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福彩山西快乐十分走势: 基于虛擬儀器的高溫回路計算機測控系統

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瀏覽 次【字號 】 發布時間:2012-6-27 打印本頁

山西快乐十分前三预测 www.cxclik.com.cn 梁  穎
(四川大學電氣信息學院,四川 成都 610065)
匡 順 蘭
(成都華太數采測控技術有限公司,四川 成都 611731)

摘要:文章介紹了一個基于虛擬儀器的計算機高溫測控系統的研發與設計,該測控系統能夠長時間模擬核反應堆的高溫高壓運行環境,科研人員可在此環境中進行堆內結構材料有關性能的實驗。在設計和開發過程中利用虛擬儀器技術,使該系統具有開放性、??榛?、靈活性等特點,和強大的性能價格比優勢并且能夠對突發事件進行實時處理,具有高可靠性。
關鍵詞:虛擬儀器; LabWindows/CVI; PID控制 
  Computer Measuring and Control System to High Temperature Loop Based on Virtual Instrument
 Technology
                       Liang Ying 
(School of Electric and Info, Sichuan University, Chengdu 610065,China)
Abstract:The development and design of a computer measuring and control system based on 
Virtual Instrument has been introduced in this paper. The system can long time simulate
 high pressure and high
 temperature run conditions of nuclear reactor. Scientific researchers can do experiments
 to test performances of s
tructures and materials which are inner reactor. Designing and developing the system by
 a whole new concept–VI makes it has many advantages such as opening, modularity, flexibility and high ratio 
of capability to price and can 
carry out real-time processing, which makes it has high reliability.
Keywords: Virtual Instrument; LabWindows/CVI; PID control

一、前言
隨著我國經濟迅猛發展,能源供應相對緊張與社會巨大需求形成了矛盾,在電力供應方面表現的尤為突出?;鵒Ψ⒌緋殺靖?,污染嚴重,水力發電受到季節影響,在這種情況下,核動力發電的優勢就突顯出來。核電站是利用一座或若干座動力反應堆所產生的熱能來發電或發電兼供熱的動力設施。反應堆是核電站的關鍵設備。安全是核電站首要問題,為了讓核電站能安全穩定的運行,必須對反應堆內結構材料性能進行研究。在這種情況下需要有一套測控系統為研究提供穩定的高溫高壓的模擬反應堆實驗環境,以此來進行有關的材料實驗。
該測控系統性能要求非常高,傳統的設備和方法是難以滿足。因此,在系統開發中引入了虛擬儀器Virtual Instruments(簡稱VI)技術。在上個世紀八十年代末National Instrument公司率先提出了虛擬儀器技術,它充分利用計算機資源,配以獨特設計的軟硬件,實現以硬件為主的傳統儀器的全部功能以及一些在傳統儀器上無法實現的功能。在虛擬儀器中軟件占有主導地位,即“軟件就是儀器”。虛擬儀器不僅功能多樣、測量準確,具有高度的靈活性,而且界面友好、操作簡易,系統集成高效快捷?;諦檳庖瞧韉募撲慊飪叵低塵褪塹繾蛹撲慊際?、虛擬儀器技術、電子測量技術和自動控制理論有機結合的產物。

二、測控系統設計分析
1、系統簡介
