基于LabVIEW的試驗(yàn)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張斌斌，楊濤，王平

(1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)數(shù)據(jù)科學(xué)與應(yīng)用學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特010080；2.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特010018；3.內(nèi)蒙古電力有限責(zé)任公司烏海超高壓供電局，內(nèi)蒙古 烏海016000)

0 引言

在推進(jìn)器發(fā)動(dòng)機(jī)中，噴管堵蓋是重要的元件之一。它不僅起到密封防潮的作用，而且對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火延遲時(shí)間有重要的影響。噴管堵蓋打開時(shí)的壓強(qiáng)過高或過低，可造成點(diǎn)火延時(shí)和火藥能量損失，進(jìn)一步會(huì)導(dǎo)致推進(jìn)器發(fā)動(dòng)機(jī)損壞，釀成不可挽回的后果。因此，采集噴管堵蓋爆破時(shí)的壓力值和壓力從大氣壓強(qiáng)到峰值所用的時(shí)間，對(duì)推進(jìn)器點(diǎn)火時(shí)的壓力和藥劑的多少有重要的參考價(jià)值[1]。為了實(shí)時(shí)地、準(zhǔn)確地、高速地采集峰值壓力和峰值時(shí)刻，設(shè)計(jì)了模擬推進(jìn)器發(fā)動(dòng)機(jī)噴管堵蓋打開狀態(tài)的試驗(yàn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)由試驗(yàn)機(jī)構(gòu)和計(jì)算機(jī)控制部分組成。試驗(yàn)機(jī)構(gòu)主要由充壓容器、安裝容器和收儲(chǔ)容器組成；計(jì)算機(jī)控制部分采用主從控制模式，工控機(jī)作為主機(jī)，拓展 LabVIEW （Laboratory Virtual instrument Engineering Workbench）二次開發(fā)平臺(tái)，從機(jī)為NI公司的C系列機(jī)箱及四塊數(shù)據(jù)采集模塊。

試驗(yàn)機(jī)構(gòu)模擬了推進(jìn)器發(fā)動(dòng)機(jī)噴管堵蓋打開時(shí)的狀態(tài)，為數(shù)據(jù)采集提供硬件環(huán)境，主要由充壓容器、安裝容器和收儲(chǔ)容器組成。充壓容器是將空壓機(jī)壓縮后的空氣儲(chǔ)存起來，為安裝容器提供恒定的氣源輸出。考慮到單個(gè)充壓容器供氣時(shí)，容器內(nèi)壓力下降，供氣不穩(wěn)定，故采用70 L和140 L的兩個(gè)充壓容器同時(shí)供氣。安裝容器是模擬推進(jìn)器發(fā)動(dòng)機(jī)噴管的作用，與充壓容器相連。將試驗(yàn)的堵蓋安裝到安裝容器上的指定位置，當(dāng)壓力達(dá)到堵蓋的開啟值時(shí)，堵蓋會(huì)被氣流沖開。堵蓋在爆破時(shí)，獲得了很大的動(dòng)能，會(huì)有很多的金屬片飛濺出來，存在很大的安全隱患。位于安裝容器正下方的收儲(chǔ)容器就是為收集堵蓋和金屬殘片而設(shè)計(jì)的[2]。

1 控制部分硬件設(shè)計(jì)

試驗(yàn)控制部分的硬件是整個(gè)控制部分的基礎(chǔ)，主要由壓力變送器、NI-cDAQ-9184機(jī)箱和四個(gè)數(shù)據(jù)模塊組成，實(shí)現(xiàn)了采集數(shù)據(jù)和信號(hào)傳輸?shù)墓δ堋?/p>

