史志偉 趙 健 趙 欣

(1.中國人民解放軍96623部隊，上饒 334000； 2.北京航天計量測試技術(shù)研究所，北京100076； 3.北方科技信息研究所，北京 100076)

1 引 言

砝碼校準(zhǔn)是質(zhì)量計量的核心部分。傳統(tǒng)的砝碼檢定/校準(zhǔn)通常采用手動測量方法，速度慢，工作量大，重復(fù)勞動較多，效率不高，工作空間不密閉，易引入人為誤差和環(huán)境干擾誤差。在實際工作中人們越來越希望將校準(zhǔn)儀器設(shè)備與計算機連接起來組成一個由計算機控制的自動校準(zhǔn)系統(tǒng)完成檢定/校準(zhǔn)任務(wù)。本文介紹的全自動砝碼校準(zhǔn)裝置可用于校準(zhǔn)、比對、量值傳遞工作，是目前國防計量部門的最高標(biāo)準(zhǔn)。其中，經(jīng)改造的多量程電子天平(測量范圍2kg～20kg)是該標(biāo)準(zhǔn)裝置的重要組成部分，并在機械結(jié)構(gòu)上實現(xiàn)了多項技術(shù)改進，使得砝碼在密閉環(huán)境下的自動校準(zhǔn)工作成為可能，本軟件的設(shè)計與實現(xiàn)就是在此基礎(chǔ)上建立的。與傳統(tǒng)的砝碼手動校準(zhǔn)相比，砝碼自動校準(zhǔn)系統(tǒng)可以大幅度減輕校準(zhǔn)人員的工作負(fù)擔(dān)，減少人為引入誤差，有效減小測量結(jié)果的不確定度。

2 砝碼自動校準(zhǔn)系統(tǒng)構(gòu)成

砝碼自動校準(zhǔn)系統(tǒng)主要由多量程電子天平、天平控制器、計算機及自動校準(zhǔn)軟件、數(shù)據(jù)采集器、電機、傳感器等組構(gòu)成，系統(tǒng)連接框圖如圖1所示。其中，多量程電子天平的稱量范圍為2～20kg，具有多項技術(shù)改進：自動交換砝碼、自動定心、電磁恢復(fù)力矩、同步加載以及刀子刀承不脫離等[1]；天平動作控制器是由PLC可編程控制器實現(xiàn)，由計算機COM通訊發(fā)送指令控制天平的開關(guān)、砝碼托盤的旋轉(zhuǎn)和升降，具有緊急制動、手動/自動控制切換等功能；三部電機用于驅(qū)動天平動作；傳感器組用于識別天平狀態(tài)，并將狀態(tài)信息返回到天平動作控制器；數(shù)采系統(tǒng)通過與計算機COM通訊將采集到的砝碼稱量數(shù)據(jù)傳送到自動校準(zhǔn)軟件進行數(shù)據(jù)處理。

圖1 系統(tǒng)構(gòu)成Fig.1 System composition

3 功能分析

砝碼自動校準(zhǔn)系統(tǒng)的主要功能是按照國家檢定規(guī)程要求的工作流程對砝碼進行自動校準(zhǔn)，記錄實驗數(shù)據(jù)，并出具校準(zhǔn)報告。主要應(yīng)包括：新建/保存自動校準(zhǔn)試驗任務(wù)，自動校準(zhǔn)過程設(shè)置、估算實驗時間、砝碼數(shù)據(jù)庫管理、自動生成實驗報告、天平控制、自動校準(zhǔn)過程監(jiān)控等功能，具體系統(tǒng)功能描述如下：

(1)新建/保存自動校準(zhǔn)試驗任務(wù)：新建一個試驗任務(wù)；將設(shè)置好的試驗任務(wù)保存到指定文件；

(2)自動校準(zhǔn)過程設(shè)置：設(shè)置特定參數(shù)使自動校準(zhǔn)過程可以按照實驗任務(wù)自動進行；

(3)估算校準(zhǔn)實驗時間：估算當(dāng)前實驗任務(wù)所需要的時間；

(4)砝碼數(shù)據(jù)庫管理：包括標(biāo)準(zhǔn)砝碼和待測砝碼數(shù)據(jù)庫的新建、更新、刪除；

(5)自動生成實驗報告：實驗結(jié)束或中斷后自動生成實驗報告；

(6)通訊端口設(shè)置：設(shè)置與PLC和數(shù)據(jù)采集器的通訊端口參數(shù)；

(7)天平控制：通過計算機發(fā)送天平動作指令，手動控制天平狀態(tài)；

(8)自動校準(zhǔn)過程監(jiān)控：根據(jù)試驗任務(wù)開始實驗后，實時監(jiān)控天平狀態(tài)，顯示稱量數(shù)據(jù)及實驗結(jié)果趨勢曲線；

