多相流实验测控系统设计

郭雷

摘 要： 为实验搭建了一套PXI自动测试控制系统。通过该测控系统对整个实验进行了实时监测及控制。最后通过应用证明了该系统的实践性和应用性的特点。

关键词： 测控系统; 智能适配; 实时采集

中图分类号： TM93

文献标志码： A

文章编号：1007-757X（2019）06-0116-03

Abstract： A PXI automatic test and control system is built for an experiment. The whole experiment is monitored and controlled in real time by the measurement and control system. Finally， the application proves the practicality and applicability of the system.

Key words： Measurement and control system; Intelligent adaptation; Real-time acquisition

0 引言

本设计是一套PXI自动测试控制系统。该测控系统能够按照要求实时采集监测信号，并按照系统指令实施控制，同时能够对采集信号进行二次化处理，以便输出准确的控制指令，形成整个系统的实时监测及控制功能。

1 系统技术要求

系统主要技术要求

1.1 指标要求

系统要求采集信号完成12路信号分别为：压力信号6路、流量信号3路、液位信号3路;

要求系统提供控制11路模拟输出信号分别为：对3个变频器的控制、对3个控制阀的控制、对1个背压阀的控制、对1个空气阀的控制、对3个液位阀的控制;

采集速率≥10 KS/s、精度不低于14位;

1.2 总体要求

系统要求用PXI总线进行搭建;

系统具备较高的抗电磁干扰能力;

要求系统具备较高的先进性、体积小巧，同时为系统今后的扩充留有余地;

系统整体安全性较高;

提供软件开发平台，便于对数据的处理及分析;

2 系统设计思路

通过对系统技术要求的深入分析，按照试验的过程和试验数据的流程，该系统可大致分为三个部分：系统测试部分、系统自动控制部分、智能调理适配部分等。

根据上述测试要求和设计原则，我们给出系统的总体框架图，如图1所示。

系统组成及主要配置如图2所示。

3 系统设计方案的技术要点

在详细研究与分析了这套测试系统技术和主要功能要求的基础上，对整个测控系统环节进行了分解。同时，对每个环节的技术细节也进行了严密地分析。最后形成了本设计的技术要点和对策。

按照系统要求，本系统有12通道3种不同类型信号的采集，11路模拟量输出控制。考虑到以上对技术要求的分析，设计出以下几点对策：

3.1 多种复杂类型信号测试

首先由于系统测量类型不同、部件测试种类繁多，从采集卡方面考虑，采用32通道模拟信号接入;1.25 MS/s采集速率;16位精度的高性能数据采集卡PCI-625x完成压力、流量、液位3种类型模拟信号的采集[1-2]。

由于在测试时须对压力传感器提供一定激励，对前端信号进行相应的调理，因此选用SH-280x调理适配器来完成各项问题的解决。它能完成桥路传感器的自动配桥、调零;向传感器提供激励;提供过压保护;对信号进行滤波;电流转换电压、f-v转换等功能，并提供方便、可靠的连接方式将传感器输出的信号传输给系统中的采集设备。

3.2 通过自动化控制，保证试验的安全性

由于系统中需对压力、流量、液位信号进行实时采集、分析、处理，然后通过控制系统给出准确的控制指令，使其执行机构达到预期的要求。

采用进口的模拟输出卡输出控制指令给执行机构以后，然后通过A/D卡对压力信号进行采集，看其是否有所变化，以验证控制部分工作情况是否与预期值相一致，如果采集信号存在误差或是与其控制的要求不相符，便要及时调整控制信号，进行正确输出，最终达到预期的试验要求[3-4]。

