基于CompactRIO的泵機組監(jiān)控系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)
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0 前言
輸油管線泵機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的關(guān)鍵。通過運行泵機組工況監(jiān)控系統(tǒng)能夠提高泵站輸油自動控制能力，達到減輕工作強度、提高工作效率和安全性的目的，有效地提高管線輸油調(diào)度自動化和可視化程度。本文介紹了以 CompactRIO技術(shù)為核心的泵機組監(jiān)控系統(tǒng)的研制。 1 CompactRIO技術(shù)簡介
NI CompactRIO采用可重復配置 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)包含一個實時的嵌入式處理器和一個 4槽或 8槽的可重復配置機箱，機箱包含一個用戶可編程的 FPGA和多個具有內(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。應用時，編寫的下位機 Labview FPGA程序下載到設備中的 FPGA芯片中, 程序的運行是底層硬件并行處理的，保證了實時性 [2]，控制器端 Labview RT程序與 FPGA端進行內(nèi)部數(shù)據(jù)交互，可實現(xiàn)實時控制、采集、監(jiān)視功能。
2 系統(tǒng)設計
2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
根據(jù)輸油管線泵機組的實際情況，要求系統(tǒng)實現(xiàn)泵機組現(xiàn)場及遠程值班室兩級控制，如圖 1所示。在第一級泵機組現(xiàn)場實現(xiàn)信號采集、處理、事故報警、運行保護控制功能；在第二級遠程值班室實現(xiàn)工況顯示、遠程報警、數(shù)據(jù)存儲、遠程控制功能。
2.2 硬件設計
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)換為標準信號后輸出給數(shù)據(jù)采集控制單元，數(shù)據(jù)采集控制單元根據(jù)泵機組工況參數(shù)及實際工作情況以及所設計的控制程序?qū)⒖刂屏啃盘栞敵觥?br />
（1） 傳感器
輸油泵機組主要采集參數(shù)：進口壓力、出口壓力、流量、機油壓力、增速箱壓力、冷卻水溫度、燃油液位、發(fā)動機轉(zhuǎn)速以及進口氣體信號，與所測參數(shù)對應的測量元件-傳感器安裝在確定測點位置，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）輸出標準 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配置FPGA為核心的NI CompactRIO模塊，具有25ns的定時/觸發(fā)分辨率能夠滿足精確實時控制要求，CompactRIO適應溫度范圍為-40℃～70℃，承受 50g振動沖擊力，國際安全、EMC和環(huán)境認證，危險環(huán)境等級為Ⅰ類 2區(qū)，體積小巧堅固，能夠滿足惡劣、危險環(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實時控制器和 3M門 cRIO-9103機箱為核心，依據(jù)與傳感器和機箱的匹配性，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)動報警燈、離合器控制、故障急停、消防啟動、自動加油、發(fā)動機升、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行處理，并根據(jù)泵機組工況參數(shù)及實際工作情況以及所設計的控制程序通過執(zhí)行器完成相應的動作；二是遠程通訊，通過模塊實時控制器上的以太網(wǎng)口與遠程計算機連接，基于 TCP/IP協(xié)議進行數(shù)據(jù)通訊。
（3）DC/DC模塊
泵機組設備啟動時電瓶供電電壓不穩(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)行機構(gòu)執(zhí)行機構(gòu)主要包括驅(qū)動電路、各類繼電器及控制發(fā)動機轉(zhuǎn)速的步進電機。
（5）通信轉(zhuǎn)換模塊
數(shù)據(jù)采集控制單元與遠程值班室計算機之間采用光纖通信，它具有傳輸距離遠、抗干擾能力強、防雷、防靜電等優(yōu)點。在數(shù)采單元端和計算機端各加一個以太網(wǎng)光纖轉(zhuǎn)換模塊，轉(zhuǎn)換為光信號鏈路傳輸。
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