多相流實(shí)驗(yàn)測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

郭雷

摘 要： 為實(shí)驗(yàn)搭建了一套PXI自動(dòng)測(cè)試控制系統(tǒng)。通過(guò)該測(cè)控系統(tǒng)對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及控制。最后通過(guò)應(yīng)用證明了該系統(tǒng)的實(shí)踐性和應(yīng)用性的特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞： 測(cè)控系統(tǒng); 智能適配; 實(shí)時(shí)采集

中圖分類(lèi)號(hào)： TM93

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1007-757X（2019）06-0116-03

Abstract： A PXI automatic test and control system is built for an experiment. The whole experiment is monitored and controlled in real time by the measurement and control system. Finally， the application proves the practicality and applicability of the system.

Key words： Measurement and control system; Intelligent adaptation; Real-time acquisition

0?引言

本設(shè)計(jì)是一套PXI自動(dòng)測(cè)試控制系統(tǒng)。該測(cè)控系統(tǒng)能夠按照要求實(shí)時(shí)采集監(jiān)測(cè)信號(hào)，并按照系統(tǒng)指令實(shí)施控制，同時(shí)能夠?qū)Σ杉盘?hào)進(jìn)行二次化處理，以便輸出準(zhǔn)確的控制指令，形成整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及控制功能。

1?系統(tǒng)技術(shù)要求

系統(tǒng)主要技術(shù)要求

1.1?指標(biāo)要求

系統(tǒng)要求采集信號(hào)完成12路信號(hào)分別為：壓力信號(hào)6路、流量信號(hào)3路、液位信號(hào)3路;

要求系統(tǒng)提供控制11路模擬輸出信號(hào)分別為：對(duì)3個(gè)變頻器的控制、對(duì)3個(gè)控制閥的控制、對(duì)1個(gè)背壓閥的控制、對(duì)1個(gè)空氣閥的控制、對(duì)3個(gè)液位閥的控制;

采集速率≥10 KS/s、精度不低于14位;

1.2?總體要求

系統(tǒng)要求用PXI總線進(jìn)行搭建;

系統(tǒng)具備較高的抗電磁干擾能力;

要求系統(tǒng)具備較高的先進(jìn)性、體積小巧，同時(shí)為系統(tǒng)今后的擴(kuò)充留有余地;

系統(tǒng)整體安全性較高;

提供軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，便于對(duì)數(shù)據(jù)的處理及分析;

2?系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

通過(guò)對(duì)系統(tǒng)技術(shù)要求的深入分析，按照試驗(yàn)的過(guò)程和試驗(yàn)數(shù)據(jù)的流程，該系統(tǒng)可大致分為三個(gè)部分：系統(tǒng)測(cè)試部分、系統(tǒng)自動(dòng)控制部分、智能調(diào)理適配部分等。

根據(jù)上述測(cè)試要求和設(shè)計(jì)原則，我們給出系統(tǒng)的總體框架圖，如圖1所示。

系統(tǒng)組成及主要配置如圖2所示。

3?系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的技術(shù)要點(diǎn)

在詳細(xì)研究與分析了這套測(cè)試系統(tǒng)技術(shù)和主要功能要求的基礎(chǔ)上，對(duì)整個(gè)測(cè)控系統(tǒng)環(huán)節(jié)進(jìn)行了分解。同時(shí)，對(duì)每個(gè)環(huán)節(jié)的技術(shù)細(xì)節(jié)也進(jìn)行了嚴(yán)密地分析。最后形成了本設(shè)計(jì)的技術(shù)要點(diǎn)和對(duì)策。

按照系統(tǒng)要求，本系統(tǒng)有12通道3種不同類(lèi)型信號(hào)的采集，11路模擬量輸出控制。考慮到以上對(duì)技術(shù)要求的分析，設(shè)計(jì)出以下幾點(diǎn)對(duì)策：

3.1?多種復(fù)雜類(lèi)型信號(hào)測(cè)試

首先由于系統(tǒng)測(cè)量類(lèi)型不同、部件測(cè)試種類(lèi)繁多，從采集卡方面考慮，采用32通道模擬信號(hào)接入;1.25 MS/s采集速率;16位精度的高性能數(shù)據(jù)采集卡PCI-625x完成壓力、流量、液位3種類(lèi)型模擬信號(hào)的采集[1-2]。

