一种多通道固结仪校准系统

刘 东，冯晓敏

（1.陕西理工学院 物理与电信工程学院，陕西 汉中723001；2.汉中职业技术学院 陕西 汉中723001）

一种多通道固结仪校准系统

刘 东1，冯晓敏2

（1.陕西理工学院 物理与电信工程学院，陕西 汉中723001；2.汉中职业技术学院 陕西 汉中723001）

针对人工操作固结仪校准实验效率低下的问题，设计采用测力传感器组、ADS322采集模组块结合工控机与无线通信模块构建多通道固结仪校准系统，能够同时对1～16固结仪校准，校准过程中实时控制、数据采集、处理、存储，并提供远程在线校准数据查询服务、自动化程度高、操作简单。

固结仪；校准系统；自动化；数据采集；B/S模式

固结仪是土壤压缩性实验仪器设备，广泛应用于工程建筑、工程勘察领域。主要用于测定土试样的轴向变形与压力的关系和变形与时间的关系，计算土壤的单位沉降量、压缩系数、回弹系数、压缩模量及固结系数等，实验结果用来判定土质状况，为工程建筑设计与施工提供科学依据。固结仪分为杠杆式固结仪和气压式固结仪。近年来，气压式固结仪正逐步取代传统杠杆式固结仪。

气压固结仪试验平台由多台气压固结仪串联一起组成，试验时需控制加压气泵按设定气压值进行加压，使土壤试样受到压力，测量取得试验数据，经计算分析来判定土质状况。《固结仪校准规范》JJF1311-2011[1]要求固结仪必须按周期进行强制性校准检测，保证固结仪设备技术指标达到合格状态，才能保证实验数据的准确性。

因此，设计一个多通道固结仪校准系统，能同时校准8～16台固结仪，对每个通道的气压固结仪的输出压力值实现实时采集、计算、分析和判断固结仪工作状态合格与否，并提供校准数据查询和校准报告自动生成，从而提高工作效率，对固结仪实验设备产品的一致性进行文件档案记录[2]。

1 系统结构

气压式固结仪校准依赖气缸的精确控制供压才能达到高效自动化校准，设计采用工控机精确控制气缸气压。杠杆式固结仪校准需要在杠杆上加、卸载标准砝码，从“大型砝码加载系统的设计”[3]文中可以看出自动砝码加载系统结构复杂、价格昂贵，且都为非标设计，通用性不强。笔者本着易于实现、务实、节约成本的原则，采用人工加、卸载砝码。

整个固结仪校准系统由工控机、DTD46X无线传输模块、气压控制系统、测力传感器、ADS322数据采集模块、数据库服务器以及打印机构成。具体设计校准系统架构如图1所示。

图1 固结仪校准系统架构示意图

设计以工控机为控制核心，在对气压式固结仪校准时，工控机控制气压控制系统对气缸按设定的压力值供压，并作用于固结仪实验装置上的测力传感器，同时控制无线传输模块将ADS322采集的测力传感器的压力值传回工控机上位机软件，上位机软件实时显示测力传感器数据，按校准的控制供压、并记录存储传感器压力值，记录完整校准数据后后自动分析生成检测报表，并上传至数据库服务器中，用户可根据仪器编号在线查询校准报表。杠杆式固结仪校准时，人工在多个杠杆式固结仪装置的杠杆上加载砝码后，操作工控机上位机程序记录数据，按设定校准点数，依次加载砝码并记录数据，校准数据记录完整后自动分析生成检测报表，并上传至数据库服务器中，用户可根据仪器编号在线查询校准报表。

气压式固结仪整个校准过程能够实现自动控制、采集与分析，自动化程度高；杠杆式固结仪校准过程人工加载砝码，程控记录校准数据与自动生成检测报告，实现了半自动化。

笔者设计固结仪校准系统兼容气压式固结仪和杠杆式固结仪校准，具有自动化程度高、安全、可靠、实时性好、远程网络查询校准报表的特点。解决了以往固结仪校准主要靠人工，校准效率低、校准数据管理和维护不便的缺点。

2 硬件设计

2.1 气压控制系统

气压控制系统由伺服电机、减速器、气缸、活塞、丝杠组件以及数字压力计等组成。工控机上位机软件控制运动控制卡输出脉冲信号驱动伺服电机，减速器减速后通过弹性联轴器将力传送给滚珠丝杠副并转换成推、拉活塞的运动，活塞位置运动可改变气缸中气体的压力。气压控制系统结构示意图见图2所示[4]。

