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[導(dǎo)讀]輸油管線泵機(jī)組監(jiān)測與控制不僅要求較高的實(shí)時(shí)性和測量控制精度,還要求在惡劣多變環(huán)境下保持高度的可靠性和穩(wěn)定性。本文采用NI公司的 CompactRIO模塊作為系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集控制單元,介紹了輸油管線泵機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn),在系統(tǒng)試驗(yàn)中取得了理想效果。

0 前言
輸油管線泵機(jī)組是油料管線輸送系統(tǒng)的重要裝備,是保證順利完成輸油任務(wù)的關(guān)鍵。通過運(yùn)行泵機(jī)組工況監(jiān)控系統(tǒng)能夠提高泵站輸油自動(dòng)控制能力,達(dá)到減輕工作強(qiáng)度、提高工作效率和安全性的目的,有效地提高管線輸油調(diào)度自動(dòng)化和可視化程度。本文介紹了以 CompactRIO技術(shù)為核心的泵機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)的研制。 1 CompactRIO技術(shù)簡介
 NI CompactRIO采用可重復(fù)配置 I/O FPGA技術(shù),具有開放式訪問底層硬件資源和自定義功能[1]。CompactRIO嵌入式系統(tǒng)包含一個(gè)實(shí)時(shí)的嵌入式處理器和一個(gè) 4槽或 8槽的可重復(fù)配置機(jī)箱,機(jī)箱包含一個(gè)用戶可編程的 FPGA和多個(gè)具有內(nèi)置信號調(diào)理的熱插拔工業(yè) I/O模塊,可直接連接至傳感器。應(yīng)用時(shí),編寫的下位機(jī) Labview FPGA程序下載到設(shè)備中的 FPGA芯片中, 程序的運(yùn)行是底層硬件并行處理的,保證了實(shí)時(shí)性 [2],控制器端 Labview RT程序與 FPGA端進(jìn)行內(nèi)部數(shù)據(jù)交互,可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制、采集、監(jiān)視功能。

 2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
根據(jù)輸油管線泵機(jī)組的實(shí)際情況,要求系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)泵機(jī)組現(xiàn)場及遠(yuǎn)程值班室兩級控制,如圖 1所示。在第一級泵機(jī)組現(xiàn)場實(shí)現(xiàn)信號采集、處理、事故報(bào)警、運(yùn)行保護(hù)控制功能;在第二級遠(yuǎn)程值班室實(shí)現(xiàn)工況顯示、遠(yuǎn)程報(bào)警、數(shù)據(jù)存儲、遠(yuǎn)程控制功能。
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2.2 硬件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)硬件主要由現(xiàn)場傳感器,數(shù)據(jù)采集控制單元,DC/DC電源模塊,執(zhí)行器,通信轉(zhuǎn)換模塊及其它附件模塊、線纜構(gòu)成,硬件原理框圖如圖 2所示。傳感器所采集信號轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)信號后輸出給數(shù)據(jù)采集控制單元,數(shù)據(jù)采集控制單元根據(jù)泵機(jī)組工況參數(shù)及實(shí)際工作情況以及所設(shè)計(jì)的控制程序?qū)⒖刂屏啃盘栞敵觥?nbsp;
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(1) 傳感器
輸油泵機(jī)組主要采集參數(shù):進(jìn)口壓力、出口壓力、流量、機(jī)油壓力、增速箱壓力、冷卻水溫度、燃油液位、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速以及進(jìn)口氣體信號,與所測參數(shù)對應(yīng)的測量元件-傳感器安裝在確定測點(diǎn)位置,傳感器類型主要有各類壓力、流量、溫度、轉(zhuǎn)速傳感器及物位開關(guān)。傳感器(除物位開關(guān)外)輸出標(biāo)準(zhǔn) 4~20mA電流信號,再通過調(diào)理板轉(zhuǎn)換為與數(shù)據(jù)采集控制單元 I/O匹配的 1~5V電壓信號。
(2) 數(shù)據(jù)采集控制單元
數(shù)據(jù)采集控制單元采用了以可重復(fù)配置FPGA為核心的NI CompactRIO模塊,具有25ns的定時(shí)/觸發(fā)分辨率能夠滿足精確實(shí)時(shí)控制要求,CompactRIO適應(yīng)溫度范圍為-40℃~70℃,承受 50g振動(dòng)沖擊力,國際安全、EMC和環(huán)境認(rèn)證,危險(xiǎn)環(huán)境等級為Ⅰ類 2區(qū),體積小巧堅(jiān)固,能夠滿足惡劣、危險(xiǎn)環(huán)境和較小空間中的測量控制要求[3]。
根據(jù)測試需求,系統(tǒng)以 cRIO-9004實(shí)時(shí)控制器和 3M門 cRIO-9103機(jī)箱為核心,依據(jù)與傳感器和機(jī)箱的匹配性,選用了以下 I/O模塊,輸入輸出框圖如圖 3所示:
①模擬輸入模塊,選用 cRIO-9201,8通道隔離同步采樣模擬輸入模塊;分辨率為 12位,測量電壓范圍±10V,最大采樣率 500kS/s,可完全滿足泵機(jī)組數(shù)據(jù)采集要求。
②數(shù)字輸入模塊,選用 cRIO-9421,8通道 24V隔離數(shù)字輸入模塊;用于檢測開關(guān)及其它一些開關(guān)量的狀態(tài)輸入。
③數(shù)字輸出模塊,選用 cRIO-9472,8通道 6~30VDC離散輸出模塊;主要功能是驅(qū)動(dòng)報(bào)警燈、離合器控制、故障急停、消防啟動(dòng)、自動(dòng)加油、發(fā)動(dòng)機(jī)升、降速及脫泵控制。

