某試驗(yàn)設(shè)備基于網(wǎng)絡(luò)化的測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

伍宗效，李家春，張建明

（1.貴州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，貴州 550025；2.貴州哈雷空天環(huán)境工程有限公司，貴州 561000）

0 引言

網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的高速發(fā)展，其通訊速度高效、組態(tài)方式靈活，在工業(yè)測控領(lǐng)域得到了大量的應(yīng)用，在分布式集散測控系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用更是必不可少[1]。測控系統(tǒng)是現(xiàn)代自動(dòng)化設(shè)備必不可少的組成部分，其承擔(dān)著自動(dòng)化設(shè)備的靜態(tài)調(diào)試、參數(shù)設(shè)置、動(dòng)態(tài)試驗(yàn)、設(shè)備監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理等任務(wù)[2]，設(shè)備安全、高效地運(yùn)行都由測控系統(tǒng)性能的好壞所決定。

試驗(yàn)設(shè)備測控系統(tǒng)主要用于對(duì)設(shè)備關(guān)鍵位置的壓力、溫度等參數(shù)進(jìn)行測量，并通過對(duì)系統(tǒng)中動(dòng)力設(shè)備的控制，實(shí)現(xiàn)用戶設(shè)定目標(biāo)馬赫數(shù)；并可完成對(duì)設(shè)備試驗(yàn)段的流場品質(zhì)測試，主要包括設(shè)備核心試驗(yàn)段流場馬赫數(shù)分布均方根差，試驗(yàn)段軸向馬赫數(shù)分布及梯度[3]。測控系統(tǒng)包括測量單元和控制單元，其中測量單元包括壓力測量單元、溫度測量單元、流場品質(zhì)測試單元等；控制單元包括試驗(yàn)設(shè)備總控制及總控制臺(tái)，總控制又包括測量單元中所需要的控制，以及為確保測控系統(tǒng)正常、穩(wěn)定、可靠運(yùn)行所必需的其他配套設(shè)備[4]。

1 試驗(yàn)設(shè)備總體介紹

試驗(yàn)設(shè)備由進(jìn)氣塔、穩(wěn)定段、收縮段、試驗(yàn)段、臨界段、負(fù)壓罐和抽氣系統(tǒng)組成。進(jìn)氣塔是試驗(yàn)設(shè)備氣流的入口，由混凝土建造而成；穩(wěn)定段包括殼體、蜂窩器和阻尼網(wǎng)，與進(jìn)氣塔連接處還裝有導(dǎo)流片；收縮段是氣流的加速裝置，外形根據(jù)五次冪曲線建造而成；試驗(yàn)段是實(shí)驗(yàn)設(shè)備的關(guān)鍵部件，也是測控系統(tǒng)主要控制和測量的位置，包括艙體和模擬彈投放系統(tǒng)；臨界段裝有膨脹節(jié)和安全門；負(fù)壓罐包括罐體、爆破門；抽氣系統(tǒng)包括真空泵、電動(dòng)閘閥、調(diào)壓閥、流量計(jì)等。試驗(yàn)設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖

2 測控系統(tǒng)架構(gòu)與組成

測控系統(tǒng)由操作計(jì)算機(jī)（上位機(jī)）和測量控制及標(biāo)校單元、投放控制單元、艙體設(shè)備控制單元四部分組成。測量與控制及標(biāo)校單元由機(jī)箱、實(shí)時(shí)運(yùn)算控制器、信號(hào)采集板卡、固態(tài)繼電器板卡等組成。艙體設(shè)備控制單元由電源模塊、CPU、數(shù)字I/O模塊、模擬輸入模塊、存儲(chǔ)卡、導(dǎo)軌等組成。操作計(jì)算機(jī)布置在測控間內(nèi)，主要實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)管理、設(shè)備控制、風(fēng)速測量、壓力測量數(shù)據(jù)處理和信息顯示等功能。測量控制及標(biāo)校單元、投放控制單元、艙體設(shè)備控制單元集成在位于試驗(yàn)艙體工位的控制機(jī)柜內(nèi)，主要完成信號(hào)采集、設(shè)備控制等功能。測量與控制及標(biāo)校單元、艙體設(shè)備控制單元分別接到交換機(jī)上，與上位機(jī)通過以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。測控系統(tǒng)組成如圖2所示。

