多相流實驗測控系統(tǒng)設計

郭雷

摘 要： 為實驗搭建了一套PXI自動測試控制系統(tǒng)。通過該測控系統(tǒng)對整個實驗進行了實時監(jiān)測及控制。最后通過應用證明了該系統(tǒng)的實踐性和應用性的特點。

關鍵詞： 測控系統(tǒng); 智能適配; 實時采集

中圖分類號： TM93

文獻標志碼： A

文章編號：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

本設計是一套PXI自動測試控制系統(tǒng)。該測控系統(tǒng)能夠按照要求實時采集監(jiān)測信號，并按照系統(tǒng)指令實施控制，同時能夠對采集信號進行二次化處理，以便輸出準確的控制指令，形成整個系統(tǒng)的實時監(jiān)測及控制功能。

1?系統(tǒng)技術要求

系統(tǒng)主要技術要求

1.1?指標要求

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

要求系統(tǒng)提供控制11路模擬輸出信號分別為：對3個變頻器的控制、對3個控制閥的控制、對1個背壓閥的控制、對1個空氣閥的控制、對3個液位閥的控制;

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)具備較高的先進性、體積小巧，同時為系統(tǒng)今后的擴充留有余地;

系統(tǒng)整體安全性較高;

提供軟件開發(fā)平臺，便于對數據的處理及分析;

2?系統(tǒng)設計思路

通過對系統(tǒng)技術要求的深入分析，按照試驗的過程和試驗數據的流程，該系統(tǒng)可大致分為三個部分：系統(tǒng)測試部分、系統(tǒng)自動控制部分、智能調理適配部分等。

根據上述測試要求和設計原則，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)設計方案的技術要點

在詳細研究與分析了這套測試系統(tǒng)技術和主要功能要求的基礎上，對整個測控系統(tǒng)環(huán)節(jié)進行了分解。同時，對每個環(huán)節(jié)的技術細節(jié)也進行了嚴密地分析。最后形成了本設計的技術要點和對策。

按照系統(tǒng)要求，本系統(tǒng)有12通道3種不同類型信號的采集，11路模擬量輸出控制?？紤]到以上對技術要求的分析，設計出以下幾點對策：

3.1?多種復雜類型信號測試

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

由于在測試時須對壓力傳感器提供一定激勵，對前端信號進行相應的調理，因此選用SH-280x調理適配器來完成各項問題的解決。它能完成橋路傳感器的自動配橋、調零;向傳感器提供激勵;提供過壓保護;對信號進行濾波;電流轉換電壓、f-v轉換等功能，并提供方便、可靠的連接方式將傳感器輸出的信號傳輸給系統(tǒng)中的采集設備。

3.2?通過自動化控制，保證試驗的安全性

由于系統(tǒng)中需對壓力、流量、液位信號進行實時采集、分析、處理，然后通過控制系統(tǒng)給出準確的控制指令，使其執(zhí)行機構達到預期的要求。

采用進口的模擬輸出卡輸出控制指令給執(zhí)行機構以后，然后通過A/D卡對壓力信號進行采集，看其是否有所變化，以驗證控制部分工作情況是否與預期值相一致，如果采集信號存在誤差或是與其控制的要求不相符，便要及時調整控制信號，進行正確輸出，最終達到預期的試驗要求[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足了實驗的需求，它的主要要功能如下：

流量信號一般為頻率信號，可以進行f/v轉換;電流轉換成電壓;提供可調的激勵，保證系統(tǒng)在有源條件下的信號采集;將特殊接口轉換成為用戶習慣使用的標準接口，可以選用標準航空插頭、RJ-45、BN連線法;采用通道隔離方式，保證各路信號互相獨立地與適配器可靠連接，從而避免通道間的相互干擾，保證測試數據的準確性;自動調零、自動配橋的智能化橋路信號測試技術，能滿足二線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)自動調零;具有自檢和故障定位功能 ?采用全自動故障檢測單元，如果某通道出現短路、激勵故障等，系統(tǒng)會立即在機箱面板上報警顯示;濾波功能，保證實驗數據的真實性[5-6]。

