5 结束语

自动调焦系统是为了克服井场不能人为实时的对井口压力进行测试而设计的，自动调焦系统充分应用了PLC控制优势，并结合直流电机的控制，位置传感器的应用达到了精确调焦的功能，相对于采用伺服电机进行定位的系统降低了成本；直流电机在垂直位移方向的电压的切换可完成粗调和细调，这也使系统能够快速的定位，整个系统充分体现了稳、准、快的控制要求；自动调焦系统现已成功应用于油田实际生产中，并且为油田检测及控制系统朝着智能化、自动化、低成本的方向发展提供了有力借鉴。

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