图2 气压控制结构示意图

活塞和气缸的密封性是整个系统的关键，采用GT密封件和O型密封圈组合来密封，可在高压、高温环境下能持久保持密封性、稳定性好。

采用伺服电机来控制气缸活塞的位置，通过改变气体容量来达到气压控制的目的。采用增量PID的电机控制算法来稳定气压，既可以产生准确、稳定的气压。满量程气压控制精度达到±0.02%，达到了一级压力标准精度的气压控制。

在文献[4]中已经介绍，伺服电机的匀速转动压缩气缸与气缸压力是非线性函数关系。气压式固结仪校准中气压的提供最多不超过10个气压点，因此笔者利用电机转速与压力的函数关系，控制电机匀速转动推动活塞，同时监测高精度数字压力计，当压力接近校准气压点时调用增量PID算法控制电机稳定气压，稳定后停止电机转动，再进行校准实验。

气压稳压控制使用增量PID算法，较好的控制增量可快速稳定气压。增量PID控制算法离散形式可以表示为：

公式（1）中 ei、ei-1、ei-2分别为当前、前一次、前两次采样值与设定值之差；K0、K1、K2为 PID算法的比例、积分、微分常系数，可通过多次实验确定。当采集数字压力计的值与设定值相差0.2%时，执行增量PID算法进行稳定气压，增量PID稳压调节算法具体操作流程如图3所示。

2.2 校准数据采集系统

校准数据采集系统主要由无线通信模块、数据采集模块、力值传感器组成，如图1所示。

根据JJF 1311-2011要求测力传感器精度为0.3级，因此选用0.1级高精度KZY-CZ-3测力传感器，KZY-CZ-3温度漂移小、较好的稳定性、输出线性度好、密封等级达IP65，能在高湿度环境中进行校准工作。无线通信模块选用DTX465A模块，模块具有RS485接口协议，无线通讯距离达200 m，无线通信性能稳定且价格低廉，满足校准系统的无线通信需求。数据采集模块采用ADS-322模块作为力值传感器的A/D转换模块，该模块包含24位高精度AD转换芯片、RS485通讯接口电路、数据滤波、体积小（直径 32 mm）、 重量轻 （单模块小于 10 g），能同DTX465A模块构成数据采集无线发送功能模块，可选用电池供电或直流电源供电，其综合性能指标完全满足校准系统要求。

图3 稳压调节算法流程

系统共采用17套无线通讯模块，通信协议统一为波特率19 200、奇校验、8位数据位、1位停止位。其中16套模块和ADS-322模块组成数据采集无线发送模块，1套为工控机接收模块，校准时工控机采用多通道轮询技术，依次发地址读取指令接收指令地址对应通信的数据。

笔者所设计的无线分布式采集模式可分散放置校准固结仪设备，相对数据采集卡采集模式降低了集中数据布线密集度，减少线路中的干扰作用于传感器且价格更合理。

3 软件设计

3.1 校准数据库

在固结仪校准系统中，需要存储每台被校准器具的信息、校准过程中使用的标准器件的信息、气压式固结仪设定校准点设定压力值、杠杆式固结仪校准点设定砝码重量、以及校准过程中的校准实时数据和分析结论。笔者采用SQL Server2005集中存储和管理校准信息，提高数据的处理与分析能力。根据实际校准需求数据库设计如下：

校准基础信息表：{编号，名称，规格型号，生产厂家，送检单位}

气压校准点表：{第一校准点压力，……，第十校准点压力}

杠杆校准点表：{第一校准点重量，……，第十校准点重量}

校准数据表：{编号，第一点第一次测量值，……，第十点第三次测量值}

校准结论表：{编号，第一点误差，……，第十点误差，灵敏度，校准结论}

校准基础信息表记录校准对象的基础信息；气压校准点、杠杆校准点表分别记录气压、杠杆式固结仪校准点设定值；校准数据表存储重复3次对校准点的实时测量值；、校准结论表存储通过对校准实时数据的分析、计算求出各个校准点误差，并作出合格与否的结论。4个表可通过被校准设备进行关联，形成相应的检测报告结论报表。