數(shù)據(jù)采集控制單元主要完成兩方面的功能:一是采集和控制,采集傳感器輸出信號進(jìn)行處理,并根據(jù)泵機(jī)組工況參數(shù)及實(shí)際工作情況以及所設(shè)計(jì)的控制程序通過執(zhí)行器完成相應(yīng)的動(dòng)作;二是遠(yuǎn)程通訊,通過模塊實(shí)時(shí)控制器上的以太網(wǎng)口與遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)連接,基于 TCP/IP協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。
(3)DC/DC模塊
泵機(jī)組設(shè)備啟動(dòng)時(shí)電瓶供電電壓不穩(wěn)、起伏大,為保證數(shù)采模塊的正常穩(wěn)定工作,采用DC/DC電源模塊,并且要求 DC/DC模塊輸入電壓范圍寬、輸出要非常穩(wěn)定、可靠。為此選用了 VicorDCDC電源模塊,該模塊輸入寬電壓 +18VDC至+36VDC,輸出穩(wěn)定 24VDC,Vicor模塊功耗低,效率高,性能穩(wěn)定[4]。

(4)執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要包括驅(qū)動(dòng)電路、各類繼電器及控制發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的步進(jìn)電機(jī)。
(5)通信轉(zhuǎn)換模塊

數(shù)據(jù)采集控制單元與遠(yuǎn)程值班室計(jì)算機(jī)之間采用光纖通信,它具有傳輸距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng)、防雷、防靜電等優(yōu)點(diǎn)。在數(shù)采單元端和計(jì)算機(jī)端各加一個(gè)以太網(wǎng)光纖轉(zhuǎn)換模塊,轉(zhuǎn)換為光信號鏈路傳輸。 
 
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2.3 軟件設(shè)計(jì)
2.3.1 軟件功能分析
軟件設(shè)計(jì)要求實(shí)現(xiàn)功能有:一是數(shù)據(jù)采集和處理功能;二是泵機(jī)組保護(hù)、控制功能,包含油泵進(jìn)、出口壓力超限報(bào)警和控制、發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水溫度的檢測和報(bào)警、發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油壓力的報(bào)警和檢測、發(fā)動(dòng)機(jī)燃油液位的報(bào)警和控制、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的報(bào)警和控制、增速箱報(bào)警和控制;三是遠(yuǎn)程監(jiān)控功能;四是運(yùn)行工況和事故分析功能,遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)自動(dòng)存儲泵機(jī)組工況參數(shù)于 Excel表中,為泵機(jī)組運(yùn)行工況及故障分析提供數(shù)據(jù)黑匣子。
2.3.2 編程軟件及功能模塊

