羽流实验测控系统技术研究和制造总体设计和详细施工方案.doc

1、羽流实验测控系统技术研究和制造 第35页（共35页）QBxxxxxxxxxx公司质量管理体系文件 羽流实验测控系统技术研究和制造总体设计及详细施工方案编 制： 年 月 日审 核： 年 月 日批 准： 年 月 日 发放编号: 受控状态：受控 非受控xxxxxxxxxxxxxxx公司 发布文 件 状 态文件状态 草稿文件 V 正式文件 更改正式文件文件标识：文件名称：羽流实验测控系统技术研究和制造总体设计和详细施工方案当前版本：1.1作 者：王洪波完成日期：2010-03-25版 本 历 史版本/状态作者参与者起止日期备注目 录1系统要求42羽流实验测控系统设计方案62.1系统分析62.2系统方案

2、72.3系统软件93系统详细施工方案113.1信号调理分线箱的实现方法113.1.1温度信号的采集113.1.2压力信号采集153.1.3流量信号的采集153.1.4应力及应变信号163.1.5振动信号的采集163.2信号分线模块的实现方法163.3FPGA模块与时序开关量的控制183.4控制电路及控制台箱的设计193.5敷设电缆实施方案243.6系统机械安装形式253.7系统软件实现263.7.1操作指令模块283.7.2系统操作指令通讯模块293.7.3系统配置模块293.7.4数据采集显示模块313.7.5数据存储与回放模块313.7.6控制指令时序编辑模块323.8项目施工进度341

3、系统要求根据甲方提供的美国NI公司的数据采集系统，设计开发羽流实验测控系统一套，分别用于温度、压力、流量、应力等物理量的测量。其具体要求如下羽流实验控制系统l 控制对象（阀门）100路，控制精度mS级；l 设置相应的控制台面，控制台上设置控制开关40个，重要参数显示表头30个。l 控制计算机、控制台以及控制机柜设置在测控间，控制对象分布 在系统间、羽流实验间。羽流实验数据采集系统l 开发甲方提供数据采集卡，作为温度、压力、流量、推力等传感器信号的数据采集系统；l 传输、采集、转换、隔离、放大传感器输出4mA20mA的电流信号，并在计算机上显示、存储及数据处理l 信号选用双端输入方式设计开发要求

4、（1）根据上述控制台及数据采集系统的要求，设计开发数据采集系统一套，（2）敷设相应的电缆并有一定的冗余，敷设电缆的要求如下（房间布局参见附件）；1） 实验间（9号房间）A、 距离：从舱体外侧至测控间B、 数量：测量线300路，控制线各20路2） 系统间（1、2、4、5、6房间）A、 距离：分别从上述系统间至测控间B、 测量线各30路，控制线各20路3） 系统间（3号房间）A、 距离：从系统间至测试间B、 数量：测试线100路，控制线40路上述测量线共550根，控制线190根（3） 设计制造相应的测量控制机柜，放置在测控间；（4）设计制造相应系统控制台面，并能够进行交互控制和显示；（5）配置相应

5、的测量、控制计算机系统。2 羽流实验测控系统设计方案2.1 系统分析l 根据系统要求，对已购的产品进行配置，设计开发信号采集电路，分别用于温度、压力、流量、应力等物理量采量，因此需要一个信号采集调理箱，分别对温度传感器、压力传感器、流量计、应变片的信号进行调理，调理后的信号变成标准的10V10V信号的差分信号。l 设计开发控制电路100路，；根据这项要求，使用两块FPGA卡，每块FPGA卡对50路信号进行实时控制。工作时，系统把用户定义的时序动态的下载到FPGA卡存储器中，FPGA卡依据给定的时钟对开关量进行控制，数据卡之间的时序，通过采用同一个时钟源对系统进行通信l 考虑到该系统为实验平台，

