某试验设备基于网络化的测控系统设计

伍宗效，李家春，张建明

（1.贵州大学 机械工程学院，贵州 550025；2.贵州哈雷空天环境工程有限公司，贵州 561000）

0 引言

网络技术的高速发展，其通讯速度高效、组态方式灵活，在工业测控领域得到了大量的应用，在分布式集散测控系统中网络技术的应用更是必不可少[1]。测控系统是现代自动化设备必不可少的组成部分，其承担着自动化设备的静态调试、参数设置、动态试验、设备监控、数据采集、数据处理等任务[2]，设备安全、高效地运行都由测控系统性能的好坏所决定。

试验设备测控系统主要用于对设备关键位置的压力、温度等参数进行测量，并通过对系统中动力设备的控制，实现用户设定目标马赫数；并可完成对设备试验段的流场品质测试，主要包括设备核心试验段流场马赫数分布均方根差，试验段轴向马赫数分布及梯度[3]。测控系统包括测量单元和控制单元，其中测量单元包括压力测量单元、温度测量单元、流场品质测试单元等；控制单元包括试验设备总控制及总控制台，总控制又包括测量单元中所需要的控制，以及为确保测控系统正常、稳定、可靠运行所必需的其他配套设备[4]。

1 试验设备总体介绍

试验设备由进气塔、稳定段、收缩段、试验段、临界段、负压罐和抽气系统组成。进气塔是试验设备气流的入口，由混凝土建造而成；稳定段包括壳体、蜂窝器和阻尼网，与进气塔连接处还装有导流片；收缩段是气流的加速装置，外形根据五次幂曲线建造而成；试验段是实验设备的关键部件，也是测控系统主要控制和测量的位置，包括舱体和模拟弹投放系统；临界段装有膨胀节和安全门；负压罐包括罐体、爆破门；抽气系统包括真空泵、电动闸阀、调压阀、流量计等。试验设备结构如图1所示。

图1 试验设备结构示意图

2 测控系统架构与组成

测控系统由操作计算机（上位机）和测量控制及标校单元、投放控制单元、舱体设备控制单元四部分组成。测量与控制及标校单元由机箱、实时运算控制器、信号采集板卡、固态继电器板卡等组成。舱体设备控制单元由电源模块、CPU、数字I/O模块、模拟输入模块、存储卡、导轨等组成。操作计算机布置在测控间内，主要实现试验管理、设备控制、风速测量、压力测量数据处理和信息显示等功能。测量控制及标校单元、投放控制单元、舱体设备控制单元集成在位于试验舱体工位的控制机柜内，主要完成信号采集、设备控制等功能。测量与控制及标校单元、舱体设备控制单元分别接到交换机上，与上位机通过以太网进行数据通讯。测控系统组成如图2所示。

图2 测控系统组成图

3 测量及标校原理

3.1 压力测量原理

压力是试验设备的主要测量参数，其主要包括稳定段总压测量与试验段静压测量以及负压罐内压力测量。稳定段总压测量与试验段静压测量在试验过程中实时采集，为瞬态测量，需要高频响动态压力传感器；而负压罐内压力测量用于反馈显示试验前/后负压罐内压力水平为稳态测量，采用低频响静态压力传感器。

试验段速度为0.4～0.8Ma时，根据质量守恒原理得出相对应的稳定段风速为7.5～11.5m/s，其总压和静压几乎一致，相对误差在0.08%以内，所以稳定段总压值可以采用静压值代替。总压测量时，压力传感器安装于稳定段3侧壁面（左、右、顶部），传感器感压表面与稳定段内壁齐平，试验过程中同时采集3个压力传感器的数据，并在采集器内实时进行算术平均，以平均值作为稳定段总压测量的显示值，其安装结构如图3所示。

图3 压力传感器安装

试验段静压测量时，压力传感器分别安装于试验段入口处3侧壁面（左、右、顶部），传感器感压表面与试验段内壁齐平，试验过程中同时采集3个压力传感器的数据，并在采集器内实时进行算术平均，以平均值作为试验段入口静压测量的显示值。负压罐内压力测量时，压力传感器安装于罐体壁面，测量时采用双路平均的思路，两个传感器数据同时采集，互相佐证。