(9)數(shù)據(jù)采集及處理：將天平稱量數(shù)據(jù)進行采集并計算處理得到稱量結(jié)果。

4 軟件總體設(shè)計

根據(jù)上述系統(tǒng)功能需求分析的結(jié)果，對砝碼自動校準(zhǔn)系統(tǒng)進行了軟件總體設(shè)計，如圖2所示。 依據(jù)總體設(shè)計方案，利用模塊化的設(shè)計思想編寫程序?qū)崿F(xiàn)各個功能，下面說明以下幾個主要模塊的功能[2]。

4.1 新建/保存實驗任務(wù)模塊

本模塊可以將設(shè)置好的實驗參數(shù)保存為“*.bwd”文件，如果需要重復(fù)實驗只需要打開上次保存的“*.bwd”文件即可快速開始實驗。被保存的實驗任務(wù)信息包括：標(biāo)準(zhǔn)砝碼信息，待測砝碼信息，自動校準(zhǔn)過程設(shè)置參數(shù)，報告內(nèi)容參數(shù)，通訊端口參數(shù)，應(yīng)用模式參數(shù)等。

4.2 自動校準(zhǔn)過程設(shè)置模塊

本模塊可以設(shè)置自動校準(zhǔn)的過程參數(shù)，設(shè)置界面如圖3所示，過程參數(shù)介紹如下：

(1)開始延時時間：指天平自動稱量工作開始之前，天平進入穩(wěn)定狀態(tài)需要的時間，即開始稱量前的暫停時間。

圖2 系統(tǒng)軟件總體設(shè)計框圖Fig.2 Overall system software design block diagram

圖3 自動校準(zhǔn)過程參數(shù)設(shè)置界面Fig.3 Automatic calibration process parameter setting interface

(2)自動定心次數(shù)：指天平自動稱量工作開始之前，A盤和B盤砝碼執(zhí)行自動定心操作的次數(shù)，該動作在延時時間動作之前。

(3)稱量平均次數(shù)：指每得到一個稱量結(jié)果，需要稱量B-A差值的次數(shù)。

(4)稱量次數(shù)：指本次實驗需要平均后的稱量結(jié)果的個數(shù)。

(5)變阻尼穩(wěn)定時間：指當(dāng)天平到半開狀態(tài)時，變阻尼系數(shù)阻尼器對天平托盤的阻尼時間[3]。

(6)稱量穩(wěn)定時間：指當(dāng)天平到全開狀態(tài)時，天平稱量有效需要的穩(wěn)定時間。

(7)是否稱量(A-A)差值：指每次稱量B-A差值結(jié)束后，是否需要稱量A-A差值，選中為“是”，不選為“否”。

(8)稱量方式：指稱量B-A差值使用A-B-A方法，還是使用A-B-B-A方法。

(9)稱量估計需要用時：指按照上述設(shè)置參數(shù)進行一次自動稱量所需要的總時間，點擊“更新”按鈕時間更新一次，否則不更新。

(10)點擊“默認(rèn)值”按鈕，以上所有參數(shù)恢復(fù)默認(rèn)值。

(11)點擊“確定”按鈕，將以上設(shè)置參數(shù)保存為實驗過程參數(shù)，并關(guān)閉本窗口。

(12)點擊“退出”按鈕，退出本窗口，不作任何操作。

4.3 自動估算試驗時間模塊

該模塊嵌入于自動校準(zhǔn)過程設(shè)置模塊內(nèi)，可以根據(jù)過程參數(shù)計算出當(dāng)前試驗任務(wù)需要的大致時間。

4.4 砝碼數(shù)據(jù)庫管理

本模塊應(yīng)用了Access數(shù)據(jù)庫技術(shù)，將標(biāo)準(zhǔn)和待測砝碼信息保存在數(shù)據(jù)庫表單中實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息新建、更新、刪除功能。砝碼數(shù)據(jù)信息包括：砝碼編號，標(biāo)準(zhǔn)砝碼名稱，型號，編號，標(biāo)稱值(g)，修正值(mg)，密度(kg/m3)，備注。數(shù)據(jù)庫操作界面如圖4所示。

4.5 與PLC通訊模塊

本模塊應(yīng)用了PLC可編程控制器技術(shù)，使用RS-232通訊端口，與計算機通訊的控制指令和狀態(tài)協(xié)議如表1所示。

表1 PLC控制指令和狀態(tài)協(xié)議

Tab.1 PLC control instruction and state agreement

圖4 砝碼數(shù)據(jù)庫操作界面Fig.4 Weight database operation interface

4.6 與數(shù)據(jù)采集器通訊模塊

本模塊實現(xiàn)與數(shù)據(jù)采集器的通訊，發(fā)送讀取數(shù)據(jù)指令后，返回一個16位字符即為數(shù)據(jù)采集器采集得到的稱量數(shù)據(jù)，存儲于內(nèi)存和指定文件內(nèi)。

4.7 通訊端口設(shè)置模塊

本模塊用于設(shè)置PLC和數(shù)據(jù)采集器與計算機的的通訊參數(shù)，包括：通訊端口、每秒位數(shù)、數(shù)據(jù)位、奇偶校驗、停止位以及流控制。