1.1 試驗(yàn)系統(tǒng)的工作流程

由最大壓力為15 MPa的高壓泵源向充壓容器提供壓縮空氣。根據(jù)試驗(yàn)要求，如果充壓容器內(nèi)氣壓小于4 MPa，高壓泵向容器充壓；當(dāng)充壓容器內(nèi)的氣壓大于4 MPa小于9 MPa時(shí)，高壓泵斷開，處于待充壓狀態(tài)。高壓泵的啟停由串聯(lián)在回路中的繼電器控制，繼電器則由數(shù)字量模塊來控制。充壓容器和安裝容器通過四根管道相連，為安裝容器提供高壓氣源。每個(gè)管道裝有一個(gè)氣動(dòng)球閥，控制氣流的是否導(dǎo)通。通過球閥組合的開閉，實(shí)現(xiàn)有效節(jié)流面積的調(diào)節(jié)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)充氣時(shí)間的變化和滿足不同堵蓋所需要壓力。堵蓋的規(guī)格決定氣動(dòng)球閥開啟的個(gè)數(shù)，數(shù)字量輸出模塊通過繼電器控制氣動(dòng)球閥的開閉。當(dāng)安裝容器中的壓力達(dá)到堵蓋爆破壓力時(shí)，堵蓋爆破。同時(shí)，和堵蓋相連的靶線斷開，空壓機(jī)和氣動(dòng)球閥關(guān)閉，報(bào)表生成，試驗(yàn)完畢。

1.2 信號(hào)的檢測(cè)和數(shù)據(jù)的采集

在70 L、140 L充壓容器和安裝容器分別安裝HP1000型鈦/硅藍(lán)寶石超高壓變送器來檢測(cè)容器內(nèi)壓力信號(hào)。采集到的壓力信號(hào)不僅作為機(jī)構(gòu)啟停的條件，也是重要的參考數(shù)據(jù)。HP1000型鈦/硅藍(lán)寶石變送器采用高壓接口，能在惡劣的工業(yè)環(huán)境中穩(wěn)定工作，輸出精度高（±0.25%），輸出信號(hào)為（4-20）mA，具有可靠的安全性和密封性[3]。NIcDAQ-9184是一款4槽NI Compact DAQ以太網(wǎng)機(jī)箱，適用于遠(yuǎn)程或分布式傳感器和電子測(cè)量。單個(gè)機(jī)箱可測(cè)量最多128路通道的電子、物理、機(jī)械或聲音信號(hào)，由于其體積小、高度集成化，使用靈活，大大的減少了試驗(yàn)系統(tǒng)的布線難度，降低了信號(hào)的延時(shí)，從而提高了信號(hào)輸入輸出的速度和精確性[2]。機(jī)箱可結(jié)合傳感器測(cè)量電壓、電流與數(shù)字信號(hào)，通過單個(gè)以太網(wǎng)接口工控機(jī)建立通信。機(jī)箱上插入四個(gè)數(shù)據(jù)采集模塊，分別為NI9203、NI9205、NI9425、NI9476。其中模塊NI9203將充壓容器和安裝容器中壓力變送器的信號(hào)實(shí)時(shí)地傳給工控機(jī)；模塊NI9205實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)靶線通電時(shí)的信號(hào)；NI9476是數(shù)字量輸出模塊，控制氣動(dòng)球閥開閉和空壓機(jī)的啟停；NI9425是數(shù)字量輸入模塊，采集球閥開閉和空壓機(jī)啟停信號(hào)。NI公司對(duì)所有數(shù)字量模塊提供了專門的驅(qū)動(dòng)程序，本試驗(yàn)系統(tǒng)是采用NI-DAQmxAPI多種語(yǔ)言開發(fā)方式開發(fā)的。

2 控制部分軟件設(shè)計(jì)

試驗(yàn)系統(tǒng)的軟件部分基于LabVIEW平臺(tái)開發(fā)，數(shù)據(jù)采集硬件設(shè)備對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)軟件是NI公司的DAQmx。DAQmx中包含的AIP函數(shù)提供了采集數(shù)據(jù)的功能。采用NI公司的配置管理軟件MAX (Measurement＆Automation Explorer)將LabVIEW軟件和DAQmx進(jìn)行交互，MAX將硬件設(shè)備的信號(hào)導(dǎo)入LabVIEW軟件[4]。此部分主要完成了前面板的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了控制氣動(dòng)球閥的開閉、數(shù)字量輸入輸出、模擬量輸入、數(shù)據(jù)的顯示和生成報(bào)表[5]。

