基于CompactRIO的泵機組監(jiān)控系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

2.2 硬件設計
系統(tǒng)硬件主要由現(xiàn)場傳感器，數(shù)據(jù)采集控制單元，DC/DC電源模塊，執(zhí)行器，通信轉(zhuǎn)換模塊及其它附件模塊、線纜構(gòu)成，硬件原理框圖如圖 2所示。傳感器所采集信號轉(zhuǎn)換為標準信號后輸出給數(shù)據(jù)采集控制單元，數(shù)據(jù)采集控制單元根據(jù)泵機組工況參數(shù)及實際工作情況以及所設計的控制程序?qū)⒖刂屏啃盘栞敵觥?nbsp;
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（1） 傳感器
輸油泵機組主要采集參數(shù)：進口壓力、出口壓力、流量、機油壓力、增速箱壓力、冷卻水溫度、燃油液位、發(fā)動機轉(zhuǎn)速以及進口氣體信號，與所測參數(shù)對應的測量元件-傳感器安裝在確定測點位置，傳感器類型主要有各類壓力、流量、溫度、轉(zhuǎn)速傳感器及物位開關(guān)。傳感器（除物位開關(guān)外）輸出標準 4～20mA電流信號，再通過調(diào)理板轉(zhuǎn)換為與數(shù)據(jù)采集控制單元 I/O匹配的 1～5V電壓信號。
（2） 數(shù)據(jù)采集控制單元
數(shù)據(jù)采集控制單元采用了以可重復配置FPGA為核心的NI CompactRIO模塊，具有25ns的定時/觸發(fā)分辨率能夠滿足精確實時控制要求，CompactRIO適應溫度范圍為-40℃～70℃，承受 50g振動沖擊力，國際安全、EMC和環(huán)境認證，危險環(huán)境等級為Ⅰ類 2區(qū)，體積小巧堅固，能夠滿足惡劣、危險環(huán)境和較小空間中的測量控制要求[3]。
根據(jù)測試需求，系統(tǒng)以 cRIO-9004實時控制器和 3M門 cRIO-9103機箱為核心，依據(jù)與傳感器和機箱的匹配性，選用了以下 I/O模塊，輸入輸出框圖如圖 3所示：
①模擬輸入模塊，選用 cRIO-9201，8通道隔離同步采樣模擬輸入模塊；分辨率為 12位，測量電壓范圍±10V，最大采樣率 500kS/s，可完全滿足泵機組數(shù)據(jù)采集要求。
②數(shù)字輸入模塊，選用 cRIO-9421，8通道 24V隔離數(shù)字輸入模塊；用于檢測開關(guān)及其它一些開關(guān)量的狀態(tài)輸入。
③數(shù)字輸出模塊，選用 cRIO-9472，8通道 6～30VDC離散輸出模塊；主要功能是驅(qū)動報警燈、離合器控制、故障急停、消防啟動、自動加油、發(fā)動機升、降速及脫泵控制。

數(shù)據(jù)采集控制單元主要完成兩方面的功能：一是采集和控制，采集傳感器輸出信號進行處理，并根據(jù)泵機組工況參數(shù)及實際工作情況以及所設計的控制程序通過執(zhí)行器完成相應的動作；二是遠程通訊，通過模塊實時控制器上的以太網(wǎng)口與遠程計算機連接，基于 TCP/IP協(xié)議進行數(shù)據(jù)通訊。
（3）DC/DC模塊
泵機組設備啟動時電瓶供電電壓不穩(wěn)、起伏大，為保證數(shù)采模塊的正常穩(wěn)定工作，采用DC/DC電源模塊，并且要求 DC/DC模塊輸入電壓范圍寬、輸出要非常穩(wěn)定、可靠。為此選用了 VicorDCDC電源模塊，該模塊輸入寬電壓 +18VDC至+36VDC，輸出穩(wěn)定 24VDC，Vicor模塊功耗低，效率高，性能穩(wěn)定[4]。