圖2 測控系統(tǒng)組成圖

3 測量及標(biāo)校原理

3.1 壓力測量原理

壓力是試驗(yàn)設(shè)備的主要測量參數(shù)，其主要包括穩(wěn)定段總壓測量與試驗(yàn)段靜壓測量以及負(fù)壓罐內(nèi)壓力測量。穩(wěn)定段總壓測量與試驗(yàn)段靜壓測量在試驗(yàn)過程中實(shí)時(shí)采集，為瞬態(tài)測量，需要高頻響動(dòng)態(tài)壓力傳感器；而負(fù)壓罐內(nèi)壓力測量用于反饋顯示試驗(yàn)前/后負(fù)壓罐內(nèi)壓力水平為穩(wěn)態(tài)測量，采用低頻響靜態(tài)壓力傳感器。

試驗(yàn)段速度為0.4～0.8Ma時(shí)，根據(jù)質(zhì)量守恒原理得出相對(duì)應(yīng)的穩(wěn)定段風(fēng)速為7.5～11.5m/s，其總壓和靜壓幾乎一致，相對(duì)誤差在0.08%以內(nèi)，所以穩(wěn)定段總壓值可以采用靜壓值代替。總壓測量時(shí)，壓力傳感器安裝于穩(wěn)定段3側(cè)壁面（左、右、頂部），傳感器感壓表面與穩(wěn)定段內(nèi)壁齊平，試驗(yàn)過程中同時(shí)采集3個(gè)壓力傳感器的數(shù)據(jù)，并在采集器內(nèi)實(shí)時(shí)進(jìn)行算術(shù)平均，以平均值作為穩(wěn)定段總壓測量的顯示值，其安裝結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 壓力傳感器安裝

試驗(yàn)段靜壓測量時(shí)，壓力傳感器分別安裝于試驗(yàn)段入口處3側(cè)壁面（左、右、頂部），傳感器感壓表面與試驗(yàn)段內(nèi)壁齊平，試驗(yàn)過程中同時(shí)采集3個(gè)壓力傳感器的數(shù)據(jù)，并在采集器內(nèi)實(shí)時(shí)進(jìn)行算術(shù)平均，以平均值作為試驗(yàn)段入口靜壓測量的顯示值。負(fù)壓罐內(nèi)壓力測量時(shí)，壓力傳感器安裝于罐體壁面，測量時(shí)采用雙路平均的思路，兩個(gè)傳感器數(shù)據(jù)同時(shí)采集，互相佐證。

3.2 溫度測量原理

溫度是表征物體狀態(tài)的特征參數(shù)之一，可以輔助確定空氣的密度，粘性系數(shù)等。高速氣流的溫度測量一般指氣體的總溫測量，即氣體在絕熱滯止?fàn)顟B(tài)下能達(dá)到的溫度。試驗(yàn)設(shè)備的有效試驗(yàn)時(shí)間十分短暫，為了實(shí)時(shí)獲取試驗(yàn)過程中設(shè)備的溫度，總溫測量需要采用高頻響應(yīng)的動(dòng)態(tài)溫度傳感器。總溫傳感器分別安裝于穩(wěn)定段與試驗(yàn)段前中后三個(gè)位置處，用來標(biāo)定測量試驗(yàn)過程中穩(wěn)定段總溫與試驗(yàn)段總溫的關(guān)系，正式試驗(yàn)過程中僅穩(wěn)定段安裝溫度傳感器。總溫傳感器與壁面的安裝結(jié)構(gòu)示意如圖4所示。