2.1 數(shù)字量輸入輸出設(shè)計(jì)

程序通過堵蓋規(guī)格確定氣動(dòng)球閥組合后，將組合形式以數(shù)字量的形式傳給輸出模塊NI9476。模塊NI9476接到系統(tǒng)啟動(dòng)信號(hào)后，控制氣動(dòng)球閥和空壓機(jī)的啟動(dòng)。圖1、圖2中，程序的功能是控制大氣動(dòng)球閥1的開閉。由于其他三個(gè)球閥的開閉程序和大氣動(dòng)球閥1程序相同且球閥組合只需將他們并聯(lián)，所以下面介紹大氣動(dòng)球閥1的控制方式。

數(shù)字量通過模塊NI9476以布爾數(shù)組的形式輸出，將讀取各布爾開關(guān)的值以及通過替換數(shù)組子集來更改的數(shù)字量所組成的數(shù)組通過DAQ助手輸出。這種結(jié)構(gòu)精簡(jiǎn)了程序內(nèi)容，提高了運(yùn)行速度，對(duì)于大氣球閥1，當(dāng)布爾值由“假”變?yōu)椤罢妗睍r(shí)，觸發(fā)事件結(jié)構(gòu)內(nèi)條件結(jié)構(gòu)真分支內(nèi)程序，將有大氣動(dòng)球閥1、小氣動(dòng)球閥1、小氣動(dòng)球閥等組成的數(shù)組索引第0位替換為“true”，之后輸入到設(shè)置好NI9476任務(wù)的DAQ助手中，完成大氣球閥1的數(shù)字量輸出。

圖1 氣動(dòng)球閥控制程序

圖2 大氣動(dòng)球閥1控制程序

數(shù)字量通過NI9425模塊以布爾數(shù)組的形式輸入，32通道連續(xù)采樣在while循環(huán)中循環(huán)讀取其信號(hào)。例如大氣動(dòng)球閥1，通過索引數(shù)組讀取大氣動(dòng)球閥所對(duì)應(yīng)的數(shù)字量輸入值，當(dāng)該值由“false”變?yōu)椤皌rue”且大氣動(dòng)球閥1的值與“false”進(jìn)行比較的值為真，兩者與運(yùn)算結(jié)果為真，執(zhí)行條件結(jié)構(gòu)真分支內(nèi)容對(duì)大氣動(dòng)球閥1的屬性節(jié)點(diǎn)賦“true”值，觸發(fā)大氣動(dòng)球閥1值改變事件。

2.2 模擬量輸入設(shè)計(jì)

當(dāng)系統(tǒng)開始工作，球閥開啟時(shí)，充壓容器和安裝容器中都有一定的壓力。模擬量輸入模塊NI9203將四個(gè)壓力傳感器的信號(hào)傳給工控機(jī)，前面板則實(shí)時(shí)地顯示容器中壓力值的大小和變化趨勢(shì)。此部分的主要功能是數(shù)據(jù)采集，程序如圖3所示。四路傳感器信號(hào)分別是70 L、140 L充壓容器和安裝容器1、2的壓力信號(hào)，分別用于采集充壓壓力的數(shù)值和計(jì)算堵蓋爆破時(shí)的峰值壓力。壓力信號(hào)通過顯示控件以波形的形式實(shí)時(shí)顯示在前面板上。因?yàn)閴毫ψ兯推骶雀?、偏差小，可認(rèn)為傳感器信號(hào)是線性的。