6、测试对象有一定的不确定性，因此通道及测试配置应从硬件和软件做到可配置及互换性，以满足各种实验的要求。l 搭建控制台面，通过控制台面进行 系统运行的手动控制和监视 。控制台面应具有以下功能：n 控制台面应有紧急制动按钮，当实验系统出现危险紧急状态时，能够紧急处理实验设备，使其达到一个安全的状态。n 控制台面应具备各种设备的控制开关，其与程控的优先级别为控制台优先。n 控制台面应有相应设备的状态指示。2.2 系统方案整个实验系统的其本结构由采集控制系统、信号调理及控制单元、线缆及传感器或控制执行单元组成。其结构形式如下图所示：采集控制系统采集控制系统由两套系统组成，一套系统由工业控制计算机与两个P

7、XI机箱组成的数据采集系统，一套由PXI嵌入式控制计算机组成的控制采集系统。两套系统可以由网络来实现两系统之间的数据通讯。数据采集系统由一个工控机、一个8槽PXI控制机箱（包含一块应力应变采集模块、一块动态信号采集模块、4块高速多功能数据采集模块）和一个14槽的PXI控制机箱（包含7块PXI 6225模块）组成，其之间的通讯通过PXI-PCI MXI卡之间进行通讯。其主要功能是实现2通道的应变信号的采集、8路振动信号的动态采集和352路压力、温度、流量等信号的采集。控制采集系统由一个8槽PXI嵌入式控制计算机（包含两个FPGA模块和2块PXI 6225）组成。其主要功能实现100路阀门控制的输

8、出及控制单元的电压、电流采集。调理控制单元调理控制单元为信号调理分线箱及控制台箱。信号调理分线箱用于物理量信号的调理，其具体功能包括：l 将压力量电流信号或电压信号转换为采集卡可直接采集的1010V信号；l 提供温度测量转换电路，将温度敏感器（热电偶、热敏电阻、铂电阻）提供的信号转换成电压值信号；l 将流量计提供的电流信号转换成电压信号；l 设计灵活的通道分配器，为各通道的变换提供便捷操作；l 为各传感器提供工作电源。l 系统自检功能为系统的自我状态检查提供便利。控制台箱主要提供以下功能：l 接收控制模块指令，驱动控制对象；l 对控制台箱的手动操作指令和系统的控制指令进行优先编码控制处理；l

9、接收控制对象的状态反馈信号或继电器的状态信号，并将状态传给控制台箱面板和控制系统软面板进行显示。2.3 系统软件整个系统软件分为两部分，数据采集系统软件和采集控制系统软件，其两个软件分别位于数据采集分系统和采集控制系统中，支持各系统的运行和进行系统间的数据通讯和交换。其各系统实现的功能如下：数据采集系统软件：l 完成各种物理量信号（包括压力、流量、温度等）的数据采集；l 完成各物理量信号的通道配置；l 对采集的数据进行物理量还原（将电压值信号换算成实际物理量信号）；l 对采集数据的显示、保存；l 对历史数据的回放，显示处理；l 对物理量信号的简单分析（振动信号的频率分析等）；l 与采集控制系统

10、的通讯。采集控制系统软件l 完成对100路控制对象程控和手动控制（软面板）；l 完成对控制指令是序的编辑和下载；l 完成对各控制对象电压、电流的采集；l 完成对控制对象开关状态的判断和显示；l 对采集数据及各阀门的状态进行显示、保存；l 对历史数据的回放，显示处理；l 与采集系统的数据通讯。3 系统详细施工方案3.1 信号调理分线箱的实现方法对信号采集基本遵循信号通道分配、信号调理、信号采集、数据存储显示分析的模式，其中对信号的物理量测量信号通道的硬件分配、物理量信号的调理在信号的调理分线箱中进行。对于物理量信号的调理，其具体可细分为温度、压力、流量、应力应变及振动等信号的调理转换，下面对各物

