基于CompactRIO的泵機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.2 硬件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)硬件主要由現(xiàn)場(chǎng)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(xiàn)纜構(gòu)成，硬件原理框圖如圖 2所示。傳感器所采集信號(hào)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)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(jī)組工況參數(shù)及實(shí)際工作情況以及所設(shè)計(jì)的控制程序?qū)⒖刂屏啃盘?hào)輸出。 
 500)this.style.width=500;" />

（1） 傳感器
輸油泵機(jī)組主要采集參數(shù)：進(jìn)口壓力、出口壓力、流量、機(jī)油壓力、增速箱壓力、冷卻水溫度、燃油液位、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速以及進(jìn)口氣體信號(hào)，與所測(cè)參數(shù)對(duì)應(yīng)的測(cè)量元件-傳感器安裝在確定測(cè)點(diǎn)位置，傳感器類(lèi)型主要有各類(lèi)壓力、流量、溫度、轉(zhuǎn)速傳感器及物位開(kāi)關(guān)。傳感器（除物位開(kāi)關(guān)外）輸出標(biāo)準(zhǔn) 4～20mA電流信號(hào)，再通過(guò)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(hào)。
（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(fù)配置FPGA為核心的NI CompactRIO模塊，具有25ns的定時(shí)/觸發(fā)分辨率能夠滿(mǎn)足精確實(shí)時(shí)控制要求，CompactRIO適應(yīng)溫度范圍為-40℃～70℃，承受 50g振動(dòng)沖擊力，國(guó)際安全、EMC和環(huán)境認(rèn)證，危險(xiǎn)環(huán)境等級(jí)為Ⅰ類(lèi) 2區(qū)，體積小巧堅(jiān)固，能夠滿(mǎn)足惡劣、危險(xiǎn)環(huán)境和較小空間中的測(cè)量控制要求[3]。
根據(jù)測(cè)試需求，系統(tǒng)以 cRIO-9004實(shí)時(shí)控制器和 3M門(mén) cRIO-9103機(jī)箱為核心，依據(jù)與傳感器和機(jī)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(cè)量電壓范圍±10V，最大采樣率 500kS/s，可完全滿(mǎn)足泵機(jī)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(cè)開(kāi)關(guān)及其它一些開(kāi)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(dòng)報(bào)警燈、離合器控制、故障急停、消防啟動(dòng)、自動(dòng)加油、發(fā)動(dòng)機(jī)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(hào)進(jìn)行處理，并根據(jù)泵機(jī)組工況參數(shù)及實(shí)際工作情況以及所設(shè)計(jì)的控制程序通過(guò)執(zhí)行器完成相應(yīng)的動(dòng)作；二是遠(yuǎn)程通訊，通過(guò)模塊實(shí)時(shí)控制器上的以太網(wǎng)口與遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)連接，基于 TCP/IP協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。
（3）DC/DC模塊
泵機(jī)組設(shè)備啟動(dòng)時(shí)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(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要包括驅(qū)動(dòng)電路、各類(lèi)繼電器及控制發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的步進(jìn)電機(jī)。
（5）通信轉(zhuǎn)換模塊

數(shù)據(jù)采集控制單元與遠(yuǎn)程值班室計(jì)算機(jī)之間采用光纖通信，它具有傳輸距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng)、防雷、防靜電等優(yōu)點(diǎn)。在數(shù)采單元端和計(jì)算機(jī)端各加一個(gè)以太網(wǎng)光纖轉(zhuǎn)換模塊，轉(zhuǎn)換為光信號(hào)鏈路傳輸。 
 
500)this.style.width=500;" />

2.3 軟件設(shè)計(jì)
2.3.1 軟件功能分析
軟件設(shè)計(jì)要求實(shí)現(xiàn)功能有：一是數(shù)據(jù)采集和處理功能；二是泵機(jī)組保護(hù)、控制功能，包含油泵進(jìn)、出口壓力超限報(bào)警和控制、發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水溫度的檢測(cè)和報(bào)警、發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油壓力的報(bào)警和檢測(cè)、發(fā)動(dòng)機(jī)燃油液位的報(bào)警和控制、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的報(bào)警和控制、增速箱報(bào)警和控制；三是遠(yuǎn)程監(jiān)控功能；四是運(yùn)行工況和事故分析功能，遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)自動(dòng)存儲(chǔ)泵機(jī)組工況參數(shù)于 Excel表中，為泵機(jī)組運(yùn)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(xiàn)泵機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用最為注重的因素就是可靠性，除了硬件平臺(tái)的可靠性外，軟件平臺(tái)的可靠性也同樣重要。相比于普通的操作系統(tǒng)（如 Windows）,實(shí)時(shí)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(yīng)用[5]。同時(shí)，Labview Real-time開(kāi)發(fā)工具可以快速方便地開(kāi)發(fā)此類(lèi)實(shí)時(shí)系統(tǒng)應(yīng)用，能夠加速軟件的開(kāi)發(fā)流程。因此，系統(tǒng)軟件采用圖形化編程語(yǔ)言 Labview，在 NI RIO驅(qū)動(dòng)支持下通過(guò) Labview、Labview Real-time模塊和 Labview FPGA模塊對(duì) compactRIO嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行開(kāi)發(fā)。
研制開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)軟件包含初始化模塊、采樣模塊、信號(hào)處理模塊、工況顯示模塊、報(bào)警判斷模塊、泵機(jī)組保護(hù)控制模塊、復(fù)位模塊、存儲(chǔ)模塊、通信模塊。
2.3.3 前面板及框圖設(shè)計(jì)
 Labview使用圖形語(yǔ)言編程，界面形象直觀， Labview程序運(yùn)行以數(shù)據(jù)流方式執(zhí)行 [6]，可實(shí)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(bào)警指示、狀態(tài)指示，輸出控制。系統(tǒng)軟件界面見(jiàn)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(shí)現(xiàn)對(duì) 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(shí)現(xiàn)與 FPGA的通訊、數(shù)據(jù)處理、工況顯示、報(bào)警判斷、控制保護(hù)； Windows上的程序主要實(shí)現(xiàn)與 RT程序的通訊及數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。 
 
500)this.style.width=500;" />

2.3.5 優(yōu)化算法及控制策略
對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集，由于各類(lèi)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(huì)出現(xiàn)一些突變、壞點(diǎn)數(shù)據(jù)，在對(duì)原始采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行利用前，進(jìn)行了軟件中值濾波算法對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，濾除干擾信號(hào)，并剔除壞點(diǎn)。
泵機(jī)組控制策略是基于壓力的自適應(yīng)控制方式，以泵進(jìn)口壓力保護(hù)為例，其控制流程如圖 5所示。 
 500)this.style.width=500;" />