（4）執(zhí)行機構(gòu)執(zhí)行機構(gòu)主要包括驅(qū)動電路、各類繼電器及控制發(fā)動機轉(zhuǎn)速的步進電機。
（5）通信轉(zhuǎn)換模塊

數(shù)據(jù)采集控制單元與遠程值班室計算機之間采用光纖通信，它具有傳輸距離遠、抗干擾能力強、防雷、防靜電等優(yōu)點。在數(shù)采單元端和計算機端各加一個以太網(wǎng)光纖轉(zhuǎn)換模塊，轉(zhuǎn)換為光信號鏈路傳輸。 
 
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2.3 軟件設計
2.3.1 軟件功能分析
軟件設計要求實現(xiàn)功能有：一是數(shù)據(jù)采集和處理功能；二是泵機組保護、控制功能，包含油泵進、出口壓力超限報警和控制、發(fā)動機冷卻水溫度的檢測和報警、發(fā)動機機油壓力的報警和檢測、發(fā)動機燃油液位的報警和控制、發(fā)動機轉(zhuǎn)速的報警和控制、增速箱報警和控制；三是遠程監(jiān)控功能；四是運行工況和事故分析功能，遠程計算機自動存儲泵機組工況參數(shù)于 Excel表中，為泵機組運行工況及故障分析提供數(shù)據(jù)黑匣子。
2.3.2 編程軟件及功能模塊

輸油管線泵機組監(jiān)控系統(tǒng)應用最為注重的因素就是可靠性，除了硬件平臺的可靠性外，軟件平臺的可靠性也同樣重要。相比于普通的操作系統(tǒng)（如 Windows）,實時系統(tǒng)能夠提供更佳的穩(wěn)定性和可靠性，更適合于可靠性要求高的嵌入式應用[5]。同時，Labview Real-time開發(fā)工具可以快速方便地開發(fā)此類實時系統(tǒng)應用，能夠加速軟件的開發(fā)流程。因此，系統(tǒng)軟件采用圖形化編程語言 Labview，在 NI RIO驅(qū)動支持下通過 Labview、Labview Real-time模塊和 Labview FPGA模塊對 compactRIO嵌入式系統(tǒng)進行開發(fā)。
研制開發(fā)的系統(tǒng)軟件包含初始化模塊、采樣模塊、信號處理模塊、工況顯示模塊、報警判斷模塊、泵機組保護控制模塊、復位模塊、存儲模塊、通信模塊。
2.3.3 前面板及框圖設計
 Labview使用圖形語言編程，界面形象直觀， Labview程序運行以數(shù)據(jù)流方式執(zhí)行 [6]，可實現(xiàn)程序高效并行處理。本系統(tǒng)軟件主界面包含工況數(shù)據(jù)顯示、報警指示、狀態(tài)指示，輸出控制。系統(tǒng)軟件界面見圖 4。系統(tǒng)軟件框圖按結(jié)構(gòu)分為 FPGA VI和 HOST  VI。FPGA程序是下載到 CompactRIO 模塊 FPGA芯片上的程序，主要實現(xiàn)對 CompactRIO模塊 I/O通道的采樣和輸出。HOST程序包含 RT控制器上的程序以及 Windows上的程序， RT上的程序主要實現(xiàn)與 FPGA的通訊、數(shù)據(jù)處理、工況顯示、報警判斷、控制保護； Windows上的程序主要實現(xiàn)與 RT程序的通訊及數(shù)據(jù)的存儲。 
 
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2.3.5 優(yōu)化算法及控制策略
對于現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集，由于各類如電磁干擾、靜電干擾、共模干擾、差模干擾等的存在，原始采樣數(shù)據(jù)經(jīng)常會出現(xiàn)一些突變、壞點數(shù)據(jù)，在對原始采樣數(shù)據(jù)進行利用前，進行了軟件中值濾波算法對采樣數(shù)據(jù)進行處理，濾除干擾信號，并剔除壞點。
泵機組控制策略是基于壓力的自適應控制方式，以泵進口壓力保護為例，其控制流程如圖 5所示。 
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