  該系統模擬了核反應堆高溫高壓的運行環境(溫度300度, 壓力10-15MPa), 在此環境中可以進行堆內結構材料有關性能的實驗。主要實驗過程是用特殊鋼材建成一個回路臺架,鋼材外面包裹著一層厚厚的隔熱材料,臺架內注入大量的去離子水。在回路周圍有數臺可調式大功率加熱器,整個回路密閉性非常好,回路中有循環泵, 它可以使臺架中的去離子水循環流動。在回路中有一個穩壓器,它可以維持和調節10-20Mpa的壓力。
整個測控系統的設計運用了虛擬儀器的技術。虛擬儀器主要由計算機、硬件、軟件組成,其本質就是在硬件基礎上配以功能強大的應用軟件,實現各種復雜的測試任務。利用計算機不僅可以組建成為靈活的虛擬儀器,還可以通過各種不同的接口總線,組建不同規模的測試系統。
系統研發和設計采用了National Instrument公司的Labwindows/CVI6.0的集成開發環境,Labwindows/CVI6.0以ANSI C語言為編程語言,它提供了圖形化的編程環境,其特點是具有簡單直觀的編程方式、眾多源碼級的設備驅動程序、豐富實用的分析表達功能和支持功能,能快速地構建測量儀器系統,提高效率,縮短開發周期。 由于該系統是為核堆實驗設計的,所以對整個系統的可靠性、精確度等方面都有嚴格的要求,尤其把可靠性放在了第一位。
2、基本功能
  測控系統的基本功能就是利用電子計算機和電子測量、自動控制以及虛擬儀器技術來組建一個高溫回路計算機測控系統,為實驗人員提供一個可靠的高溫實驗運行環境。實驗人員可根據需要隨時通過計算機修改有關實驗參數;實時觀察各個測控點的情況;瀏覽歷史的實驗數據;可以在回路示意圖上方便查看測點的運行情況。同時,實驗的有關數據應通過網絡通訊傳輸到指揮中心。一旦出現異常情況,系統應該立刻做出反應,根據預設的程序采取措施,并利用計算機進行聲光報警,提示實驗人員。界面簡潔、直觀、生動。
3、設計原則
3.1 穩定可靠
  穩定可靠是首要條件,因為只有穩定可靠的實驗環境,才能保證系統長時間無故障運行,實驗數據才有意義。且實驗是為核反應堆設計的,在這一領域更不能有絲毫的安全問題,否則后果不堪設想。
3.2 精度要求高
實驗測量和控制精度要求高,例如溫度值,在接近300度的高溫下,控制精度在±0.5度范圍內。這樣在硬件的選用上和軟件設計上都有很高的技術要求。
3.3 實時性
   實驗始終都是高溫高壓環境下運行的,實驗現場的情況瞬息萬變,各項參數都必須進行24小時連續跟蹤觀察以供實驗人員充分全面掌握實驗情況,根據需要隨時做出調整。一旦出現意外情況,應及時采取必要的措施。
3.4 實用性
  實用性是衡量測控系統的重要指標。一個系統無論設計指標如何高,硬件選擇如何好,投入如何高,如果操作復雜,使用麻煩,就很難被用戶所接受,也不利于系統的進一步推廣。引入虛擬儀器技術很好的解決了這一問題。
3.5 標準化
  系統在電路設計和軟件開發等方面都符合國家標準。標準化設計可以提高系統的性能指標,為日后系統的擴展和維護提供了有力保證。 
3.6 可維護性
  測控系統要求連續運行,中斷時間不能超過2小時,否則實驗必須重新開始,所以系統的可維護性顯得尤為重要。無論是硬件還是軟件系統,都采用了??榛杓品椒?。一旦出現意外情況,可以保證在2個小時內找出問題并解決。
3.7 經濟性
在保證上述系統設計原則基礎上,在保證質量的前提下,硬件選擇上,都盡量挑選性價比最高的產品。
3.8 遠程通訊
實驗數據必須傳送到距離現?。常擔骯锏鬧富又行?,所以設計系統時就要考慮到通訊問題,必須保證數據的正確性和實時性。
 4、開發環境
測控系統所用的軟件??槭竊赪indows2000操作系統下用NI(National Instruments)公司LabWindows/CVI 6.0開發出來的。LabWindows/CVI簡單易學,功能強大,是NI公司為開發儀器控制領域度身定造的開發工具。它是一種可視化、結構化并且采用事件驅動方式的高級儀器程序開發工具,采用事件驅動編程機制,提供新穎易用的可視化編程環境,其最大的特點就是支持虛擬儀器這一新技術,能快速、高效開發出Windows環境下的圖形界面豐富的應用軟件系統,功能十分強大。
三、測控系統的實現
1、測試系統構成圖 
                       圖1 測試系統構成圖
2、系統結構功能圖 
                          圖2 系統結構功能圖
3、系統功能??榻檣薌捌涫迪?/strong>
    系統共分為十個功能???,它們分別是主控???、公共數據區???、系統自檢???、信號采集???、數據曲線顯示???、PID溫度控制???、報警控制???、數據分析處理???、硬件驅動???、遠程通訊???。下面就分別介紹這十個功能???。
3.1 主控???