11、理量采集的具体实现方法逐一论述。3.1.1 温度信号的采集对于温度信号的测量方法根据传感器的种类不同而不同，其大致可分为热电偶、热敏电阻和铂电阻三种形式。热电偶对于热电偶信号由于采集的信号为差分信号，对其采集将差分电动势调理放大为10V10V电压信号，其调理后的信号再送多功能数据采集卡进行采集。由于热电偶采集的信号速度变化较灵敏，因此该类信号送PXI6254 进行采集。对于热电偶电路的调理电路由冷端补偿模块和差分信号放大模块组成。系统实现的指标如下：适用于k、e、j、b、s、t、n等多种类型通道数：根据用户需求定义基本误差：0.2%FS环境温度:0+50(常规型) 环境影响系数：0.05%/。

12、 热敏电阻对于传感器是热敏电阻的温度采集，其信号经信号分配单元分配给热敏电阻调理模块，热敏电阻调理模块将随温度变化的电阻值转换成010V的电压值后送测控系统的多功能数据采集卡的模拟输入通道进行采集。热敏电阻的调理电路原理如下图所示，热敏电阻及其补偿网络由2.5V的基准电压源AD580供电，接成测温电桥后经仪表放大器AD524放大输出，得出随温度线性变化的电压值送下一级进行处理。铂电阻由于铂电阻测温原理也是根据电阻值随温度变化而变化的原理，所以铂电阻的测量也与热敏电阻的测量方法近似，铂电阻传感器，其信号经信号分配单元分配给铂电阻调理模块，铂电阻调理模块将随温度变化的电阻值转换成010V的电压值后

13、送测控系统的多功能数据采集卡的模拟输入通道进行采集。但由于使用的铂电阻的阻值不同，其阻值的变化幅度也不同，其调理电路与热敏电阻的方法也不近相同，其中调理模块分Pt1000和Pt100两种不同的模块。Pt1000由于电阻值比较大，其电阻值随温度变化也较大，因此其测量方法与热敏电阻的测量方法相同。但Pt100的阻值由于随温度的变化较小，为了精确测量其温度，需要使用四线电阻法对其测量。四线电阻法测量电阻原理如下：对于低于100k的电阻测量，4线电阻测量得到较高的精度。使用4线测量需要4线开关和更多的电缆，但更加准确。下图显示4线电阻的测量方法，包括导线和连接器电阻：电流源强制电流通过电阻，在被测电阻

14、两端产生电压，用敏感导线直接测量电阻两端的电压，利用欧姆定律可以得到被测电阻值。在使用铜结点或小阻值的连接器的测试系统中，4线测量可达到极高的准确率。3.1.2 压力信号采集对于压力传感器一般输出值为电流或电压，其设计时为了适应不同传感器的需要，设计一个开关，通过开关的开通与闭合来适应电流式压力传感器和电压式压力传感器的调理。另外对于压力传感器一般需要外接电源进行供电，为了在实验时连接传感器的方便快捷，需要在调理电路中，为传感器提供纹波较小的供电电源，其电压传感器的供电电源大约有5V，12V，24V几种形式。压力传感器调理后的信号送多功能采集卡的模拟量输入通道进行数据采集。3.1.3 流量信号

15、的采集对于流量传感器其一般输出值为电流或频率，设计时对于电流形流量计的采集可以将电流值转换成电压值，然后送多功能数据采集卡的模拟输入通道进行采集，对于频率输出的电流传感器，可以直接由多功能数据采集卡的计数器通道时行计数，然后根据其测量的频率计算出流量计的流量。3.1.4 应力及应变信号对于应力及应变信号的采集，直接使用PX4220进行数据采集，由于PXI4220内部含有1/4桥、半桥、全桥等调理电路，且其路数又较少（只有两路），因此为减小信号之间的传输干扰，对其采集可以直接连接到采集卡上。3.1.5 振动信号的采集对于振动信号的采集，其振动传感器提供的信号可以直接使用PXI 4472B动态信号