由于在測(cè)試時(shí)須對(duì)壓力傳感器提供一定激勵(lì)，對(duì)前端信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)理，因此選用SH-280x調(diào)理適配器來(lái)完成各項(xiàng)問(wèn)題的解決。它能完成橋路傳感器的自動(dòng)配橋、調(diào)零;向傳感器提供激勵(lì);提供過(guò)壓保護(hù);對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波;電流轉(zhuǎn)換電壓、f-v轉(zhuǎn)換等功能，并提供方便、可靠的連接方式將傳感器輸出的信號(hào)傳輸給系統(tǒng)中的采集設(shè)備。

3.2?通過(guò)自動(dòng)化控制，保證試驗(yàn)的安全性

由于系統(tǒng)中需對(duì)壓力、流量、液位信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、分析、處理，然后通過(guò)控制系統(tǒng)給出準(zhǔn)確的控制指令，使其執(zhí)行機(jī)構(gòu)達(dá)到預(yù)期的要求。

采用進(jìn)口的模擬輸出卡輸出控制指令給執(zhí)行機(jī)構(gòu)以后，然后通過(guò)A/D卡對(duì)壓力信號(hào)進(jìn)行采集，看其是否有所變化，以驗(yàn)證控制部分工作情況是否與預(yù)期值相一致，如果采集信號(hào)存在誤差或是與其控制的要求不相符，便要及時(shí)調(diào)整控制信號(hào)，進(jìn)行正確輸出，最終達(dá)到預(yù)期的試驗(yàn)要求[3-4]。

3.3?智能適配的分析

智能適配器的使用在很大程度上滿(mǎn)足了實(shí)驗(yàn)的需求，它的主要要功能如下：

流量信號(hào)一般為頻率信號(hào)，可以進(jìn)行f/v轉(zhuǎn)換;電流轉(zhuǎn)換成電壓;提供可調(diào)的激勵(lì)，保證系統(tǒng)在有源條件下的信號(hào)采集;將特殊接口轉(zhuǎn)換成為用戶(hù)習(xí)慣使用的標(biāo)準(zhǔn)接口，可以選用標(biāo)準(zhǔn)航空插頭、RJ-45、BN連線法;采用通道隔離方式，保證各路信號(hào)互相獨(dú)立地與適配器可靠連接，從而避免通道間的相互干擾，保證測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性;自動(dòng)調(diào)零、自動(dòng)配橋的智能化橋路信號(hào)測(cè)試技術(shù)，能滿(mǎn)足二線1/4橋、三線1/4橋、半橋、四線全橋、六線全橋、電壓、電流的智能程控配置，全系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)零;具有自檢和故障定位功能 ?采用全自動(dòng)故障檢測(cè)單元，如果某通道出現(xiàn)短路、激勵(lì)故障等，系統(tǒng)會(huì)立即在機(jī)箱面板上報(bào)警顯示;濾波功能，保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的真實(shí)性[5-6]。

3.4?系統(tǒng)功能擴(kuò)展性分析

該系統(tǒng)是專(zhuān)業(yè)的多參數(shù)綜合測(cè)試系統(tǒng)。系統(tǒng)中適配器的設(shè)計(jì)不但滿(mǎn)足本系統(tǒng)的3種類(lèi)型信號(hào)的測(cè)試，還可對(duì)其他類(lèi)型信號(hào)進(jìn)行測(cè)試。這一功能，在很大的程度上擴(kuò)大了整個(gè)系統(tǒng)的使用空間。

另外，該系統(tǒng)是以虛擬儀器技術(shù)為基礎(chǔ)的，系統(tǒng)在硬件功能擴(kuò)充的同時(shí)，也提供了虛擬儀器軟件平臺(tái)，該平臺(tái)可以搭建擴(kuò)充各種實(shí)用的測(cè)試系統(tǒng)。

3.5?對(duì)測(cè)試儀器的抗干擾能力的考驗(yàn)

在本測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究中，由于試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境比較復(fù)雜，所以從以下幾個(gè)方面解決它的抗干擾問(wèn)題。

首先，在電路設(shè)計(jì)上充分考慮抗干擾能力，將使用大量的地線鋪蓋電路板的兩面（大面積鋪銅），使主要電路布線走在電路板得兩層銅板中間，也就是兩層地線中間。

其次，在選擇元器件上系統(tǒng)所使用的模塊，主要器件將選擇優(yōu)良的軍品級(jí)元器件，經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的篩選和檢測(cè)。