4.8 自動校準(zhǔn)過程監(jiān)控模塊

本模塊根據(jù)過程設(shè)置參數(shù)自動生成砝碼差值天平稱量動作流程，并控制天平完成稱量工作，工作流程如圖5所示。

圖5 砝碼差值自動稱量工作流程圖Fig.5 Work flow chart of weight difference automatic weighing

本模塊監(jiān)控的信息包括：當(dāng)前狀態(tài)，過程參數(shù)設(shè)置，砝碼信息，稱量過程圖表顯示，稱量數(shù)據(jù)，另外還有當(dāng)前工作流程進度條。當(dāng)前狀態(tài)包含的信息有：當(dāng)前的稱量次數(shù)，當(dāng)前稱量內(nèi)容，當(dāng)前平均次數(shù)，當(dāng)前稱量位置，當(dāng)前稱量狀態(tài)，當(dāng)前天平讀數(shù)和數(shù)據(jù)保存路徑。過程參數(shù)設(shè)置包含的信息主要是當(dāng)前實驗的過程參數(shù)。砝碼信息包含的信息有標(biāo)準(zhǔn)砝碼信息和被校砝碼信息。稱量過程圖表顯示以圖表形式顯示，橫坐標(biāo)X-軸為稱量結(jié)果的編號，編號mn為組合編號，m和n為2位十進制數(shù)字，m——代表第m次稱量，n——代表稱量結(jié)果數(shù)組中的第n個待平均數(shù)，例如，編號“0302”代表——第3次稱量數(shù)組中的第2個待平均數(shù)。如圖6所示，上方曲線表示A盤砝碼在第mn次ABA(或ABBA稱量過程中的平均值，下方曲線表示B盤砝碼在第mn次ABA(或ABBA)稱量過程中的平均值。

圖6 稱量過程圖表顯示Fig.6 Weighing process chart display

4.9 天平控制模塊

本模塊作為天平控制單元，可以實現(xiàn)的功能有：開關(guān)天平，轉(zhuǎn)動砝碼托盤，升降砝碼托盤，指示天平狀態(tài)。

4.10 自動生成實驗報告模塊

本模塊使用了OLE Office自動化技術(shù)，使用VB調(diào)用WORD程序，當(dāng)實驗結(jié)束或中斷后，自動將實驗結(jié)果以校準(zhǔn)證書的形式生成WORD文檔保存于指定目錄中。

5 實驗數(shù)據(jù)處理及保存

根據(jù)天平示值實際情況，采用以下判據(jù)進行讀數(shù)有效性判別

(1)

式中：Imax——n個讀數(shù)中的最大值，mg；Imin——n個讀數(shù)中的最小值，mg；m——被檢砝碼標(biāo)稱值，kg。

當(dāng)天平讀數(shù)示值滿足式(1)所示判據(jù)后，即認(rèn)為有效，而天平讀數(shù)示值采用堆棧數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)線性平均方法進行數(shù)據(jù)處理。如圖7所示，細(xì)實線為天平實時數(shù)據(jù)采集結(jié)果，粗實線是經(jīng)過實時數(shù)據(jù)處理后的示值結(jié)果。

圖7 天平讀數(shù)示值Fig.7 Balance reading indication

砝碼自動校準(zhǔn)實驗數(shù)據(jù)結(jié)果保存為*.txt文件，其文件名采用自動命名的方式，其中包含稱量開始時間、稱量次數(shù)、是否稱量A-A、稱量平均次數(shù)以及稱量方式等信息。實驗數(shù)據(jù)結(jié)果文件中主要包含4部分信息：實驗過程參數(shù)、砝碼信息、稱量實驗數(shù)據(jù)以及稱量結(jié)果。其中，稱量實驗數(shù)據(jù)信息包含：測量時間，測量編號，位置，測量值，差值(B-A)，差值平均值，砝碼修正值，標(biāo)準(zhǔn)差；稱量結(jié)果信息包含：試驗測量編號，B-A平均值，B-A標(biāo)準(zhǔn)差，結(jié)果平均值，B砝碼修正值。

6 結(jié)束語

本文設(shè)計的砝碼自動校準(zhǔn)系統(tǒng)已經(jīng)調(diào)試成功，現(xiàn)已應(yīng)用于砝碼檢定校準(zhǔn)的實踐工作中。該軟件運行穩(wěn)定、操作簡便、功能齊全、數(shù)據(jù)信息完整可靠，有效地提高了工作的效率，避免了人為因素對校準(zhǔn)結(jié)果的干擾。

[1] 趙寶瑞, 劉明.一種提高天平計量性能的方法[J]. 計量學(xué)報，1990(2).

[2] 龔佩曾. Visual Basic 程序設(shè)計教程[M]. 北京:高教出版社,1998.

[3] 趙寶瑞, 康鐵安.天平自動快速稱量的原理與實踐[J]. 宇航計測技術(shù)，1984(2).