基于LabVIEW的運載火箭閥門試驗數據采集系統設計

賈靜雅， 劉兆賓， 高 琦， 韓春陽， 范曉雷

（首都航天機械公司，北京 100076）

1 閥門試驗系統介紹

閥門為各型號運載火箭的關鍵功能型自動控制元件。在飛行過程中，電磁閥按照事先設定的程序準確無誤的執行開啟和關閉等指令，來實現液氣路通斷、壓力控制、壓力調節、流量控制、電路通斷等功能，進而實現發動機的啟動、工作、關機以及貯箱壓力的自動控制和調節，保持運載火箭和武器的正常工作狀態，是各型號運載火箭及武器的單點失效產品，其中電磁閥試驗過程復雜，如圖1所示，試驗系統中需要數字化采集的測點多，實現數字化數據采集的難度最大。

圖1 電磁閥試驗流程圖

電磁閥試驗技術是閥門制造過程的關鍵技術之一。目前，公司試驗設備大部分仍是20世紀90年代的產品，試驗過程主要依靠人工讀取和記錄，主要缺點：1）手動配氣試驗臺需多人同時操作，耗時耗力效率低；2）容易引入人為誤差，影響閥門試驗精度和可靠性；3）無法對試驗過程數據進行連續完整記錄。

隨著自動化技術的進步，越來越多的手段被應用于試驗裝置的數據采集與監控系統之中。目前常用的軟件環境主要有VB、Delphi以及LabVIEW等［1］。本系統在設計時采用基于LabVIEW虛擬儀器進行數據采集軟件的編制。它的突出特點是以一種功能意義上的虛擬儀器代替實際所需的儀器，VI通過硬件接口和儀器實現了與測控設備的硬件通信，將信號采集、分析與處理等多種功能集為一體［2］，將這項技術應用于運載火箭電磁閥性能試驗系統中，能夠有效地提高閥門試驗過程效率和可靠性。

2 試驗系統組成

2.1 試驗系統總體結構

運載火箭閥門性能試驗數據自動化采集系統總體框圖如圖2所示，由工控機、數據采集卡、施耐德PLC、配氣臺、電磁閥試驗臺等幾部分構成。以工業計算機、PLC組成控制核心，通過配氣系統實現對試驗系統配氣過程及壓力、流量的自動調節和控制。試驗過程中，NI數據采集卡PCI-6238負責采集電磁閥試驗臺的試驗數據，并自動建立數據庫，形成相關檢測記錄或報表。

圖2 系統總體框圖

運載火箭閥門性能試驗數據自動化采集系統采用具有仿真效果的測試界面，實現試驗全過程的智能化參數設定、配氣比計算、過程仿真或演示、管路布局及工作介質動態監控及系統安全防護等功能。

2.2 配氣系統設計

配氣系統主要由氣動調壓器、電磁閥、過濾器、手動閥門及配套管路構成，其中電動調壓器控制中壓和低壓管路的安全壓力設定，氣動調壓器控制實際壓力點的設定并控制其壓力上升速率和放氣速率，電磁閥用于壓力的開啟和截止。圖3為配氣系統原理圖。

系統可在控制和反饋信號作用下完成對指定壓力的自動調節以及壓力上升和下降變化速率的控制，所有調壓器帶有回程排放接口，可根據需要連接至廠區指定排放管路，方便試驗完成后的放氣操作。

圖3 配氣系統原理圖

2.3 控制及采集系統

控制及采集系統由1臺上位機（工控機）和下位機組成。上位機與下位機之間通過交換機聯網通訊實現，并通過以太網口向外部提供數據交互接口。上位機構成本系統的人機交互界面，實現流程試驗的監控、數據報表生成和流程模擬仿真等；下位機分設PLC控制系統和采集系統，其中PLC控制系統主要實現系統安全保護和現場開關量的控制，而采集系統主要采集壓力、溫度等模擬量信號。

3 采集系統軟件設計

3.1 軟件結構和功能設計

按照運載火箭電磁閥性能試驗的要求，需要實施采集試驗過程中的各項參數，包括：動作靈活性試驗、常溫氣密試驗、低壓工作實驗、連續通電試驗、響應試驗以及高溫性能試驗等。依據公司現有質量部門的要求，上述試驗過程實時采集到的數據需要記錄在信息系統中，傳統采用人工錄入的方法費時費力還易出錯，因此亟需一個軟件能夠自動存儲數據，并通過網絡傳送到信息系統的相應文件中，省去中間人為錄入的環節，減少不必要的誤差和人工成本。

針對上述情況，采用數據采集和儀器控制軟件——LabVIEW，利用其提供的圖形編程語言，設計出豐富和人性化的圖形界面，實現試驗過程采集試驗數據、顯示實時數據、回放歷史曲線以及存儲實時信息及與公司信息系統的無縫接口的功能。另外該系統具有多線程技術特點，可實現根據不同的測量需求來協調不同數據源間的數據融合與同步，完成各數據采集、分析等多任務的協同。采集系統軟件結構如圖4所示。

圖4 采集系統軟件結構

3.2 軟件界面設計

操作界面采用LabVIEW編程環境進行編程，采取直觀形象的組態模式，設置“系統自檢及初始化”、“測試設定”、“儀表數據的采集、顯示和存儲”、“報表生成和數據處理”、“數據歷史曲線回放”等模塊，完成系統的自動化采集流程。

將在各個氣密系統試驗如常溫氣瓶增壓系統、冷氦氣瓶增壓系統等試驗流程分別設置為獨立的流程，通過操作界面的選擇，自動完成所選流程的試驗，還可顯示試驗進程，并通過界面上指示燈顯示系統的預熱、準備、運行、排氣等當前狀態。同時，在界面上設置報警功能，根據相應的測試規則設定參數的報警限值，以報警閃爍方式提示操作者。

系統流程總覽操作界面示例如圖5所示。

圖5 系統流程總覽操作界面示例

3.3 數據的存儲及處理

通過上位機數據庫功能可以完成NI采集系統的實時數據和報警記錄的存儲。通過數據庫系統，將試驗數據自動生成各類測試報表，包括生成趨勢分析圖形，通過數據變化走勢，輔助用戶進行數據分析，便于數據處理和分析，提高數據統計分析能力，減少人為錄入失誤，另外預留的接口可以與公司現有的信息系統實現無縫對接，實現對試驗數據的高效管理。模擬量信號曲線示例圖如圖6所示。

圖6 模擬量信號曲線示例圖

4 結語

此閥門試驗數據采集系統的軟硬件滿足了閥門試驗數據自動化采集的需要，解決了科研生產中的實際問題。在系統設計上重點放在傳統電磁閥試驗系統的改造上，實現試驗系統配氣臺的自動化控制及試驗臺的數字化采集能力，提高試驗性能數據采集的準確性，實現運載火箭閥門性能試驗數據的實時采集、顯示、存儲等，并利用預留的數據庫接口與公司信息系統實現無縫對接。該研究對于其它類似采集系統的設計有一定的參照價值。

［參考文獻］

［1］張良.基于LabVIEW的超低溫閥門性能測試軟件設計［J］.低溫技術，2012（39）：10.

［2］楊繼志，郭敬.基于LabView的閥門試驗數據采集系統［J］.機電產品開發與創新，2011（9）：77.