共底安全監測系統測試數據傳輸軟件設計

陳　聯，丁　棟，李　強，魏　廣

（1.蘭州空間技術物理研究所 真空技術與物理重點實驗室，蘭州　730000；2.蘭州交通大學，蘭州　730070）

共底安全監測系統測試數據傳輸軟件設計

陳聯1，丁棟1，李強2，魏廣1

（1.蘭州空間技術物理研究所 真空技術與物理重點實驗室，蘭州730000；2.蘭州交通大學，蘭州730070）

共底安全監測系統測試數據傳輸軟件是為提高火箭共底安全監測系統測量工作的及時性、準確性和可靠性，而開發的一種專用測試軟件。文中主要介紹了傳輸軟件的功能要求，總體結構設計、質譜計數據采集模塊設計、網絡傳輸功能設計、功能測試結果分析等方面的內容。測試數據傳輸軟件采用模塊化設計、質譜計OPC通訊、網絡間TCP/IP通訊和SQL數據庫等通訊和工具，實現低溫運載火箭發射過程中的共底殘余氣體濃度含量的自動采集、存貯和傳輸，簡化了發射場操作流程。

共底；安全監測；質譜分析；傳輸軟件

0　引言

共底安全監測系統是用于我國低溫運載火箭發射過程中，低溫級液氫和液氧箱共用的絕熱腔體（簡稱共底）氫、氧泄漏情況實時監測工作，確保火箭發射安全。火箭共底監測系統的工作原理是采用真空壓力監測的方式實現絕熱腔體總壓力監測，采用質譜分析的方法實現共底內氫、氧等殘余濃度含量測量，兩者結合使用，及時發現共底是否發生泄漏以及泄漏部位［1］。早期的共底安全監測系統通過人工記錄的方式實現測量結果的存儲、上傳和分析，在及時性、準確性和可靠性方面較差，共底安全監測系統測試數據傳輸軟件是為了滿足火箭發射場流程再造需求，提高自動化程度而開發的一種專用測試軟件［2］。

1　軟件功能要求

測試數據傳輸軟件的基本功能是實現液氫、液氧加注期間共底氣體成份濃度的測量，并將測量結果按指定格式和協議通過網線遠程傳輸至總體網。軟件運行過程中，能依據操作人員的要求，啟動相關聯的軟件程序，獲取質譜數據與真空計數據，并在各自的顯示區依據獲取的數據實時顯示各自的圖表與圖像，同時要將數據及時保存到數據庫中，方便后續數據讀取和分析。在檢測到共底氫濃度超標、通信故障時能夠及時給出報警顯示。在需要時，可以與總體網上位機之間通過發送UDP的數據包實現測試數據信息的上傳，并按照指定格式將發送的數據以文件的形式存儲在指定文件夾內，便于事后計算機進行數據自動比對。具體要求如下：

（1）能對H2、O2、N2、He、H2O等氣體的濃度進行測量；

（2）能采用UDP協議將H2、O2、N2、He、H2O等氣體濃度的測量結果上傳至總體網上位機；

（3）能通過監測質譜室壓力的方式確保質譜計正常工作；

（4）能在氫濃度超過7%、質譜計、真空計和總體網等通信故障時給出報警顯示。

軟件運行過程中涉及到的硬件接口要求如圖1所示，測試數據傳輸軟件安裝在計算機上，其中質譜計與計算機間采用RJ45網絡OPC通信協議通信，質譜室真空計與計算機間采用RS232接口Modbus協議通信，總體網上位機與計算機間采用RJ45網絡TCP/IP協議通信。顯示單元采用觸控一體機，能直接通過手動點擊顯示單元給出的開發操作界面上對應的控件，實現軟件啟停控制和運行參數設置［3］。

圖1　測試數據傳輸軟件硬件接口圖

2　軟件總體結構設計

根據軟件功能要求，設計的共底安全監測系統測試數據傳輸軟件主要功能模塊包括：權限設置模塊、系統配置模塊、設備運行管理模塊、實時數據處理模塊、歷史數據管理模塊、遠程數據傳輸模塊、報警模塊和操作日志模塊，詳細功能分配如表1所示。

表1　軟件模塊功能分配表

根據表1設計出的測試數據傳輸軟件典型運行界面圖如圖2所示。

圖2　測試數據傳輸軟件運行界面圖

3　主要功能模塊詳細設計分析

3.1質譜計數據采集功能設計

本次研制的共底安全監測系統在質譜計配置方面，選用的是Pfeiffer公司生產的QMG220M1型四極質譜計，該型號質譜計自帶的測量軟件QUADE?RA能夠實現H2、O2、N2、He、H2O等濃度的直接測量，測量結果以Excel表格的形式存在指定文件下，但是這種方式導致用戶二次開發的軟件無法實時讀取數據，增加軟件開發難度。通過和硬件生產商溝通發現，QMG220M1質譜計還提供了基于OPC（OLE for Process Control）協議的數據通信功能。

通過調研發現，OPC協議是一種具有開放、開發和協作功能的通用工業標準，是微軟公司的對象連接和嵌入技術在過程控制領域的應用，為工業自動化軟件面向對象的開發提供一項統一的標準［4-5］。QMG220M1質譜計在OPC協議方面提供了用于質譜計的分析器控制、測量通道選擇、外接設備添加和通用安全保護等四大方面近150條控制指令，軟件開發用戶可以利用這些控制指令的自由組合，實現質譜計的啟停控制、測量通道和測量范圍選擇、質譜計組網或外接其他類型壓力計、使用安全保護等個性化設計功能。基于OPC通信協議的優點，共底安全監測系統測試數據傳輸軟件設計過程中，采用OPC協議直接控制QMG220M1質譜計硬件，主要使用了其中的7條控制指令，如表2所示，可基本實現了質譜計的啟停和H2、O2、N2、He、H2O共5種殘余氣體離子流強度值的實時采集功能。