輸油管線泵機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用最為注重的因素就是可靠性,除了硬件平臺的可靠性外,軟件平臺的可靠性也同樣重要。相比于普通的操作系統(tǒng)(如 Windows),實(shí)時(shí)系統(tǒng)能夠提供更佳的穩(wěn)定性和可靠性,更適合于可靠性要求高的嵌入式應(yīng)用[5]。同時(shí),Labview Real-time開發(fā)工具可以快速方便地開發(fā)此類實(shí)時(shí)系統(tǒng)應(yīng)用,能夠加速軟件的開發(fā)流程。因此,系統(tǒng)軟件采用圖形化編程語言 Labview,在 NI RIO驅(qū)動(dòng)支持下通過 Labview、Labview Real-time模塊和 Labview FPGA模塊對 compactRIO嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)。
研制開發(fā)的系統(tǒng)軟件包含初始化模塊、采樣模塊、信號處理模塊、工況顯示模塊、報(bào)警判斷模塊、泵機(jī)組保護(hù)控制模塊、復(fù)位模塊、存儲模塊、通信模塊。
2.3.3 前面板及框圖設(shè)計(jì)
 Labview使用圖形語言編程,界面形象直觀, Labview程序運(yùn)行以數(shù)據(jù)流方式執(zhí)行 [6],可實(shí)現(xiàn)程序高效并行處理。本系統(tǒng)軟件主界面包含工況數(shù)據(jù)顯示、報(bào)警指示、狀態(tài)指示,輸出控制。系統(tǒng)軟件界面見圖 4。系統(tǒng)軟件框圖按結(jié)構(gòu)分為 FPGA VI和 HOST  VI。FPGA程序是下載到 CompactRIO 模塊 FPGA芯片上的程序,主要實(shí)現(xiàn)對 CompactRIO模塊 I/O通道的采樣和輸出。HOST程序包含 RT控制器上的程序以及 Windows上的程序, RT上的程序主要實(shí)現(xiàn)與 FPGA的通訊、數(shù)據(jù)處理、工況顯示、報(bào)警判斷、控制保護(hù); Windows上的程序主要實(shí)現(xiàn)與 RT程序的通訊及數(shù)據(jù)的存儲。 
 
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2.3.5 優(yōu)化算法及控制策略
對于現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集,由于各類如電磁干擾、靜電干擾、共模干擾、差模干擾等的存在,原始采樣數(shù)據(jù)經(jīng)常會出現(xiàn)一些突變、壞點(diǎn)數(shù)據(jù),在對原始采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行利用前,進(jìn)行了軟件中值濾波算法對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,濾除干擾信號,并剔除壞點(diǎn)。
泵機(jī)組控制策略是基于壓力的自適應(yīng)控制方式,以泵進(jìn)口壓力保護(hù)為例,其控制流程如圖 5所示。 
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3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)研制成功后進(jìn)行了寒區(qū)管線系統(tǒng)試驗(yàn),結(jié)果表明,泵機(jī)組信息化改造的傳感器、數(shù)據(jù)采集單元、控制執(zhí)行單元、光纖網(wǎng)絡(luò)傳輸及計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng),低溫下工作正常,整個(gè)系統(tǒng)操作方便,泵機(jī)組調(diào)節(jié)、控制準(zhǔn)確、可靠。遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、動(dòng)態(tài)顯示、故障報(bào)警、遠(yuǎn)程控制功能,達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

 4 結(jié)束語
基于 CompactRIO技術(shù)的輸油泵機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng),集信號采集、信息分析、智能控制、動(dòng)態(tài)顯示于一體,具有高可靠性、高穩(wěn)定性、高性價(jià)比、現(xiàn)場布線簡單、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn),同樣也適用于現(xiàn)場惡劣環(huán)境下各類油料裝備的嵌入式控制和采集。

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