16、采集模块进行采集。为了方便用户使用，在调理箱上设有BNC转接接口，用户通过在调理箱上接口的连接，来实现传感器与采集卡的连接。3.2 信号分线模块的实现方法考虑到整个实验测控系统作为实验室测控设备的特点，其灵活度较大，易于维护，在调理电路与调理箱之间设计有分线器模块，分线器模块为各路传感器分配采集通道、提供传感器的合适电源，为传感器提供适于插拔的连接方式。整个分线器模块的分线原理如下图所示：调理电路上连接端子各信号通道通过分配器线缆分配各传感器的连接器端子，传感器的供电源通过传感器供电选择开关切换后分配给各传感器的连接器。这样的设计可以保证传感器电缆设计统一和通用，其管脚的分配形式定义如下管脚号

17、管脚定义说明1S+信号输入正极2S-信号输入负极3P+正相供电电源4GND地5P-负相供电电源连接器的选择：设计中每路传感器使用一个连接器，由于整个系统的传感器较多，因此需要选择一种小型化且连接方便的连接器，设计中推荐使用Lemo连接器。其连接器型较小，其单个连接器的直径只有10mm, 节省了空间；连接器采用特有的自锁插拔技术，连接可靠，插拔方便。3.3 FPGA模块与时序开关量的控制对于开关量的时序控制，为了保证各阀门控制的时间精度，采用本公司自主研发的FPGA模块卡来实现各阀之间的时序控制。该多功能FPGA模块是由PXI桥芯片DSP处理器FPGA并配以相应功能子板组成的。该模块具有很强的灵

18、活性，可以根据用户的需求定制，用该模块实现如下功能：u 每块模块可以达到80路的数字输入输出控制（根据需要可以设置56路输出24路数字输入）；u 模块可以即时的存储控制开关的序列指令；u 模块的时间序列精度可以达到S级；3.4 控制电路及控制台箱的设计控制台箱主要任务是接收控制模块或手动操作控制指令，驱动并实现对控制对象的控制，同时将控制对象的状态反馈到控制面板和控制器软界面上。整个系统控制箱的原理和控制逻辑如下：FPGA模块产生的程控指令，经FPGA开关组合控制电路的滤波模块为逻辑控制模块输入操作指令，同时系统也可以通过面板的手动控制开关，经防抖电路模块和滤波模块处理后为逻辑输入模块输入控制

19、指令。当逻辑控制模块接受任意一方的上升沿指令后，逻辑控制模块就把该路的控制对象置为“高”的状态，其状态经大电流驱动模块放大后，控制操作对象进行“开”的操作。同样逻辑控制模块接受任意一方的下降沿指令后，逻辑控制模块就把该路的控制对象置为“低”的状态，其状态经大电流驱动模块放大后，控制操作对象进行“关”的操作。控制对象的状态信号经状态指示电路处理后，一方面送FPGA数字模块进行采集，显示到系统软面板上，一方面驱动控制面板上的指示灯进行显示。若对开关对象（如电磁阀、电爆阀）控制有时间要求，功率较大，工作电压在2050V DC 电流在310A范围内，可以选用功率管来实现，另外基系统要求对控制回路有电流

20、采集要求时，可以选择一电流传感器加在系统回路中。VMOS场效应管，具有输入阻抗高（108），驱动电流小，还有耐压高（最高耐压1200V）,工作电流大（1.5A100A）,输出功率高（1250W）,开关速度快的优良特性。本系统可选用IRF3205:其主要参数为：ID(TC=25，VGS=10V):110APd：200WV(BR)DSS：55VVGS：20VIDSS：25A(VDS=55V,VGS=0V)td(on)： 14nstr： 101 nstd：(off) 50 nstf：65 ns在控制中，为了保证系统安全，使系统强电与弱电完全隔离，在隔离端，系统使用光耦对强电和弱电进行隔离，系统单路原

