數據采集系統監測機器性能

數據采集系統監測機器性能

Data Acquisition System Captures Machine Performance

火箭發射時，即使與設計圖樣存在極小的偏差，也可能會導致嚴重的后果，除非確定偏差產生的真正原因，否則很難解決實際問題。對于小故障會導致大損失的任何項目而言，這都是一個重要問題。

這就是數據采集系統的起源。數據采集系統設計用于獲取和存儲機器性能指標及其周圍環境的信息，從而為工程師提供所需的機器運行狀態或故障狀態信息。

對于美國國家航空航天局（NASA）而言，機器的性能信息在開發新產品時尤其重要，如計劃用于將第一批人類送到火星的太空發射系統（SLS）等。

例如，NASA肯尼迪航天中心發射設備測試設施的管理者杰弗里?克里薩弗林（Jeffrey Crisafulli）解釋說：“在發射當天，研究人員利用數據采集系統采集的數據確定真正的T-0時（10s倒計時）。所有載荷從發射平臺上卸載的時刻，就是火箭實際發射的準確時間。利用安裝在發射平臺上的每秒可發送20萬個樣本數據的傳感器，工程師能夠精確地計算出發射時間，精度可達毫秒級?！?/p>

他說：“飛船的發射控制系統盡量使發射時間非常準確，但工程師仍需準確測定實際發射時間，從而判斷發射時間是否有延遲或者偏差。這是因為，發射平臺上有很多被稱為‘臍帶’的連接臂，用于燃料加注，以及完成其它重要的收尾任務。這些‘臍帶’要在發射瞬間切斷與火箭的連接，因此，工程師不希望在火箭點火后還有任何的‘臍帶’與火箭連接?！?/p>

據統計，在SLS的移動發射平臺上共安裝有500多個傳感器，可測量溫度、張力、壓力、負載，以及加速度等所有數據。這些傳感器安裝在“臍帶”上、遍布超過107m高的發射塔架，以及發射臺底座上。

因此，NASA需要開發一種系統，以監測從這些傳感器發回的信號并存儲數據，同時將數據發送到發射控制中心。為了實現這一目標，NASA與德維創（Dewetron）公司開展了合作。

Dewetron公司位于美國羅德島的韋克菲爾德，專業從事數據采集系統的開發。該公司開發的數據采集系統可應用在任何行業的機器設備上，無論是航天器的發射平臺還是造紙設備。

▲ 安裝有Dewetron公司信息采集系統的SLS移動發射平臺

Dewetron公司的總裁格蘭特?史密斯（Grant Smith）解釋說：“我們能夠為設計和制造這些機器的工程師提供所需的數據獲取儀器。我們生產的儀器能夠測量張力、壓力、加速度等參數?？梢哉f，幾乎所有能夠通過身體和感官感受到的數據，如果需要進行測試，我們都能夠獲取?！?/p>

Dewetron公司目前已開發出了一些成熟的數據采集系統產品，但需要開發一款功能更強大的系統來滿足NASA SLS發射平臺的需求。已有的大部分數據采集系統需為不同類型的傳感器配備不同的信號調節器接收和處理信號。不同于這些數據采集系統，NASA希望開發一種適用于所有傳感器的通用信號調節器。這種信號調節器的使用將減少所需維護和更換的部件，還能夠降低成本，使后期數據的分析更加簡便。

傳感器和信號調節器將物理現象轉換成電壓，然后以波形在圖表上記錄下來。這就像是一個老式的測謊儀，用一捆筆在一張紙上畫出連續的線，只不過傳感器和信號調節器實現了這種形式的數字化。為了便于比較傳感器信號，這些波形需要具有相同的相位特性，這樣，工程師就可以將不同的結果疊加在一起，無需從一種信號切換到另一種信號，從而避免時間延遲。

Dewetron公司以現有的一種用于張力測量的信號調節器為基礎，通過增加電壓輸入范圍及其它功能，使其能夠讀取移動發射平臺上所有類型的傳感器所發出的信號。該信號調節器還增加了電壓隔離功能，以最大限度地減少傳感器之間的干擾。格蘭特?史密斯說：“從工程的角度來看，這項任務非常具有挑戰性?！?/p>