3.3 智能适配的分析

智能适配器的使用在很大程度上满足了实验的需求，它的主要要功能如下：

流量信號一般为频率信号，可以进行f/v转换;电流转换成电压;提供可调的激励，保证系统在有源条件下的信号采集;将特殊接口转换成为用户习惯使用的标准接口，可以选用标准航空插头、RJ-45、BN连线法;采用通道隔离方式，保证各路信号互相独立地与适配器可靠连接，从而避免通道间的相互干扰，保证测试数据的准确性;自动调零、自动配桥的智能化桥路信号测试技术，能满足二线1/4桥、三线1/4桥、半桥、四线全桥、六线全桥、电压、电流的智能程控配置，全系统自动调零;具有自检和故障定位功能  采用全自动故障检测单元，如果某通道出现短路、激励故障等，系统会立即在机箱面板上报警显示;滤波功能，保证实验数据的真实性[5-6]。

3.4 系统功能扩展性分析

该系统是专业的多参数综合测试系统。系统中适配器的设计不但满足本系统的3种类型信号的测试，还可对其他类型信号进行测试。这一功能，在很大的程度上扩大了整个系统的使用空间。

另外，该系统是以虚拟仪器技术为基础的，系统在硬件功能扩充的同时，也提供了虚拟仪器软件平台，该平台可以搭建扩充各种实用的测试系统。

3.5 对测试仪器的抗干扰能力的考验

在本测试系统设计研究中，由于试验现场环境比较复杂，所以从以下几个方面解决它的抗干扰问题。

首先，在电路设计上充分考虑抗干扰能力，将使用大量的地线铺盖电路板的两面（大面积铺铜），使主要电路布线走在电路板得两层铜板中间，也就是两层地线中间。

其次，在选择元器件上系统所使用的模块，主要器件将选择优良的军品级元器件，经过严格的筛选和检测。

第三，所有设备包括电缆都做到屏蔽考虑。设备统一机壳接地，适配器和采集设备都采用全金属铝合金机壳设计包括模盒。信号电缆采用全屏蔽双绞线，96芯电缆不但采用屏蔽双绞设计，还使用少有的内嵌电路板接线端子技术，做到插接更牢固，传输更稳定，同时提高了电缆的抗干扰能力。

3.6 体积问题

复杂的测试系统一个不可避免的问题就是系统的体积。本设计中采用了很多措施，使系统的体积有了明显的缩小。其中主要措施如下：

采集设备根据通道数采用19英寸，3U高的PXI机箱，将各种繁杂设备PXI嵌入式计算机、采集卡、模拟输出卡统一装进机箱中;

采用高集成度19英寸，2U高的信号调理适配器，将自动配桥、提供激励、自动保护、报警等集于一身;

3.7 模块化设计分析

模块化设计是当前系统设计的主要手段。通过模块化设计，可以使设计思路清晰，功能相对集中，性能更加稳定，维护也非常方便等等。

本设计中主要有数据采集模块、调理适配器模块等两个主要模块设计部分。

3.8 软件设计分析

本测试系统为硬件配备的SH-25xx应用测试软件，使用开放的软件开发平台LabVIEW或LabWindows/CVI开发完成。该软件平台以C语言为开发基础，功能强大，并且可以灵活的增加在测试和控制方面的功能[7-9]。

软件部分的主要内容包括：对采集到的数据进行有效的分析处理;可以对系统各部分进行相应的控制。

5 系统设计综述

5.1 系统主要硬件配置

最终整个系统设计分为三部分：1.信号测试部分;2.自动控制部分;3.智能调理适配部分;系统主要硬件配置如图3所示。

5.2 信号测试部分

测试系统中的PXI数据采集控制系统，在本项目中主要完成12路模拟信号采集，主要由PXI-103x机箱、PXI-81xx嵌入式计算机、PXI-62xx采集卡组成。PXI-103x机箱为19英寸宽、3U高、4槽机箱、0～55 ℃工作范围;PXI-81xx嵌入式计算机为inter酷i3处理器、2G内存、200G硬盘;PXI-62xx采集卡为±10 V电压输出、4～20 mA电流输出、32条

模拟输出通道、16位精度;在12路模拟信号中根据被采信号的特点、幅值范围、被测部分，将被采模拟信号先输入调理模块进行调理后，再由采集卡进行数字化。

在进行数据实时采集时，主要是完成对6路压力信号、3路流量信号、3路液位信号的采集，采集的信号种类各不相同，最后由采集调理适配器合理配置后，进行采集，完成信号的数字化。