21、理图如下所示。U1为光耦隔离器件，为场效应管，R1、R2为分压限流电阻，N1为霍尔电流传感器。U1接收远端的OC门信号，并将其进行隔离，来控制场效应主管的关闭，通过调整R1、R2的阻值使Q1得至合适的开关控制电压和电流，霍尔电流传感器将采集的电流值转换成电压值后，送显示卡进行模数转换，从而得到经过阀的电流值。霍尔电流传感器可选用CSNE151CSNE151可准确测量25A以下的电流，其量程范围有5A、6A、8A、12A、25A三种。其它技术指标如下：供电电压：5V次级线圈电阻：110工作温度：070匝数比：1：1000初级线圈绝缘电压：5KV（50Hz，1min）总精度：0.5%反应时间：小于

22、1SDi/dt准确根踪：好于100A/S频宽：150KHz3.5 敷设电缆实施方案根据测量信号的不同，其敷设用的电缆有所不同，其大致可以分为以下几类： 热电偶测量：对于热电偶，为了达到测量精度的准确性，一般使用温度补偿线，但由于热电偶产生的热电势较弱，一般传输距离不超过15m, 为了解决本方案传输距离较长的问题，在前端加一热电偶变送器，将热电偶信号转换成电流信号，传输给测试系统。 压力流量等电流信号：为了减小外界的干扰，使用带屏蔽的五芯电缆 应力测量：一般为差分信号采集，使用超五类双绞线线缆 振动加速度测量：使用衰减较小的同轴电缆 供电电缆：因为供电电缆距离较长，为减小供电损耗，使用截面积较大

23、的铜缆。其线缆分配见下表位置敷设距离（米）测量线根数控制线路数实验间4530050系统间1713020系统间2753020系统间4703020系统间5663020系统间6703020系统间38310040注：热电偶测量使用五芯屏蔽电缆，测量时需在前端加1至2米温度补偿线和变送器，购热电偶时配套购买； 振动加速度线8路和应力用线2用线类型不同，不计在以上线中，单独敷设至实验间。3.6 系统机械安装形式为了操作方便，整个系统按高速采集系统和采集控制系统分别安装在两个标准的19”机柜中，其中采集系统中包括工业控制计算机、2个PXI控制计算机及采集模块，信号调理箱、信号调理扩展箱、鼠标键盘托架、显示器

24、、传感器供电电源。采集控制系统包括PXI控制计算机、信号调理箱、控制台箱、显示器、传感器供电电源、控制设备的供电电源、鼠标键盘托架、显示器等机柜的参考样式如下：3.7 系统软件实现整个系统分为数据采集系统和控制采集控制系统两个系统，其两套系统即可单独运行，又可以通过网络互相进行发送指令，共同工作。其整个系统的结构形式如下：其中数据采集系统包括操作指令模块、系统操作指令通讯模块、系统配置模块、数据采集显示模块、数据存储模块、数据回放模块，数据采集控制系统与数据采集系统相比多了控制指令时序编辑模块和控制指令发送模块两个模块。各功能模块的功能如下所示：操作指令模块：该模块为人机界面交换模块，通过该模

25、块用户可以向各子模块发出操作指令（如数据采集，数据回放等），或者对控制设备发出控制指令（如电磁阀开、关等控制命令）。系统操作指令通讯模块：该模块为两系统的操作指令通讯交互系统，通过该模块可以向对方系统发送操作指令或接收对方操作系统的操作指令。系统配置模块：该模块主要完成数据采集通道的配置、采样速率的配置、传感器参数所设置等相关配置操作。数据采集显示模块：数据采集显示模块主要是根据操作指令和系统配置模块来操作数据采集卡进行数据采集，并将采集的数据通过根据传感器的参数设置，计算的物理量真实值显示到系统的界面上。数据存储模块：数据存储模块的作用是系统将采集的数据按一定的形式存储到系统的存储器中，以备

