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
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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
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