負責對整個測控系統的控制、調度,完成對整個系統初始化、結束及各功能??櫓淶那謝還δ?。它是整個軟件的核心???,各個功能??槎紀ü吹鞫卻傭VふT誦?。對它的要求是必須及時、準確的對相應??榻械饔煤屯順?。正因為上述原因,在軟件設計上主控??榘母鯰imer控件。它們分別是巡檢Timer、記錄運行時間Timer、數據存盤Timer、閑散Timer。
.巡檢Timer :它調用PLoopUpdate函數,該函數屬于報警控制???,每執行一次都會對各測控點進行數據采集,并根據采集的數據進行判斷,做出相應動作。同時,因為它的時間間隔最短,所以在函數中也調用PID實時控制和面板刷新等???。巡檢Timer實質上是在調度報警控制??楹徒惺凳筆菟⑿?、PID控制。
.記錄運行時間Timer :它調用LTimerUpdate函數,該函數記錄整個測控系統有效運行時間。當回路的溫度值達到設定值時就可以累計為系統有效運行時間。當時間達到設定值時(通常為3000小時以上),實驗結束。
.數據存盤Timer :它調用LSaveTimer函數,它的主要任務是定時對各個測點的采集值進行存盤記錄,實驗人員能隨時瀏覽當前和歷史數據,這樣可以對整個實驗進行正確的評估。
.閑散Timer:它調用LProcLoop函數,該函數中調用了兩個子函數LCommCenter和LGraphUpdate。LCommCenter屬于遠程通訊???,它主要負責保持與指揮中心的通訊。LGraphUpdate用于刷新示意圖中的動畫設計。
3.2 公共數據區???/strong>
      各個功能??樾枰墓檬鶯筒問紀ü彩萸?榻寫嬡『屯ㄐ?。公用數據和參數主要包括各個測點的采集值、設定值、測點警報狀態、達標時間等的存取。
3.3 系統自檢???
      對系統中使用的硬件和軟件進行檢測,檢測結束后如果有異常情況將進行報警并出錯誤報表。系統自檢分為自動和手動,在自動狀態下,如果發現問題,系統自動進入提示界面并進入自檢錯誤處理程序,測控系統將不繼續運行,直到自檢正常后才繼續運行。在手動狀態下,由實驗人員在系統的提示下對指定的設備進行檢測。每次進入系統時將自動調用自檢???,且為自動狀態。
3.4 信號采集???/strong>
      采集各個測控點的信號,進行A/D轉換。它是一個基礎功能???,測控系統能否達到設計要求,信號采集是否正確是一個關鍵。
      系統中共有22個測控點,其中有10路是通過溫度控制器SR93進行采集,在每一個SR93上都有RS232C,通過計算機對其發出字符串指令,可以讀取相應測點的溫度值。其對應的函數是
      int SORSR93_Read(int Address, double *value);
      參數Address表示所選的SR93地址,10個SR93是通過不同的編址來進行區分的,它們地址分別為0-9。通過地址就可以確定相應的溫度測點,參數value是一個double指針,采集值就放在它的地址里。
     共有12路信號都是通過傳感器經采集卡A/D轉換后取得,其對應的函數是
int SORA826_Sample(int ch,double *value);
參數ch是表示所選取的通道,一個通道對應一個測點,參數value是一個double指針,采集值就放在它的地址里。
3.5數據曲線顯示???/strong>
      在主控??櫓忻看窩布霻imer調用完后,都要對數據曲線進行更新。數據曲線顯示??櫚鬧饕δ芫褪塹毖布霻imer調用完后,從公共數據區??槎臉齦鞲霾飪氐愕牟杉薟⑾允駒詡嗍詠緱嬪?。數據曲線顯示窗口上除了顯示當前的數據,還分別用不同顏色的直線顯示出該測控點正常的波動范圍,一旦采集值不在正常波動范圍內,窗口上將用醒目的紅色曲線顯示,如果在正常范圍,將用綠色曲線顯示。數據曲線顯示窗口在顯示曲線的同時還將采集值的數據以數字的形式顯示在界面上。通過數據曲線顯示??榭梢遠悅懇豢剎獾憬腥談偌嗍?。