5.3 自动控制部分

在自动控制部分，主要完成对11路信号的模拟输出控制，该控制系统主要是通过PXI-6704模拟输出卡主要是±10  V电压输出;4～20 mA电流输出;32条模拟输出通道;16位精度来完成，直接控制各种执行机构，使其达到一定的安全调节的作用。

控制系统主要是对3个变频器的控制、对3个控制阀的控制、对1个背压阀的控制、对1个空气阀的控制、对3个液位阀的控制。先利用采集卡进行数据采集，当采集到的数据达到一定值时就会输出其控制指令给执行机构以后，然后再通过采集卡对压力、流量、液位信号进行采集，看其是否有所变化，以验证控制部分工作情况是否与预期值相一致，如果采集信号存在误差或是与其控制的要求不相符，便要及时调整控制信号，进行正确输出，最终达到预期的试验要求，保证试验的安全性和可靠性。

整个系统的控制部分使用NI8196零槽控制器来完成，它是一种高性能的嵌入式计算机。NI8196还带有串口、USB及网络接口、GPIB接口等。这些高性能的板卡，并运用高速稳定的PXI总线方式，将其连接起来。这样使得本系统，不但符合上述的技术要求，而且还具备了，可扩展、体积小、重量轻、结构简单、搭建方便、便于携带、并且造价适中等非常完备的条件。另外，PXI总线方式与VXI总线方式由所不同。PXI总线是PCI总线在仪器方面的总线扩展。它具备了PCI总线传输速率快，体积小并且兼容性能高等特点。PXI系统如果采用嵌入式计算机方式，它的传输速率可以达到稳定的132 MS/S。

5.4 调理适配部分

适配器主要负责在试验过程中各个部分之间联络的纽带，进行数据、接口和控制的协调管理。调理智能适配器的主要内容包括：电流转换成电压、f—v转换、提供可调的激励、特殊接口转换、通道隔离方式、自动调零、自动配桥、自检和故障定位功能、多种类型传感器可以同时接入、滤波等功能。

通过以上设计，该实验测控系统完成了对整个实验的实时监测及控制。首先系统对油路、水路、气路三路压力进行采集，分别对三路变频器进行控制，该过程中保持测量油路、水路、气路的流量情况，然后经相流合成器将三路合为一路，混合后对其管路中总压进行采集，混合体流进容器内后同时测量容器内压力及液位，如果容器内压力过大则控制阀门排压泄气，最后混合体流入试验容器进行试验分离，分离后再输入油路、水路管道内由此进行循环反复试验。

6 总结

该系统是典型的集数据采集、控制、分析为一体的ATE系统[10-11]。在系统设计中，采用了虚拟仪器技术、PXI技术、PC-DAQ测控体系结构，以及系统集成技术，这些技术的综合应用使该系统用起来更方便，更精确，更實用了，同时还使系统有更强的自我修正功能，更强的抗干扰能力。虽然有些优点，但是比起国外先进的同类型系统来说，在采集速率、采集精度、控制精度和智能化的程度上还是有差距的，还需要进一步的探索和研究[10-11]。

該系统已在上图的实验室投入使用，在多次的运行实验中证明了该系统的可靠性和实用性，如图4所示。

参考文献

[1] 肖忠祥. 数据采集原理[M]. 西安：西北工业大学出版社， 2003.

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[6] 刘烁.基于FPGA的高速数据采集卡设计与实现[D].西安：西安电子科技大学，2014.

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[9] 邹辉. 软件自动化测试与开发[M]. 北京：电子工业出版社， 2017.

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[11] H Lee， A Banerjee. Intelligent scheduling and motion control for househould vacuum cleaning robot system using simulation based optimization[C]// IEEE Winter Simulation Conference. 2015（10）：6-9.

（收稿日期： 2018.12.14）