第三，所有設(shè)備包括電纜都做到屏蔽考慮。設(shè)備統(tǒng)一機(jī)殼接地，適配器和采集設(shè)備都采用全金屬鋁合金機(jī)殼設(shè)計(jì)包括模盒。信號(hào)電纜采用全屏蔽雙絞線，96芯電纜不但采用屏蔽雙絞設(shè)計(jì)，還使用少有的內(nèi)嵌電路板接線端子技術(shù)，做到插接更牢固，傳輸更穩(wěn)定，同時(shí)提高了電纜的抗干擾能力。

3.6?體積問(wèn)題

復(fù)雜的測(cè)試系統(tǒng)一個(gè)不可避免的問(wèn)題就是系統(tǒng)的體積。本設(shè)計(jì)中采用了很多措施，使系統(tǒng)的體積有了明顯的縮小。其中主要措施如下：

采集設(shè)備根據(jù)通道數(shù)采用19英寸，3U高的PXI機(jī)箱，將各種繁雜設(shè)備PXI嵌入式計(jì)算機(jī)、采集卡、模擬輸出卡統(tǒng)一裝進(jìn)機(jī)箱中;

采用高集成度19英寸，2U高的信號(hào)調(diào)理適配器，將自動(dòng)配橋、提供激勵(lì)、自動(dòng)保護(hù)、報(bào)警等集于一身;

3.7?模塊化設(shè)計(jì)分析

模塊化設(shè)計(jì)是當(dāng)前系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要手段。通過(guò)模塊化設(shè)計(jì)，可以使設(shè)計(jì)思路清晰，功能相對(duì)集中，性能更加穩(wěn)定，維護(hù)也非常方便等等。

本設(shè)計(jì)中主要有數(shù)據(jù)采集模塊、調(diào)理適配器模塊等兩個(gè)主要模塊設(shè)計(jì)部分。

3.8?軟件設(shè)計(jì)分析

本測(cè)試系統(tǒng)為硬件配備的SH-25xx應(yīng)用測(cè)試軟件，使用開(kāi)放的軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)LabVIEW或LabWindows/CVI開(kāi)發(fā)完成。該軟件平臺(tái)以C語(yǔ)言為開(kāi)發(fā)基礎(chǔ)，功能強(qiáng)大，并且可以靈活的增加在測(cè)試和控制方面的功能[7-9]。

軟件部分的主要內(nèi)容包括：對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的分析處理;可以對(duì)系統(tǒng)各部分進(jìn)行相應(yīng)的控制。

5?系統(tǒng)設(shè)計(jì)綜述

5.1?系統(tǒng)主要硬件配置

最終整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)分為三部分：1.信號(hào)測(cè)試部分;2.自動(dòng)控制部分;3.智能調(diào)理適配部分;系統(tǒng)主要硬件配置如圖3所示。

5.2?信號(hào)測(cè)試部分

測(cè)試系統(tǒng)中的PXI數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)，在本項(xiàng)目中主要完成12路模擬信號(hào)采集，主要由PXI-103x機(jī)箱、PXI-81xx嵌入式計(jì)算機(jī)、PXI-62xx采集卡組成。PXI-103x機(jī)箱為19英寸寬、3U高、4槽機(jī)箱、0～55 ℃工作范圍;PXI-81xx嵌入式計(jì)算機(jī)為inter酷i3處理器、2G內(nèi)存、200G硬盤(pán);PXI-62xx采集卡為±10 V電壓輸出、4～20 mA電流輸出、32條

模擬輸出通道、16位精度;在12路模擬信號(hào)中根據(jù)被采信號(hào)的特點(diǎn)、幅值范圍、被測(cè)部分，將被采模擬信號(hào)先輸入調(diào)理模塊進(jìn)行調(diào)理后，再由采集卡進(jìn)行數(shù)字化。

在進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集時(shí)，主要是完成對(duì)6路壓力信號(hào)、3路流量信號(hào)、3路液位信號(hào)的采集，采集的信號(hào)種類(lèi)各不相同，最后由采集調(diào)理適配器合理配置后，進(jìn)行采集，完成信號(hào)的數(shù)字化。

5.3?自動(dòng)控制部分

在自動(dòng)控制部分，主要完成對(duì)11路信號(hào)的模擬輸出控制，該控制系統(tǒng)主要是通過(guò)PXI-6704模擬輸出卡主要是±10 ?V電壓輸出;4～20 mA電流輸出;32條模擬輸出通道;16位精度來(lái)完成，直接控制各種執(zhí)行機(jī)構(gòu)，使其達(dá)到一定的安全調(diào)節(jié)的作用。

