共底安全监测系统测试数据传输软件设计

陈　联，丁　栋，李　强，魏　广

（1.兰州空间技术物理研究所 真空技术与物理重点实验室，兰州　730000；2.兰州交通大学，兰州　730070）

共底安全监测系统测试数据传输软件设计

陈联1，丁栋1，李强2，魏广1

（1.兰州空间技术物理研究所 真空技术与物理重点实验室，兰州730000；2.兰州交通大学，兰州730070）

共底安全监测系统测试数据传输软件是为提高火箭共底安全监测系统测量工作的及时性、准确性和可靠性，而开发的一种专用测试软件。文中主要介绍了传输软件的功能要求，总体结构设计、质谱计数据采集模块设计、网络传输功能设计、功能测试结果分析等方面的内容。测试数据传输软件采用模块化设计、质谱计OPC通讯、网络间TCP/IP通讯和SQL数据库等通讯和工具，实现低温运载火箭发射过程中的共底残余气体浓度含量的自动采集、存贮和传输，简化了发射场操作流程。

共底；安全监测；质谱分析；传输软件

0　引言

共底安全监测系统是用于我国低温运载火箭发射过程中，低温级液氢和液氧箱共用的绝热腔体（简称共底）氢、氧泄漏情况实时监测工作，确保火箭发射安全。火箭共底监测系统的工作原理是采用真空压力监测的方式实现绝热腔体总压力监测，采用质谱分析的方法实现共底内氢、氧等残余浓度含量测量，两者结合使用，及时发现共底是否发生泄漏以及泄漏部位［1］。早期的共底安全监测系统通过人工记录的方式实现测量结果的存储、上传和分析，在及时性、准确性和可靠性方面较差，共底安全监测系统测试数据传输软件是为了满足火箭发射场流程再造需求，提高自动化程度而开发的一种专用测试软件［2］。

1　软件功能要求

测试数据传输软件的基本功能是实现液氢、液氧加注期间共底气体成份浓度的测量，并将测量结果按指定格式和协议通过网线远程传输至总体网。软件运行过程中，能依据操作人员的要求，启动相关联的软件程序，获取质谱数据与真空计数据，并在各自的显示区依据获取的数据实时显示各自的图表与图像，同时要将数据及时保存到数据库中，方便后续数据读取和分析。在检测到共底氢浓度超标、通信故障时能够及时给出报警显示。在需要时，可以与总体网上位机之间通过发送UDP的数据包实现测试数据信息的上传，并按照指定格式将发送的数据以文件的形式存储在指定文件夹内，便于事后计算机进行数据自动比对。具体要求如下：

（1）能对H2、O2、N2、He、H2O等气体的浓度进行测量；

（2）能采用UDP协议将H2、O2、N2、He、H2O等气体浓度的测量结果上传至总体网上位机；

（3）能通过监测质谱室压力的方式确保质谱计正常工作；

（4）能在氢浓度超过7%、质谱计、真空计和总体网等通信故障时给出报警显示。

软件运行过程中涉及到的硬件接口要求如图1所示，测试数据传输软件安装在计算机上，其中质谱计与计算机间采用RJ45网络OPC通信协议通信，质谱室真空计与计算机间采用RS232接口Modbus协议通信，总体网上位机与计算机间采用RJ45网络TCP/IP协议通信。显示单元采用触控一体机，能直接通过手动点击显示单元给出的开发操作界面上对应的控件，实现软件启停控制和运行参数设置［3］。

图1　测试数据传输软件硬件接口图

2　软件总体结构设计

根据软件功能要求，设计的共底安全监测系统测试数据传输软件主要功能模块包括：权限设置模块、系统配置模块、设备运行管理模块、实时数据处理模块、历史数据管理模块、远程数据传输模块、报警模块和操作日志模块，详细功能分配如表1所示。

表1　软件模块功能分配表

根据表1设计出的测试数据传输软件典型运行界面图如图2所示。

图2　测试数据传输软件运行界面图

3　主要功能模块详细设计分析

3.1质谱计数据采集功能设计

本次研制的共底安全监测系统在质谱计配置方面，选用的是Pfeiffer公司生产的QMG220M1型四极质谱计，该型号质谱计自带的测量软件QUADE⁃RA能够实现H2、O2、N2、He、H2O等浓度的直接测量，测量结果以Excel表格的形式存在指定文件下，但是这种方式导致用户二次开发的软件无法实时读取数据，增加软件开发难度。通过和硬件生产商沟通发现，QMG220M1质谱计还提供了基于OPC（OLE for Process Control）协议的数据通信功能。

通过调研发现，OPC协议是一种具有开放、开发和协作功能的通用工业标准，是微软公司的对象连接和嵌入技术在过程控制领域的应用，为工业自动化软件面向对象的开发提供一项统一的标准［4-5］。QMG220M1质谱计在OPC协议方面提供了用于质谱计的分析器控制、测量通道选择、外接设备添加和通用安全保护等四大方面近150条控制指令，软件开发用户可以利用这些控制指令的自由组合，实现质谱计的启停控制、测量通道和测量范围选择、质谱计组网或外接其他类型压力计、使用安全保护等个性化设计功能。基于OPC通信协议的优点，共底安全监测系统测试数据传输软件设计过程中，采用OPC协议直接控制QMG220M1质谱计硬件，主要使用了其中的7条控制指令，如表2所示，可基本实现了质谱计的启停和H2、O2、N2、He、H2O共5种残余气体离子流强度值的实时采集功能。