圖4 總溫傳感器安裝

3.3 流場校測原理

流場校測用于驗(yàn)證試驗(yàn)設(shè)備試驗(yàn)段的流場性能。流場校測主要內(nèi)容包括試驗(yàn)段軸向馬赫數(shù)分布、試驗(yàn)段核心流馬赫數(shù)分布均方根差、試驗(yàn)段軸向馬赫數(shù)梯度以及氣流不穩(wěn)定測量。試驗(yàn)設(shè)備流場校測采用軸向靜壓探測管測量試驗(yàn)段軸線上的靜壓分布，根據(jù)此靜壓測量值與穩(wěn)定段總壓測量計(jì)算得到試驗(yàn)段中心線上的馬赫數(shù)分布，分布均方根差以及軸向梯度。試驗(yàn)過程中，當(dāng)Ma數(shù)達(dá)到目標(biāo)之后，連續(xù)測量試驗(yàn)段參考點(diǎn)（試驗(yàn)段靜壓傳感器安裝位置）Ma數(shù)，從而得到試驗(yàn)過程中試驗(yàn)段氣流不穩(wěn)定性。

4 測量子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

測量子系統(tǒng)由壓力和溫度傳感器、信號(hào)采集卡以及運(yùn)算控制器組成。壓力傳感器安裝位置分別位于穩(wěn)定段、試驗(yàn)段和負(fù)壓罐，溫度傳感器安裝在穩(wěn)定段。信號(hào)采集卡采集各類傳感器發(fā)送的模擬信號(hào)，轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)后，經(jīng)運(yùn)算控制器計(jì)算，獲取試驗(yàn)所需的數(shù)據(jù)，包括試驗(yàn)段馬赫數(shù)、試驗(yàn)段高度、試驗(yàn)段氣流密度、試驗(yàn)段溫度等。

4.1 壓力測量

壓力傳感器選用型號(hào)為HM90的動(dòng)態(tài)壓力傳感器，該型號(hào)傳感器廣泛應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)壓力動(dòng)態(tài)特性檢測、液壓、氣壓動(dòng)態(tài)測試實(shí)驗(yàn)臺(tái)、高轉(zhuǎn)速油泵測試以及其他需求動(dòng)態(tài)壓力測量等領(lǐng)域。HM90測量范圍0～150kPa，過載能力1.5～2倍滿量程壓力，壓力類型為絕壓，響應(yīng)頻率3kHz，分辨率0.01%FS，綜合精度±0.1%FS。負(fù)壓罐內(nèi)建立負(fù)壓環(huán)境，在爆破門開啟后，使系統(tǒng)前端氣體吸入試驗(yàn)段及負(fù)壓罐，使試驗(yàn)段內(nèi)氣體的靜壓及流速達(dá)到試驗(yàn)條件要求，并維持一定時(shí)間。負(fù)壓罐內(nèi)真空度是決定試驗(yàn)段氣體狀態(tài)及持續(xù)時(shí)間的一個(gè)重要參數(shù)，因此需對(duì)負(fù)壓罐內(nèi)的壓力進(jìn)行監(jiān)測，并通過測量得到的壓力值控制真空泵組的啟停。靜壓測量壓力傳感器選用與動(dòng)壓測量同樣型號(hào)的動(dòng)態(tài)壓力傳感器，傳感器信號(hào)輸出定義如表1所示。

表1 傳感器信號(hào)輸出定義

信號(hào)采集板卡用于壓力傳感器信號(hào)采集[5]，選用NI公司的電壓信號(hào)采集板卡PXIe-4303以及前端接線盒TB-4302C，PXIe-4303采集卡通道數(shù)有32通道，AD位數(shù)24位，ADC類型Delta-Sigma，采樣頻率51.2kS/s/s，電壓測量范圍±100mV，±10V。

4.2 溫度測量

定制快速響應(yīng)細(xì)絲熱電偶溫度傳感器，偶絲類型為K型熱電偶，偶絲分為支撐偶絲和工作偶絲，直徑分別為0.3mm和0.1mm，采用特殊的焊接工藝焊接，保證在氣流中的強(qiáng)度，偶絲由絕緣陶瓷管保護(hù)，并封裝在不銹鋼外殼內(nèi)，安裝方式可選法蘭或螺紋連接[6]。性能參數(shù)：測溫范圍-40℃～100℃；穩(wěn)定段風(fēng)速10m/s；試驗(yàn)段風(fēng)速0.4～0.8Ma；熱電偶響應(yīng)時(shí)間≤100ms。

