基于CompactRIO的泵机组监控系统的设计与实现

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0 前言输油管线泵机组是油料管线输送系统的重要装备，是保证顺利完成输油任务的关键。通过运行泵机组工况监控系统能够提高泵站输油自动控制能力，达到减轻工作强度、提高工作效率和安全性的目的，有效地提高管线输油调度自动化和可视化程度。本文介绍了以 CompactRIO技术为核心的泵机组监控系统的研制。 1 CompactRIO技术简介 NI CompactRIO采用可重复配置 I/O FPGA技术，具有开放式访问底层硬件资源和自定义功能[1]。CompactRIO嵌入式系统包含一个实时的嵌入式处理器和一个 4槽或 8槽的可重复配置机箱，机箱包含一个用户可编程的 FPGA和多个具有内置信号调理的热插拔工业 I/O模块，可直接连接至传感器。应用时，编写的下位机 Labview FPGA程序下载到设备中的 FPGA芯片中, 程序的运行是底层硬件并行处理的，保证了实时性 [2]，控制器端 Labview RT程序与 FPGA端进行内部数据交互，可实现实时控制、采集、监视功能。 2 系统设计 2.1 系统结构根据输油管线泵机组的实际情况，要求系统实现泵机组现场及远程值班室两级控制，如图 1所示。在第一级泵机组现场实现信号采集、处理、事故报警、运行保护控制功能；在第二级远程值班室实现工况显示、远程报警、数据存储、远程控制功能。

2.2 硬件设计系统硬件主要由现场传感器，数据采集控制单元，DC/DC电源模块，执行器，通信转换模块及其它附件模块、线缆构成，硬件原理框图如图 2所示。传感器所采集信号转换为标准信号后输出给数据采集控制单元，数据采集控制单元根据泵机组工况参数及实际工作情况以及所设计的控制程序将控制量信号输出。  

（1） 传感器输油泵机组主要采集参数：进口压力、出口压力、流量、机油压力、增速箱压力、冷却水温度、燃油液位、发动机转速以及进口气体信号，与所测参数对应的测量元件-传感器安装在确定测点位置，传感器类型主要有各类压力、流量、温度、转速传感器及物位开关。传感器（除物位开关外）输出标准 4～20mA电流信号，再通过调理板转换为与数据采集控制单元 I/O匹配的 1～5V电压信号。 （2） 数据采集控制单元数据采集控制单元采用了以可重复配置FPGA为核心的NI CompactRIO模块，具有25ns的定时/触发分辨率能够满足精确实时控制要求，CompactRIO适应温度范围为-40℃～70℃，承受 50g振动冲击力，国际安全、EMC和环境认证，危险环境等级为Ⅰ类 2区，体积小巧坚固，能够满足恶劣、危险环境和较小空间中的测量控制要求[3]。根据测试需求，系统以 cRIO-9004实时控制器和 3M门 cRIO-9103机箱为核心，依据与传感器和机箱的匹配性，选用了以下 I/O模块，输入输出框图如图 3所示：①模拟输入模块，选用 cRIO-9201，8通道隔离同步采样模拟输入模块；分辨率为 12位，测量电压范围±10V，最大采样率 500kS/s，可完全满足泵机组数据采集要求。②数字输入模块，选用 cRIO-9421，8通道 24V隔离数字输入模块；用于检测开关及其它一些开关量的状态输入。③数字输出模块，选用 cRIO-9472，8通道 6～30VDC离散输出模块；主要功能是驱动报警灯、离合器控制、故障急停、消防启动、自动加油、发动机升、降速及脱泵控制。数据采集控制单元主要完成两方面的功能：一是采集和控制，采集传感器输出信号进行处理，并根据泵机组工况参数及实际工作情况以及所设计的控制程序通过执行器完成相应的动作；二是远程通讯，通过模块实时控制器上的以太网口与远程计算机连接，基于 TCP/IP协议进行数据通讯。（3）DC/DC模块 泵机组设备启动时电瓶供电电压不稳、起伏大，为保证数采模块的正常稳定工作，采用DC/DC电源模块，并且要求 DC/DC模块输入电压范围宽、输出要非常稳定、可靠。为此选用了 VicorDCDC电源模块，该模块输入宽电压 +18VDC至+36VDC，输出稳定 24VDC，Vicor模块功耗低，效率高，性能稳定[4]。（4）执行机构执行机构主要包括驱动电路、各类继电器及控制发动机转速的步进电机。（5）通信转换模块数据采集控制单元与远程值班室计算机之间采用光纤通信，它具有传输距离远、抗干扰能力强、防雷、防静电等优点。在数采单元端和计算机端各加一个以太网光纤转换模块，转换为光信号链路传输。
                          