笔者提出了非冗余固结仪校准信息数据库的构建方案，兼容气压式与杠杆式固结仪校准信息的存储，解决了校准数据管理、维护难的难题。

3.2 上位机软件开发设计

笔者采用Visual Basic 2010语言开发工控机上位机软件，软件主要功能模块为：参数设置、固结仪校准、数据维护、帮助信息4个功能模块，如图4所示。

图4 固结仪校准系统软件功能

参数设置：主要提供通信参数信息的设置、气缸控制系统电机驱动、电机调节参数设置，以及校准对象、校准器具的参数信息设置。

固结仪校准：包括气压式固结仪全自动校准功能和杠杆式固结仪手动校准功能。

数据维护：主要实现对校准信息的查询、维护及校准数据word报表自动生成功能。

其中气压式固结仪校准功能是上位机软件最核心的控制程序，具体的控制流程如下：

气压式固结仪校准先读取通信参数信息，并设置无线通信参数，检测判断无线通信是否工作正常，如果发生通信故障弹出故障提示信息，退出校准程序；若无通信故障问题，读取设置校准点参数，并控制气压系统提供相应的压力值，如果发生供压不正常就转入错误处理程序；若供压稳定，工控机依次记录各个通道测力传感器实时值，然后继续下一校准的检测，每个校准点检测方法相同。上位机程序控制完成3次各个校准点检测后转入校准数据处理过程。计算输出力值的相对误差δ是判断固结仪合格与否的关键，计算固结仪输出力值相对误差δ公式：

公式（2）中F为固结仪输出力值；Fi为第i校准点上3次测量数据的算术平均值。气压式固结仪输出力值误差符合表1规定判断校准点为合格，否则不合格。杠杆式固结仪输出力值相对误差不超过标称力值的±1%为合格。

图5 气压式固结仪校准流程

表1 气压式固结仪输出力值误差

3.3 基于B/S模式的在线查询系统

笔者设计采用相对独立的数据查询系统，将实时检测数据与在线查询系统的数据隔离，查询系统对数据的维护修改不会影响工控机原始的检测数据，有利于数据的安全。校准系统检测的校准数据记录、分析后形成校准结论数据，用户可通过工控机上位机程序将数据上传到连接外网的数据库服务器上，客户可通过网络访问并查询校准结果信息。

在线查询系统设计三层B/S模式：第一层由Access固结仪校准结论数据库构成数据模型层；第二层由ASP.NET编写的查询程构成数据访问层；第三层由客户使用浏览器查询校准信息构成逻辑层。该模式客户只需通过浏览器便能了解校准情况，使用简单、维护方便。

4 结束语

多通道固结仪校准系统经测试，能够同时实现1～16气压式或杠杆式固结仪实现高速、自动化的校准，并提供数据查询、处理、报表生成功能，客户也可通过浏览器输入设备编号远程查询固结仪的校准信息。

多通道固结仪校准系统的应用推广有效的提高校准效率以及校准数据的精度与准确性，弥补了传统固结仪校准中存在的问题和不足。但笔者所设计的校准系统还存在着不足，在使用过程中会继续不断优化完善。

[1]JJF 1311-2011，固结仪校准规范[S].2011：1-11.

[2]刘东.固结仪校准信息系统设计与开发[D].西安：西安石油大学，2013.

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A multi-channel consolidometer calibration system

LIU Dong1，FENG Xiao-min2
（1.School of Physics and Communication Engineering，Shanxi University of Technology，Hanzhong 723001，China；2.Hanzhong Vocational and Technical College，Hanzhong 723001，China）

For the low efficiency of manual operation consolidometer calibration experiment.Therefore，load cell group and ADS322 collection module block are adopted and combined with industrial personal computer and wireless communication module to establish a multi-channel consolidometer calibration system，can simultaneously to 1 to 16 consolidometer calibration，which realizes the real-time control，collection，processing and storage of calibration process，provides remote online query service of calibration data and shows a high degree of automation and simple operation.

consolidometer；calibration system；automation；data acquisition；B/S mode

TN06

：A

：1674－6236（2017）13-0170-04

2016-05-24稿件编号：201605218

陕西省教育厅专项科研项目（14JK1135）

刘 东（1979—），男，陕西汉中人，硕士，讲师。研究方向：计算机科学技术及测控技术。