3.4?系統(tǒng)功能擴展性分析

該系統(tǒng)是專業(yè)的多參數綜合測試系統(tǒng)。系統(tǒng)中適配器的設計不但滿足本系統(tǒng)的3種類型信號的測試，還可對其他類型信號進行測試。這一功能，在很大的程度上擴大了整個系統(tǒng)的使用空間。

另外，該系統(tǒng)是以虛擬儀器技術為基礎的，系統(tǒng)在硬件功能擴充的同時，也提供了虛擬儀器軟件平臺，該平臺可以搭建擴充各種實用的測試系統(tǒng)。

3.5?對測試儀器的抗干擾能力的考驗

在本測試系統(tǒng)設計研究中，由于試驗現場環(huán)境比較復雜，所以從以下幾個方面解決它的抗干擾問題。

首先，在電路設計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)良的軍品級元器件，經過嚴格的篩選和檢測。

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

3.6?體積問題

復雜的測試系統(tǒng)一個不可避免的問題就是系統(tǒng)的體積。本設計中采用了很多措施，使系統(tǒng)的體積有了明顯的縮小。其中主要措施如下：

采集設備根據通道數采用19英寸，3U高的PXI機箱，將各種繁雜設備PXI嵌入式計算機、采集卡、模擬輸出卡統(tǒng)一裝進機箱中;

采用高集成度19英寸，2U高的信號調理適配器，將自動配橋、提供激勵、自動保護、報警等集于一身;

3.7?模塊化設計分析

模塊化設計是當前系統(tǒng)設計的主要手段。通過模塊化設計，可以使設計思路清晰，功能相對集中，性能更加穩(wěn)定，維護也非常方便等等。

本設計中主要有數據采集模塊、調理適配器模塊等兩個主要模塊設計部分。

3.8?軟件設計分析

本測試系統(tǒng)為硬件配備的SH-25xx應用測試軟件，使用開放的軟件開發(fā)平臺LabVIEW或LabWindows/CVI開發(fā)完成。該軟件平臺以C語言為開發(fā)基礎，功能強大，并且可以靈活的增加在測試和控制方面的功能[7-9]。

軟件部分的主要內容包括：對采集到的數據進行有效的分析處理;可以對系統(tǒng)各部分進行相應的控制。

5?系統(tǒng)設計綜述

5.1?系統(tǒng)主要硬件配置

最終整個系統(tǒng)設計分為三部分：1.信號測試部分;2.自動控制部分;3.智能調理適配部分;系統(tǒng)主要硬件配置如圖3所示。

5.2?信號測試部分

測試系統(tǒng)中的PXI數據采集控制系統(tǒng)，在本項目中主要完成12路模擬信號采集，主要由PXI-103x機箱、PXI-81xx嵌入式計算機、PXI-62xx采集卡組成。PXI-103x機箱為19英寸寬、3U高、4槽機箱、0～55 ℃工作范圍;PXI-81xx嵌入式計算機為inter酷i3處理器、2G內存、200G硬盤;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路模擬信號中根據被采信號的特點、幅值范圍、被測部分，將被采模擬信號先輸入調理模塊進行調理后，再由采集卡進行數字化。

在進行數據實時采集時，主要是完成對6路壓力信號、3路流量信號、3路液位信號的采集，采集的信號種類各不相同，最后由采集調理適配器合理配置后，進行采集，完成信號的數字化。

5.3?自動控制部分

在自動控制部分，主要完成對11路信號的模擬輸出控制，該控制系統(tǒng)主要是通過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位精度來完成，直接控制各種執(zhí)行機構，使其達到一定的安全調節(jié)的作用。

控制系統(tǒng)主要是對3個變頻器的控制、對3個控制閥的控制、對1個背壓閥的控制、對1個空氣閥的控制、對3個液位閥的控制。先利用采集卡進行數據采集，當采集到的數據達到一定值時就會輸出其控制指令給執(zhí)行機構以后，然后再通過采集卡對壓力、流量、液位信號進行采集，看其是否有所變化，以驗證控制部分工作情況是否與預期值相一致，如果采集信號存在誤差或是與其控制的要求不相符，便要及時調整控制信號，進行正確輸出，最終達到預期的試驗要求，保證試驗的安全性和可靠性。