3.2 温度测量原理

温度是表征物体状态的特征参数之一，可以辅助确定空气的密度，粘性系数等。高速气流的温度测量一般指气体的总温测量，即气体在绝热滞止状态下能达到的温度。试验设备的有效试验时间十分短暂，为了实时获取试验过程中设备的温度，总温测量需要采用高频响应的动态温度传感器。总温传感器分别安装于稳定段与试验段前中后三个位置处，用来标定测量试验过程中稳定段总温与试验段总温的关系，正式试验过程中仅稳定段安装温度传感器。总温传感器与壁面的安装结构示意如图4所示。

图4 总温传感器安装

3.3 流场校测原理

流场校测用于验证试验设备试验段的流场性能。流场校测主要内容包括试验段轴向马赫数分布、试验段核心流马赫数分布均方根差、试验段轴向马赫数梯度以及气流不稳定测量。试验设备流场校测采用轴向静压探测管测量试验段轴线上的静压分布，根据此静压测量值与稳定段总压测量计算得到试验段中心线上的马赫数分布，分布均方根差以及轴向梯度。试验过程中，当Ma数达到目标之后，连续测量试验段参考点（试验段静压传感器安装位置）Ma数，从而得到试验过程中试验段气流不稳定性。

4 测量子系统设计

测量子系统由压力和温度传感器、信号采集卡以及运算控制器组成。压力传感器安装位置分别位于稳定段、试验段和负压罐，温度传感器安装在稳定段。信号采集卡采集各类传感器发送的模拟信号，转化为数字信号后，经运算控制器计算，获取试验所需的数据，包括试验段马赫数、试验段高度、试验段气流密度、试验段温度等。

4.1 压力测量

压力传感器选用型号为HM90的动态压力传感器，该型号传感器广泛应用于发动机压力动态特性检测、液压、气压动态测试实验台、高转速油泵测试以及其他需求动态压力测量等领域。HM90测量范围0～150kPa，过载能力1.5～2倍满量程压力，压力类型为绝压，响应频率3kHz，分辨率0.01%FS，综合精度±0.1%FS。负压罐内建立负压环境，在爆破门开启后，使系统前端气体吸入试验段及负压罐，使试验段内气体的静压及流速达到试验条件要求，并维持一定时间。负压罐内真空度是决定试验段气体状态及持续时间的一个重要参数，因此需对负压罐内的压力进行监测，并通过测量得到的压力值控制真空泵组的启停。静压测量压力传感器选用与动压测量同样型号的动态压力传感器，传感器信号输出定义如表1所示。

表1 传感器信号输出定义

信号采集板卡用于压力传感器信号采集[5]，选用NI公司的电压信号采集板卡PXIe-4303以及前端接线盒TB-4302C，PXIe-4303采集卡通道数有32通道，AD位数24位，ADC类型Delta-Sigma，采样频率51.2kS/s/s，电压测量范围±100mV，±10V。

4.2 温度测量

定制快速响应细丝热电偶温度传感器，偶丝类型为K型热电偶，偶丝分为支撑偶丝和工作偶丝，直径分别为0.3mm和0.1mm，采用特殊的焊接工艺焊接，保证在气流中的强度，偶丝由绝缘陶瓷管保护，并封装在不锈钢外壳内，安装方式可选法兰或螺纹连接[6]。性能参数：测温范围-40℃～100℃；稳定段风速10m/s；试验段风速0.4～0.8Ma；热电偶响应时间≤100ms。

温度采集板卡用于温度传感器信号采集，选用NI公司的电压信号采集板卡PXIe-4353以及前端接线盒TB-4353，该型号信号采集板卡专用于热电偶信号采集，具体性能指标：通道数32通道（热电偶）；AD位数24位；ADC类型Delta-Sigma；采样频率90S/s/s；热电偶类型J，K，T，E，N，B，R，S；冷端补偿为内部。

5 控制子系统设计

因试验设备试验全过程时间共计300ms，因此需采用时序控制来完成一系列设备的操作，从而达到目标试验环境的效果[7]。设计的时序控制器完成试验过程的数据采集、高速摄像、爆破门开启、挂弹投放、产品回收等控制功能。实时控制器由高速脉冲I/O模块和固态继电器模块组成，高速脉冲I/O用于为挂弹投放装置发送脉冲，用于控制挂弹投放。固态继电器模块用于数据采集、高速摄像、爆破门开启、产品回收等设备的启动。高速脉冲I/O模块通过控制程序设置脉冲周期、脉冲宽度，具体满足指标：脉冲周期≥20ms，间隔1ms连续可调，精度±1ms；脉冲宽度≥10ms，间隔1ms连续可调，精度±1ms。