                       
                          
                                 

2.3 软件设计 2.3.1 软件功能分析软件设计要求实现功能有：一是数据采集和处理功能；二是泵机组保护、控制功能，包含油泵进、出口压力超限报警和控制、发动机冷却水温度的检测和报警、发动机机油压力的报警和检测、发动机燃油液位的报警和控制、发动机转速的报警和控制、增速箱报警和控制；三是远程监控功能；四是运行工况和事故分析功能，远程计算机自动存储泵机组工况参数于 Excel表中，为泵机组运行工况及故障分析提供数据黑匣子。 2.3.2 编程软件及功能模块输油管线泵机组监控系统应用最为注重的因素就是可靠性，除了硬件平台的可靠性外，软件平台的可靠性也同样重要。相比于普通的操作系统（如 Windows）,实时系统能够提供更佳的稳定性和可靠性，更适合于可靠性要求高的嵌入式应用[5]。同时，Labview Real-time开发工具可以快速方便地开发此类实时系统应用，能够加速软件的开发流程。因此，系统软件采用图形化编程语言 Labview，在 NI RIO驱动支持下通过 Labview、Labview Real-time模块和 Labview FPGA模块对 compactRIO嵌入式系统进行开发。研制开发的系统软件包含初始化模块、采样模块、信号处理模块、工况显示模块、报警判断模块、泵机组保护控制模块、复位模块、存储模块、通信模块。 2.3.3 前面板及框图设计 Labview使用图形语言编程，界面形象直观， Labview程序运行以数据流方式执行 [6]，可实现程序高效并行处理。本系统软件主界面包含工况数据显示、报警指示、状态指示，输出控制。系统软件界面见图 4。系统软件框图按结构分为 FPGA VI和 HOST  VI。FPGA程序是下载到 CompactRIO 模块 FPGA芯片上的程序，主要实现对 CompactRIO模块 I/O通道的采样和输出。HOST程序包含 RT控制器上的程序以及 Windows上的程序， RT上的程序主要实现与 FPGA的通讯、数据处理、工况显示、报警判断、控制保护； Windows上的程序主要实现与 RT程序的通讯及数据的存储。  

2.3.5 优化算法及控制策略对于现场数据采集，由于各类如电磁干扰、静电干扰、共模干扰、差模干扰等的存在，原始采样数据经常会出现一些突变、坏点数据，在对原始采样数据进行利用前，进行了软件中值滤波算法对采样数据进行处理，滤除干扰信号，并剔除坏点。泵机组控制策略是基于压力的自适应控制方式，以泵进口压力保护为例，其控制流程如图 5所示。  

3 系统实现该系统研制成功后进行了寒区管线系统试验，结果表明，泵机组信息化改造的传感器、数据采集单元、控制执行单元、光纤网络传输及计算机远程监控系统，低温下工作正常，整个系统操作方便，泵机组调节、控制准确、可靠。远程监控系统实现了数据采集、动态显示、故障报警、远程控制功能，达到了预期目标。 4 结束语基于 CompactRIO技术的输油泵机组监控系统，集信号采集、信息分析、智能控制、动态显示于一体，具有高可靠性、高稳定性、高性价比、现场布线简单、环境适应性强的特点，同样也适用于现场恶劣环境下各类油料装备的嵌入式控制和采集。