整個系統(tǒng)的控制部分使用NI8196零槽控制器來完成，它是一種高性能的嵌入式計算機。NI8196還帶有串口、USB及網絡接口、GPIB接口等。這些高性能的板卡，并運用高速穩(wěn)定的PXI總線方式，將其連接起來。這樣使得本系統(tǒng)，不但符合上述的技術要求，而且還具備了，可擴展、體積小、重量輕、結構簡單、搭建方便、便于攜帶、并且造價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。PXI系統(tǒng)如果采用嵌入式計算機方式，它的傳輸速率可以達到穩(wěn)定的132 MS/S。

5.4?調理適配部分

適配器主要負責在試驗過程中各個部分之間聯(lián)絡的紐帶，進行數據、接口和控制的協(xié)調管理。調理智能適配器的主要內容包括：電流轉換成電壓、f—v轉換、提供可調的激勵、特殊接口轉換、通道隔離方式、自動調零、自動配橋、自檢和故障定位功能、多種類型傳感器可以同時接入、濾波等功能。

通過以上設計，該實驗測控系統(tǒng)完成了對整個實驗的實時監(jiān)測及控制。首先系統(tǒng)對油路、水路、氣路三路壓力進行采集，分別對三路變頻器進行控制，該過程中保持測量油路、水路、氣路的流量情況，然后經相流合成器將三路合為一路，混合后對其管路中總壓進行采集，混合體流進容器內后同時測量容器內壓力及液位，如果容器內壓力過大則控制閥門排壓泄氣，最后混合體流入試驗容器進行試驗分離，分離后再輸入油路、水路管道內由此進行循環(huán)反復試驗。

6?總結

該系統(tǒng)是典型的集數據采集、控制、分析為一體的ATE系統(tǒng)[10-11]。在系統(tǒng)設計中，采用了虛擬儀器技術、PXI技術、PC-DAQ測控體系結構，以及系統(tǒng)集成技術，這些技術的綜合應用使該系統(tǒng)用起來更方便，更精確，更實用了，同時還使系統(tǒng)有更強的自我修正功能，更強的抗干擾能力。雖然有些優(yōu)點，但是比起國外先進的同類型系統(tǒng)來說，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，還需要進一步的探索和研究[10-11]。

該系統(tǒng)已在上圖的實驗室投入使用，在多次的運行實驗中證明了該系統(tǒng)的可靠性和實用性，如圖4所示。

參考文獻

[1]?肖忠祥. 數據采集原理[M]. 西安：西北工業(yè)大學出版社， 2003.

[2]?馬明建，周長城.數據采集與處理技術[M] 西安：西安交通大學出版社，2004.

[3]?單光興.雙通道高速數據采集卡的研制[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學，2012.

[4]?鄧芳芳.PXI模擬信號輸入/輸出模塊[D]. 西安：西安電子科技大學，2012.

[5]?黃現.基于PXI平臺的FPGA高速自動化測試系統(tǒng)設計[D]. 上海：復旦大學，2012.

[6]?劉爍.基于FPGA的高速數據采集卡設計與實現[D].西安：西安電子科技大學，2014.

[7]?張毅，周紹磊，楊秀霞.虛擬儀器技術分析與應用[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2004.

[8]?楊樂平，李海濤，趙勇.LabVIEW高級程序設計[M]. 北京：清華大學出版社，2003.

[9]?鄒輝. 軟件自動化測試與開發(fā)[M]. 北京：電子工業(yè)出版社， 2017.

[10]?E Ganev. Selecting the best electric machines for electrical power-generation systems： high performance solutions for aerospace more electric architectures[J]. IEEE Electrification Magazine，2014（4）：13-22.

[11]?H Lee， A Banerjee. Intelligent scheduling and motion control for househould vacuum cleaning robot system using simulation based optimization[C]// IEEE Winter Simulation Conference. 2015（10）：6-9.

（收稿日期： 2018.12.14）