溫度采集板卡用于溫度傳感器信號(hào)采集，選用NI公司的電壓信號(hào)采集板卡PXIe-4353以及前端接線盒TB-4353，該型號(hào)信號(hào)采集板卡專用于熱電偶信號(hào)采集，具體性能指標(biāo)：通道數(shù)32通道（熱電偶）；AD位數(shù)24位；ADC類型Delta-Sigma；采樣頻率90S/s/s；熱電偶類型J，K，T，E，N，B，R，S；冷端補(bǔ)償為內(nèi)部。

5 控制子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

因試驗(yàn)設(shè)備試驗(yàn)全過程時(shí)間共計(jì)300ms，因此需采用時(shí)序控制來完成一系列設(shè)備的操作，從而達(dá)到目標(biāo)試驗(yàn)環(huán)境的效果[7]。設(shè)計(jì)的時(shí)序控制器完成試驗(yàn)過程的數(shù)據(jù)采集、高速攝像、爆破門開啟、掛彈投放、產(chǎn)品回收等控制功能。實(shí)時(shí)控制器由高速脈沖I/O模塊和固態(tài)繼電器模塊組成，高速脈沖I/O用于為掛彈投放裝置發(fā)送脈沖，用于控制掛彈投放。固態(tài)繼電器模塊用于數(shù)據(jù)采集、高速攝像、爆破門開啟、產(chǎn)品回收等設(shè)備的啟動(dòng)。高速脈沖I/O模塊通過控制程序設(shè)置脈沖周期、脈沖寬度，具體滿足指標(biāo)：脈沖周期≥20ms，間隔1ms連續(xù)可調(diào)，精度±1ms；脈沖寬度≥10ms，間隔1ms連續(xù)可調(diào)，精度±1ms。

高速脈沖I/O選用NI PXIe-6535，具體指標(biāo)如表2所示。

表2 PXIe-6535性能指標(biāo)

固態(tài)繼電器模塊根據(jù)時(shí)序控制流程，逐一發(fā)送開關(guān)量指令至數(shù)據(jù)采集、高速攝像、爆破門、產(chǎn)品回收等設(shè)備，控制設(shè)備按時(shí)序啟動(dòng)。固態(tài)繼電器模塊選用NI PXI-2568，該模塊為單刀單擲繼電器模塊[8]，時(shí)序控制操作流程如圖5所示。

圖5 時(shí)序控制流程圖

6 軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)

測控軟件分為測量與控制及標(biāo)校軟件和艙體控制軟件。測量與控制及標(biāo)校軟件實(shí)現(xiàn)流場測量、時(shí)序控制以及流場品質(zhì)標(biāo)校功能；艙體控制軟件實(shí)現(xiàn)艙體設(shè)備、負(fù)壓設(shè)備的控制，以及各設(shè)備工作狀態(tài)監(jiān)測等功能。軟件采用NI公司的圖形化編程軟件LabVIEW進(jìn)行開發(fā)，軟件分為上位機(jī)人機(jī)操作程序和下位機(jī)實(shí)時(shí)控制程序。軟件架構(gòu)如圖6所示。

圖6 軟件架構(gòu)

1）操作員管理。對(duì)操作員進(jìn)行管理，包括添加、刪除操作員，設(shè)定操作員權(quán)限級(jí)別，設(shè)定、編輯、刪除操作員密碼等。軟件登錄界面如圖7所示。

圖7 登錄界面

2）工程管理模塊。為了便于試驗(yàn)項(xiàng)目的管理和維護(hù)而建立項(xiàng)目組，項(xiàng)目組在硬盤上即一個(gè)文件夾內(nèi)。在項(xiàng)目組文件夾中包含著多個(gè)項(xiàng)目，在項(xiàng)目文件夾中保存著其項(xiàng)目配置文件“Project.ini”和測控?cái)?shù)據(jù)文件。可以定期的將項(xiàng)目組或項(xiàng)目備份到其他地方，以保護(hù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)。工程管理界面如圖8所示。