表2　OPC控制指令设置

其他在OPC通信中需要使用的质谱计灯丝电流，倍增器电压，H2、O2、N2、He、H2O共5种残余气体对应的质量数、扫描时间、检测模式、分辨率等参数，由于首次设置后，在后续的质谱计启停和测量过程不需要再重新设置，因此，为了简化测试传输软件的复杂性，利用质谱计自带的软件QUADERA实现相关参数设置，典型设置界面如图3所示。

图3　QUADERA软件实现OPC信息配置界面

3.2网络传输功能设计

共底安全监测系统测试数据传输软件与总体网之间的信息交换使用标准TCP/IP协议，采用Win⁃dows Sockets标准网络程序设计接口。测试数据的交换采用无连接的数据报式套接字即UDP，将测试信息按照约定的信息帧格式打包发送给总体网上位机，同时对所发送的数据按照指定的存盘格式进行存盘，便于在测试后与信息接收方进行数据比对。信息帧格式由信息头和信息字组成，其中信息头由帧同步、帧长、帧类型、备用字、日期、时间、帧计数、信息字个数、校验和等内容共32个字节组成。信息字有5个，分别对应H2、O2、N2、He、H2O共5种气体的浓度值，每个信息字使用12个字节，设计为IEEE浮点型，其中整数位2为，小数位4位。

4　功能测试

软件功能测试主要包括配置功能测试、信息帧格式正确性测试和总体网联合测试等几个过程。其中配置功能测试主要是针对表1中所规定的功能进行了逐一检查和复现，同时采用人为设定异常情况，如氢浓度超标、质谱室压力超标、网络通信故障、异常关机等方式，验证软件对异常和报警信息的响应能力。信息帧格式正确性测试采用编制模拟测试程序的方式实现，模拟程序能够对接受到的数据按照规定格式进行解码，通过逐条比对解码后的数据与实际传输数据的一致性，从而验证信息帧格式的正确性，测试结果表明信息帧格式完全满足规定要求。总体网联合测试是将总体网上位机作为接收终端，共底安全监测系统测试数据传输软件将实时测量获得的共底残余气体浓度数据传输给上位机，测试结果表明，上位机显示的实时数据与共底安全监测系统测试数据传输软件显示的测量数据完全一致，并随共底内残余气体浓度的变化而实时变化。

5　结论

共底安全监测系统测试数据传输软件采用模块化设计实现各项规定功能。利用质谱计配置的OPC协议对质谱计的测量软件进行了二次开发，实现了测试软件直接控制质谱计硬件的启停和共底残余气体浓度含量测量。利用TCP/IP协议，按照规定信息格式实现了浓度测量数据的自动上传。最终实现低温运载火箭发射过程中的共底残余气体浓度含量的自动采集、存储和传输，简化了发射场操作流程，提高了浓度测量结果的及时性、准确性和可靠性。

［1］陈光奇，王丽红，孙冬花，等.火箭低温贮箱的新型共底安全监测系统［J］.导弹与航天运载技术，2010（4）：46-48.

［2］陈联，冬花，王爱民，等.远程传输型共底安全监测系统设计及特性［J］.真空，2014，51（6）：39-42.

［3］魏广，马少君，陈联，等.微波开关寿命试验设备的测控仪设计［J］.真空与低温，2015，21（1）：56-61.

［4］张立业，刘昌盛，朱信接.OPC技术研究［J］.科学决策，2008（12）：176.

［5］黄希敏.基于C#语言的工业计算机与S7-300的OPC通讯［J］.重型机械，2011（5）：39-41.

DESIGN OF DATA TRANSMISSION SOFTWARE FOR SAFETY MONITORING SYSTEM OF BULKHEAD

CHEN Lian1，DING Dong1，LI Qiang2，WEI Guang1
（1.Science and Technology on Vacuum Technology and Physics Laboratory，Lanzhou Institute of Physics，Lanzhou730000，China；2.Lanzhou Jiaotong University，Lanzhou730070，China）

Data transmission software for safety monitoring system of bulkhead is a special test software to improve timeliness，accuracy，reliability of measurement.This paper mainly introduces functional requirements and structure design of data transmission software，data acquisition module design of mass spectrometer，network transmission function design，and analysis of functional test results.By using modular design，OPC for mass spectrometer，TCP/IP for network and SQL database，data transmission software implemented automatic data acquisition，storage and transmission of bulkhead residual gas concentration measurement in the process of cryogenic liquid rocket launch，and simplified operation process of launch site.

bulkhead；safety monitoring；mass spectrometer analysis；transmission software

V513

A

1006-7086（2015）05-0303-04

10.3969/j.issn.1006-7086.2015.05.012

2015-04-26

陈联（1979-），男，安徽省庐江县人，高级工程师，主要从事质谱分析与密封容器泄漏检测技术研究与开发。Email：yf_rr@sina.com。