高速脉冲I/O选用NI PXIe-6535，具体指标如表2所示。

表2 PXIe-6535性能指标

固态继电器模块根据时序控制流程，逐一发送开关量指令至数据采集、高速摄像、爆破门、产品回收等设备，控制设备按时序启动。固态继电器模块选用NI PXI-2568，该模块为单刀单掷继电器模块[8]，时序控制操作流程如图5所示。

图5 时序控制流程图

6 软件架构设计

测控软件分为测量与控制及标校软件和舱体控制软件。测量与控制及标校软件实现流场测量、时序控制以及流场品质标校功能；舱体控制软件实现舱体设备、负压设备的控制，以及各设备工作状态监测等功能。软件采用NI公司的图形化编程软件LabVIEW进行开发，软件分为上位机人机操作程序和下位机实时控制程序。软件架构如图6所示。

图6 软件架构

1）操作员管理。对操作员进行管理，包括添加、删除操作员，设定操作员权限级别，设定、编辑、删除操作员密码等。软件登录界面如图7所示。

图7 登录界面

2）工程管理模块。为了便于试验项目的管理和维护而建立项目组，项目组在硬盘上即一个文件夹内。在项目组文件夹中包含着多个项目，在项目文件夹中保存着其项目配置文件“Project.ini”和测控数据文件。可以定期的将项目组或项目备份到其他地方，以保护试验数据。工程管理界面如图8所示。

图8 工程管理界面

3）参数设置模块。参数设置包括传感器参数、试验段马赫数目标值、投放同步时间、马赫数与舱体控制对应参数、时序控制参数等，并将各种参数保存至数据库，试验时可直接调取。

4）数据存储及回放。在试验前期准备过程中，进行存储操作后，最终保存的试验数据会以特定格式(.tdms)保存，在软件中可以实现数据的查看，截取等相关操作；同时也可以将数据导出EXCEL格式，方便与其余软件进行交互。数据回访界面如图9所示。

图9 数据回放界面

5）测量控制主程序。测量控制主程序是试验操作主界面，各设备按照时序进行工作，并在线显示稳定段总压、试验段静压、试验段马赫数、试验段模拟高度、试验段气流密度等数据及试验状态信息。

6）标校模块。根据校测原理，编写的运算程序，将得到的采集数据，经过计算，判断有效试验段流场品质是否达到系统验收标准。

7）实时控制模块。实时控制模块是运行在下位机实时控制器中的程序，实现整套测量与控制算法的运行，将测到的原始压力值，经过算法计算得到马赫数、高度、密度等数据信息。

7 系统测试

集成整个测控系统，对各个子系统进行静态调试，根据测控系统实际的测量数据，进行多次现场测试，统计测试数据并进行数据处理与分析。现场测试如图10所示。

图10 现场测试

经多次测试得到压力变动范围为0～31KPa，温度变动范围为-18℃～25℃，试验段马赫数测量范围为0.41～0.82Ma。压力的测量误差与实际值偏差控制在±1Pa以内，温度的测量误差与实际值偏差控制在±0.5℃以内，试验段马赫数的测量误差与实际值偏差控制在±0.01Ma以内，各参数测量值均在可接受误差范围以内。测控系统通信稳定、可靠、测量数据精度高，均达到了设计要求。现场测试数据结果如图11所示。

图11 数据测试结果

8 结语

采用基于网络化的三层结构设计了某试验设备的测控系统，软件采用NI公司的图形化编程软件LabVIEW进行开发。根据压力、温度、流场标校等原理，设计了测量子系统、控制子系统的硬件和软件。通过现场测试数据测量精确、响应快、传输稳定，各项技术指标均达到设计要求。目前已投入到试验设备的实际配套生产中，大大提高了试验设备的的检测效率，降低试验人员的劳动强度，有效提高试验设备检测的准确性、可靠性和稳定性。