圖8 工程管理界面

3）參數(shù)設(shè)置模塊。參數(shù)設(shè)置包括傳感器參數(shù)、試驗(yàn)段馬赫數(shù)目標(biāo)值、投放同步時(shí)間、馬赫數(shù)與艙體控制對(duì)應(yīng)參數(shù)、時(shí)序控制參數(shù)等，并將各種參數(shù)保存至數(shù)據(jù)庫，試驗(yàn)時(shí)可直接調(diào)取。

4）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及回放。在試驗(yàn)前期準(zhǔn)備過程中，進(jìn)行存儲(chǔ)操作后，最終保存的試驗(yàn)數(shù)據(jù)會(huì)以特定格式(.tdms)保存，在軟件中可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的查看，截取等相關(guān)操作；同時(shí)也可以將數(shù)據(jù)導(dǎo)出EXCEL格式，方便與其余軟件進(jìn)行交互。數(shù)據(jù)回訪界面如圖9所示。

圖9 數(shù)據(jù)回放界面

5）測量控制主程序。測量控制主程序是試驗(yàn)操作主界面，各設(shè)備按照時(shí)序進(jìn)行工作，并在線顯示穩(wěn)定段總壓、試驗(yàn)段靜壓、試驗(yàn)段馬赫數(shù)、試驗(yàn)段模擬高度、試驗(yàn)段氣流密度等數(shù)據(jù)及試驗(yàn)狀態(tài)信息。

6）標(biāo)校模塊。根據(jù)校測原理，編寫的運(yùn)算程序，將得到的采集數(shù)據(jù)，經(jīng)過計(jì)算，判斷有效試驗(yàn)段流場品質(zhì)是否達(dá)到系統(tǒng)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。

7）實(shí)時(shí)控制模塊。實(shí)時(shí)控制模塊是運(yùn)行在下位機(jī)實(shí)時(shí)控制器中的程序，實(shí)現(xiàn)整套測量與控制算法的運(yùn)行，將測到的原始?jí)毫χ担?jīng)過算法計(jì)算得到馬赫數(shù)、高度、密度等數(shù)據(jù)信息。

7 系統(tǒng)測試

集成整個(gè)測控系統(tǒng)，對(duì)各個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行靜態(tài)調(diào)試，根據(jù)測控系統(tǒng)實(shí)際的測量數(shù)據(jù)，進(jìn)行多次現(xiàn)場測試，統(tǒng)計(jì)測試數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析。現(xiàn)場測試如圖10所示。

圖10 現(xiàn)場測試

經(jīng)多次測試得到壓力變動(dòng)范圍為0～31KPa，溫度變動(dòng)范圍為-18℃～25℃，試驗(yàn)段馬赫數(shù)測量范圍為0.41～0.82Ma。壓力的測量誤差與實(shí)際值偏差控制在±1Pa以內(nèi)，溫度的測量誤差與實(shí)際值偏差控制在±0.5℃以內(nèi)，試驗(yàn)段馬赫數(shù)的測量誤差與實(shí)際值偏差控制在±0.01Ma以內(nèi)，各參數(shù)測量值均在可接受誤差范圍以內(nèi)。測控系統(tǒng)通信穩(wěn)定、可靠、測量數(shù)據(jù)精度高，均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)結(jié)果如圖11所示。

圖11 數(shù)據(jù)測試結(jié)果

8 結(jié)語

采用基于網(wǎng)絡(luò)化的三層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了某試驗(yàn)設(shè)備的測控系統(tǒng)，軟件采用NI公司的圖形化編程軟件LabVIEW進(jìn)行開發(fā)。根據(jù)壓力、溫度、流場標(biāo)校等原理，設(shè)計(jì)了測量子系統(tǒng)、控制子系統(tǒng)的硬件和軟件。通過現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)測量精確、響應(yīng)快、傳輸穩(wěn)定，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。目前已投入到試驗(yàn)設(shè)備的實(shí)際配套生產(chǎn)中，大大提高了試驗(yàn)設(shè)備的的檢測效率，降低試驗(yàn)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，有效提高試驗(yàn)設(shè)備檢測的準(zhǔn)確性、可靠性和穩(wěn)定性。