應變儀輸出信號的測量精度通常為毫伏級。NASA希望新研發的信號調節器能夠滿足3個方面的要求：一是高靈敏度，能夠記錄毫伏級電壓等微弱的信號；二是高抗壓能力，該調節器需要承受300V電壓的沖擊，大約是此前系統的30萬倍；三是高寬帶，每秒能夠復制成千上萬次信號。

格蘭特?史密斯解釋說：“同時滿足這3個方面的要求是非常困難的。通常情況下，過多的防護會減小帶寬，反之亦然。這之間很難平衡，需要進行大量的工程設計才能實現。”

Dewetron公司采用分布式設計方法，將所有傳感器連接到位于移動發射平臺上不同位置的幾個節點。這些節點采用廉價的以太網線纜連接到發射控制中心，大幅減少了儀器電纜的重量和成本。

杰弗里?克里薩弗林說：“Dewetron公司開發的數據采集系統，即DAQP-STG信號調理器，其最大的優點之一是便于使用。用戶購買該系統后，僅需按照操作手冊就可以進行操作。更重要的是，該系統能夠滿足NASA提出的3個方面的要求。與Dewetron公司開發的數據采集系統相比，其他公司開發的通用信號調節放大器體積較大，成本較高，而且耐用性較差，抗振動性能較弱，很可能無法在發射過程中不被損壞。”

▲ Dewetron公司的傳感器系統

DAQP-STG信號調節器具有的這些優點使其在NASA以外的其它領域也獲得了廣泛關注。格蘭特?史密斯解釋說：“對于大多數需要使用應變儀的客戶來說，DAQP-STG都是理想的信號調節器，因為其適用于幾乎所有的電阻傳感器，能夠提供比任何其它產品都高的防護隔離性能，以及非常高的帶寬。”

Dewetron公司還將為DAQPSTG信號調節器開發的技術引入到后續的型號產品中，如HSI-STG信號調節器、TRION-2402-MULTI模塊等。與為NASA研制的DAQPSTG信號調節器相比，HSI-STG信號調節器具有相同的基本參數，但帶寬達到2MHz；TRION-2402-MULTI模塊在每個通道上增加了一個獨立的24位模擬數字轉換器。

美國聯合發射聯盟公司已經在卡納維拉爾角空軍基地和范登堡空軍基地的“宇宙神”和“德爾塔”火箭發射設施中使用了TRION-2402- MULTI模塊，并成功完成了數次發射任務。

格蘭特?史密斯說：“這一切都建立在為NASA移動發射平臺開發的原始數據采集系統的基礎上?！?/p>

Dewetron公司的數據采集系統的用戶主要包括各大汽車公司，如美國福特汽車公司、德國寶馬公司和日本日產汽車公司等。這些企業不僅利用Dewetron公司開發的儀器系統測試自己公司的汽車，還將其應用在市場研究中，用于測試競爭對手的汽車。同時，汽車零部件制造商也在使用Dewetron公司開發的儀器系統，如美國偉世通公司、普利司通/風馳通輪胎公司，以及德國西門子股份公司等。

除汽車行業以外，Dewetron公司開發的儀器系統幾乎在每個行業都擁有客戶，包括專門從事結構監測的企業、從事機器測試的企業，以及大量的商業航空航天公司，如波音公司、洛克希德?馬丁公司和貝爾宇航公司等。格蘭特?史密斯說：“我們已經售出了數千臺這種調節器產品，有時單個訂單量達800臺甚至更多，每套產品售價約為1000美元，因此，該系列產品的市場空間巨大，對公司的發展起到了重要的作用。”

他強調：“NASA的高標準推動了行業的發展。因為NASA所從事的領域的特殊性使其對于產品性能提出了非常高的要求，也促使相關企業不斷開發出新的技術來滿足他們的高要求。這就促進了整個行業技術水平的提升。Dewetron公司也是在NASA需求的牽引下，開發出了先進的數據收集系統，實現了巨大的發展?！?/p>

(唐 甜)