表2　OPC控制指令設置

其他在OPC通信中需要使用的質譜計燈絲電流，倍增器電壓，H2、O2、N2、He、H2O共5種殘余氣體對應的質量數、掃描時間、檢測模式、分辨率等參數，由于首次設置后，在后續的質譜計啟停和測量過程不需要再重新設置，因此，為了簡化測試傳輸軟件的復雜性，利用質譜計自帶的軟件QUADERA實現相關參數設置，典型設置界面如圖3所示。

圖3　QUADERA軟件實現OPC信息配置界面

3.2網絡傳輸功能設計

共底安全監測系統測試數據傳輸軟件與總體網之間的信息交換使用標準TCP/IP協議，采用Win?dows Sockets標準網絡程序設計接口。測試數據的交換采用無連接的數據報式套接字即UDP，將測試信息按照約定的信息幀格式打包發送給總體網上位機，同時對所發送的數據按照指定的存盤格式進行存盤，便于在測試后與信息接收方進行數據比對。信息幀格式由信息頭和信息字組成，其中信息頭由幀同步、幀長、幀類型、備用字、日期、時間、幀計數、信息字個數、校驗和等內容共32個字節組成。信息字有5個，分別對應H2、O2、N2、He、H2O共5種氣體的濃度值，每個信息字使用12個字節，設計為IEEE浮點型，其中整數位2為，小數位4位。

4　功能測試

軟件功能測試主要包括配置功能測試、信息幀格式正確性測試和總體網聯合測試等幾個過程。其中配置功能測試主要是針對表1中所規定的功能進行了逐一檢查和復現，同時采用人為設定異常情況，如氫濃度超標、質譜室壓力超標、網絡通信故障、異常關機等方式，驗證軟件對異常和報警信息的響應能力。信息幀格式正確性測試采用編制模擬測試程序的方式實現，模擬程序能夠對接受到的數據按照規定格式進行解碼，通過逐條比對解碼后的數據與實際傳輸數據的一致性，從而驗證信息幀格式的正確性，測試結果表明信息幀格式完全滿足規定要求。總體網聯合測試是將總體網上位機作為接收終端，共底安全監測系統測試數據傳輸軟件將實時測量獲得的共底殘余氣體濃度數據傳輸給上位機，測試結果表明，上位機顯示的實時數據與共底安全監測系統測試數據傳輸軟件顯示的測量數據完全一致，并隨共底內殘余氣體濃度的變化而實時變化。

5　結論

共底安全監測系統測試數據傳輸軟件采用模塊化設計實現各項規定功能。利用質譜計配置的OPC協議對質譜計的測量軟件進行了二次開發，實現了測試軟件直接控制質譜計硬件的啟停和共底殘余氣體濃度含量測量。利用TCP/IP協議，按照規定信息格式實現了濃度測量數據的自動上傳。最終實現低溫運載火箭發射過程中的共底殘余氣體濃度含量的自動采集、存儲和傳輸，簡化了發射場操作流程，提高了濃度測量結果的及時性、準確性和可靠性。

［1］陳光奇，王麗紅，孫冬花，等.火箭低溫貯箱的新型共底安全監測系統［J］.導彈與航天運載技術，2010（4）：46-48.

［2］陳聯，冬花，王愛民，等.遠程傳輸型共底安全監測系統設計及特性［J］.真空，2014，51（6）：39-42.

［3］魏廣，馬少君，陳聯，等.微波開關壽命試驗設備的測控儀設計［J］.真空與低溫，2015，21（1）：56-61.

［4］張立業，劉昌盛，朱信接.OPC技術研究［J］.科學決策，2008（12）：176.

［5］黃希敏.基于C#語言的工業計算機與S7-300的OPC通訊［J］.重型機械，2011（5）：39-41.

DESIGN OF DATA TRANSMISSION SOFTWARE FOR SAFETY MONITORING SYSTEM OF BULKHEAD

CHEN Lian1，DING Dong1，LI Qiang2，WEI Guang1
（1.Science and Technology on Vacuum Technology and Physics Laboratory，Lanzhou Institute of Physics，Lanzhou730000，China；2.Lanzhou Jiaotong University，Lanzhou730070，China）

Data transmission software for safety monitoring system of bulkhead is a special test software to improve timeliness，accuracy，reliability of measurement.This paper mainly introduces functional requirements and structure design of data transmission software，data acquisition module design of mass spectrometer，network transmission function design，and analysis of functional test results.By using modular design，OPC for mass spectrometer，TCP/IP for network and SQL database，data transmission software implemented automatic data acquisition，storage and transmission of bulkhead residual gas concentration measurement in the process of cryogenic liquid rocket launch，and simplified operation process of launch site.

bulkhead；safety monitoring；mass spectrometer analysis；transmission software

V513

A

1006-7086（2015）05-0303-04

10.3969/j.issn.1006-7086.2015.05.012

2015-04-26

陳聯（1979-），男，安徽省廬江縣人，高級工程師，主要從事質譜分析與密封容器泄漏檢測技術研究與開發。Email：yf_rr@sina.com。