26、日后数据回放显示。数据回放模块：数据回放模块是用户通过调用该模块，将存储的数据按时间顺序进行回放，或按索引进行查询。控制指令时序编辑模块：控制指令时序编辑模块的作用是，用户根据实验要求，编辑一个阀门控制指令的时间序例，并进行保存，并将该程序下载到FPGA控制模块中，为整个程控指令的执行作好准备。控制指令发送模块：控制指令的发送模块接收控制指令时序编辑模块的下载指令及软面板对阀的控制指令，调用FPGA模块的驱动程序，对FPGA模块进行操作，从而完成对阀的开关与程控操作。3.7.1 操作指令模块操作指令模块是系统的人机交互界面，其对各模块的操作采用菜单栏的形式，对一些常用命令采用工具栏的形式，对于

27、一些阀的控制指令采用开关控件的形式。在程序编写结构上，由于人机交互介面的的指令是根据操作指令进行控制的，因此该模块的结构以事件触发结构为主体。其一些界面如下：试验管理模块菜单及对话框3.7.2 系统操作指令通讯模块系统的操作指令通讯模块负责两个系统之间指令操作的通讯，其包括接收指令模块和发送指令模块，这些指令包括开始数据采集，开关指令控制等。3.7.3 系统配置模块系统配置模块主要是通道配置以及采样速率等参数的设置，其中通道设置是对采集通道的名称，采集范围，通道物理量的转换参数的进行设置。通道物理量的转换参数通常把其看成通道传感器的参数设置，下图显示了两个配置界面图。3.3 通道设置列表界面图

28、3.4 通道设置对话框3.5 传感器配置界面3.7.4 数据采集显示模块数据采集模块是根据系统配置模块的设置，对各物理量理通道的物理量进行采集和存储，其按试验的方式和采集的物理量不同，又分为压力采集、流量的采集、应力应变的采集、加速度信号的采集等。数据显示模块主要功能是对数据采集模块采集到的数据根据通道配置表进行物理量的转换，然后在数据显示主界面中进行显示，数据显示模块与数据采集模块分别使用单独的线程，之间的数据传输采用队列进行数据交换。以保证数据采集的速度和实时性。3.7.5 数据存储与回放模块数据存储单独运行一个线程，以保证在数据采集时，数据的采集速度。同时对于数据的存取格式也采用二进制格

29、式形式数据回放软件界面如图3-1 系统数据回放面板。系统通过“数据回放”菜单下面的“数据记录”选项进行设置数据记录的存储位置。当系采集结束后，可以通过“数据回放”下的“回放数据”菜单来进行回放已采集的数据。3-1 系统数据回放面板数据回放模块具有数据导出功能，可以导出标准的TXT 文件 或EXCEL格式的文件，方便试验人员对后期的数据进行处理与分析。3.7.6 控制指令时序编辑模块控制过程管理是实现在程控状态下控制各类泵、阀等设备按照事先设定好的时间自动运行的子系统。控制指令时序编辑模块通过一个定时触发编辑子界面来进行时序触发的编辑。定时触发编辑窗口包括定时触发编辑表、动作设备选择、触发时间、

30、动作内容、是否执行等选择项。测试人员在“动作设备选择”下拉列表框当中先选定需要动作的通道，然后在“触发时间”当中选择合适的触发时间点，再在“动作内容”中选择预想执行的动作，最后在“是否执行”开关当中选择触发动作是否执行。当所有的操作都完成以后点击“添加”按钮，将这次配置插入到定时触发编辑表当中。最后点击“确定”按钮保存触发列表。其流程图如下所示： 图4.1.11 时间触发控制设置流程图图4.1.13 定时触发设置窗口3.8 项目施工进度项目阶段工作内容工作周期实施地点 提交成果方案设计与用户交流，制定项目实施方案2周本公司提交方案设计评审详细设计根据方案评审结论，进行详细设计5周本公司提交详细设计报告包括基本电路图样，设计图纸图样，接线关系表。项目施工订货PCB生产，调试机械加工生产软件程序编写，调试整机初步调试电缆订购制作9周本公司系统基本功能实现，完成出厂前的验收。现场调试敷设电缆，系统组装、总体调试5周现场完成现场验收验收试验运行验收3周现场完成现场试运行验收，提交验收报告