通過布爾值轉(zhuǎn)換控件判斷實(shí)驗(yàn)啟動(dòng)的真假，為“真”則開始循環(huán)。DAQmx讀取模塊NI9203的四路壓力信號(hào)后，分為兩支。一支經(jīng)拆分控件將信號(hào)拆分為四路獨(dú)立的信號(hào)，再通過合并信號(hào)控件將充壓容器兩路信號(hào)和安裝容器兩路信號(hào)分別合并，顯示在一個(gè)波形圖中，便于直觀的比較；另一支經(jīng)拆分信號(hào)控件后，以數(shù)值的方式實(shí)時(shí)的顯示在前面板上。為了在試驗(yàn)結(jié)束后更好的分析數(shù)據(jù)，采用寫入測(cè)量文件控件將采集到的數(shù)據(jù)以文本的形式寫入文檔中。為了采集堵蓋爆破時(shí)的峰值壓力，同樣將四路信號(hào)拆分后，通過最大值控件將安裝容器兩個(gè)傳感器壓力的最大值取出存放在中間變量1中。變量1與變量2（初始化為零）比較，取最大值存放在變量2中，依次循環(huán)直到堵蓋爆破，靶線斷開。

最終變量2中的壓力大小就是堵蓋爆破時(shí)的峰值壓力，將它顯示在前面板上，并寫入文本文檔。堵蓋爆破時(shí)，靶線斷開，模擬量輸入模塊NI9205將采集到的電壓信號(hào)傳給工控機(jī)作為氣動(dòng)球閥和空壓機(jī)關(guān)閉的條件。

圖3 采集數(shù)據(jù)程序

2.3 充壓時(shí)間和充壓速率

LabVIEW提供了日期/時(shí)間控件，可以將充壓開始時(shí)間和充壓結(jié)束時(shí)間顯示出來。充壓結(jié)束時(shí)刻減去充壓開始時(shí)刻即是充壓時(shí)間[6]。其中充壓開始時(shí)刻的判別條件是系統(tǒng)初始化后啟動(dòng)、氣動(dòng)球閥開且急停按鈕未被按下；充壓結(jié)束時(shí)刻的判別條件是堵蓋爆破且靶線斷開。充壓結(jié)束時(shí)刻也是安裝容器中壓力達(dá)到峰值的時(shí)刻。在充壓過程中，如果按下急停按鈕，則證明有突發(fā)情況，程序會(huì)記錄此時(shí)的時(shí)刻。用變量2除以充壓時(shí)間就可以得到充壓速率。充壓速率由球閥組合和堵蓋型號(hào)決定。

3 結(jié)束語(yǔ)

試驗(yàn)系統(tǒng)先從試驗(yàn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)開始，使系統(tǒng)硬件機(jī)構(gòu)有一個(gè)宏觀的概念，直觀的了解各個(gè)機(jī)構(gòu)的相對(duì)位置。之后設(shè)計(jì)了計(jì)算機(jī)控制部分的硬件，包含了采集數(shù)據(jù)的壓力變送器、NI公司C系列機(jī)箱和四個(gè)輸入輸出模塊。最后設(shè)計(jì)了計(jì)算機(jī)控制的軟件部分，包括前面板設(shè)計(jì)、數(shù)字量輸入輸出、模擬量輸入、顯示數(shù)據(jù)和生成報(bào)表。由于DAQ數(shù)據(jù)采集卡高速和高精度特點(diǎn)，加上穩(wěn)定而且高精度的HP1000型鈦/硅藍(lán)寶石壓力變送器，使得整個(gè)系統(tǒng)集成化好，實(shí)現(xiàn)了高精度采集數(shù)據(jù)。軟件程序根據(jù)觸發(fā)條件及時(shí)地、穩(wěn)定地控制氣動(dòng)球閥開閉和空壓機(jī)啟停，提高了系統(tǒng)的自動(dòng)化水平。試驗(yàn)系統(tǒng)可以將堵蓋打開過程和堵蓋打開時(shí)的相關(guān)數(shù)據(jù)高精度采集到，這些所得數(shù)據(jù)可以為研究人員提供參考。