控制系統(tǒng)主要是對(duì)3個(gè)變頻器的控制、對(duì)3個(gè)控制閥的控制、對(duì)1個(gè)背壓閥的控制、對(duì)1個(gè)空氣閥的控制、對(duì)3個(gè)液位閥的控制。先利用采集卡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，當(dāng)采集到的數(shù)據(jù)達(dá)到一定值時(shí)就會(huì)輸出其控制指令給執(zhí)行機(jī)構(gòu)以后，然后再通過(guò)采集卡對(duì)壓力、流量、液位信號(hào)進(jìn)行采集，看其是否有所變化，以驗(yàn)證控制部分工作情況是否與預(yù)期值相一致，如果采集信號(hào)存在誤差或是與其控制的要求不相符，便要及時(shí)調(diào)整控制信號(hào)，進(jìn)行正確輸出，最終達(dá)到預(yù)期的試驗(yàn)要求，保證試驗(yàn)的安全性和可靠性。

整個(gè)系統(tǒng)的控制部分使用NI8196零槽控制器來(lái)完成，它是一種高性能的嵌入式計(jì)算機(jī)。NI8196還帶有串口、USB及網(wǎng)絡(luò)接口、GPIB接口等。這些高性能的板卡，并運(yùn)用高速穩(wěn)定的PXI總線方式，將其連接起來(lái)。這樣使得本系統(tǒng)，不但符合上述的技術(shù)要求，而且還具備了，可擴(kuò)展、體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、搭建方便、便于攜帶、并且造價(jià)適中等非常完備的條件。另外，PXI總線方式與VXI總線方式由所不同。PXI總線是PCI總線在儀器方面的總線擴(kuò)展。它具備了PCI總線傳輸速率快，體積小并且兼容性能高等特點(diǎn)。PXI系統(tǒng)如果采用嵌入式計(jì)算機(jī)方式，它的傳輸速率可以達(dá)到穩(wěn)定的132 MS/S。

5.4?調(diào)理適配部分

適配器主要負(fù)責(zé)在試驗(yàn)過(guò)程中各個(gè)部分之間聯(lián)絡(luò)的紐帶，進(jìn)行數(shù)據(jù)、接口和控制的協(xié)調(diào)管理。調(diào)理智能適配器的主要內(nèi)容包括：電流轉(zhuǎn)換成電壓、f—v轉(zhuǎn)換、提供可調(diào)的激勵(lì)、特殊接口轉(zhuǎn)換、通道隔離方式、自動(dòng)調(diào)零、自動(dòng)配橋、自檢和故障定位功能、多種類(lèi)型傳感器可以同時(shí)接入、濾波等功能。

通過(guò)以上設(shè)計(jì)，該實(shí)驗(yàn)測(cè)控系統(tǒng)完成了對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及控制。首先系統(tǒng)對(duì)油路、水路、氣路三路壓力進(jìn)行采集，分別對(duì)三路變頻器進(jìn)行控制，該過(guò)程中保持測(cè)量油路、水路、氣路的流量情況，然后經(jīng)相流合成器將三路合為一路，混合后對(duì)其管路中總壓進(jìn)行采集，混合體流進(jìn)容器內(nèi)后同時(shí)測(cè)量容器內(nèi)壓力及液位，如果容器內(nèi)壓力過(guò)大則控制閥門(mén)排壓泄氣，最后混合體流入試驗(yàn)容器進(jìn)行試驗(yàn)分離，分離后再輸入油路、水路管道內(nèi)由此進(jìn)行循環(huán)反復(fù)試驗(yàn)。

6?總結(jié)

該系統(tǒng)是典型的集數(shù)據(jù)采集、控制、分析為一體的ATE系統(tǒng)[10-11]。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，采用了虛擬儀器技術(shù)、PXI技術(shù)、PC-DAQ測(cè)控體系結(jié)構(gòu)，以及系統(tǒng)集成技術(shù)，這些技術(shù)的綜合應(yīng)用使該系統(tǒng)用起來(lái)更方便，更精確，更實(shí)用了，同時(shí)還使系統(tǒng)有更強(qiáng)的自我修正功能，更強(qiáng)的抗干擾能力。雖然有些優(yōu)點(diǎn)，但是比起國(guó)外先進(jìn)的同類(lèi)型系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，在采集速率、采集精度、控制精度和智能化的程度上還是有差距的，還需要進(jìn)一步的探索和研究[10-11]。

該系統(tǒng)已在上圖的實(shí)驗(yàn)室投入使用，在多次的運(yùn)行實(shí)驗(yàn)中證明了該系統(tǒng)的可靠性和實(shí)用性，如圖4所示。

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（收稿日期： 2018.12.14）