3.6 PID溫度控制???/strong>
    PID控制是歷史最久、生命力最強的基本控制方式,PID控制具有以下優點:原理簡單,使用方便;適應性強、應用廣泛;魯棒性強。連續系統PID調節器為對誤差的比例、積分和微分控制,即:      (1)
在計算機控制系統中使用的是PID數字調節器,就是對式(1)離散化。工業上常用的是PID增量式控制算法:
     (2)
式中:Ti、Td分別為積分和微分時間常數;Kp、Ki、Kd分別為比例系數、積分系數、微分系數。
PID控制最為重要的就是設定正確的控制參數,而參數整定是PID控制中的一個難題。該控制中最主要的三個常數是增益系數Kp,積分時間常數Ti,微分時間常數Td。這三個常數值的大小取決于控制對象的動態特性,過大和過小都將使輸出變量產生振蕩 。對于溫度控制系統而言,由于系統響應時間較長,信號變化緩慢,合理的設置PID控制的比例系數、微積分時間常數和控制的循環時間常數是系統控制成敗的關鍵。
測控系統中選用的是日本SHIMADEN 公司的新技術產品SR93型溫度控制器,精度為± 0.3%FS+1,顯示周期每秒4次,采用兩組獨立的PID參數并可自整定控制參數,功能完善。這樣節省了大量的整定時間和人力,效果非常好,同時SR93A支持RS232C串行通訊,可以很方便地與計算機實現通訊。通過調節SR93各項參數,使10個溫度控制點達到設定的溫度。正因為SR93卓越的功能,PID控制的工程難題就迎刃而解。系統穩定運行時,只需調整SR93輸出上下限即可。
3.7報警控制???/strong>
               根據讀取公共數據區中的信號采集值和事先設計的報警條件表,進行及時、準確的判斷,并以此為條件進行聲光報警和做出相應?;ご朧?。報警控制??楦薟杉?,對照報警條件表,及時做出判斷。報警控制??槭遣飪叵低持械囊桓鏨窬惺?。
    報警控制??櫓瀉誦暮荘LoopUpdate,它主要包括判斷過程,根據采集值進行判斷。如果測點處于正常狀態,則通過LSetAlarm函數設定報警狀態為ALARM_OFF,反之,如果測點處于報警狀態,則通過LSetAlarm函數設定狀態為ALARM_ON,并調用相應函數關閉相關繼電器,采取應急措施,同時進行場聲光報警,進行警報提示。
PLoopUpdate函數另外的任務是通過調用LMonitorUpdate和LMapUpdate函數進行巡檢、界面的刷新。LMonitorUpdate主要是用于定時巡檢各個測點,其中包括PID控制參數的檢查,如果PID參數有變化,也是通過它傳遞給SR93。LMapUpdate主要是根據各個測點的警報狀態,對示意圖上測點控件進行更新。
3.8數據分析處理???/strong>
對采集數據進行分析,并對各個測控點的值進行連續跟蹤記錄,隨時供實驗人員查詢。因為實驗中各項測點的狀態值是評估實驗是否達標的一個重要憑據,所以各個測點的測量值必須進行準確的記錄。這樣實驗人員也可以根據數據及時對實驗進行調整。
數據記錄是通過調用函數LSaveTimer實現的。因為溫度的變化是一個緩慢的過程,所以數據存盤Timer的時間設為200秒。每次實驗開始時,必須指定一個文件用以記錄實驗數據。文件中采用樹狀分表結構可以很快尋找到相關數據的記錄位置,方便數據讀取。
3.9遠程通訊???/strong>
     系統實現遠程通訊(350公里),及時把實驗數據以及工況環境參數傳輸到指揮中心。該??櫚鬧饕撾袷前嚴殖「饗釷菁笆鋇拇偷驕嗬朧笛橄殖?50公里外的指揮中心。它通過ADSL發送當前的實驗數據或歷史實驗數據。
3.10硬件驅動???/strong>
 提供硬件驅動程序,并對硬件進行初始化自檢。驅動程序是否正確直接關系到采集的數據是否正確以及控制是否準確。測控系統所用的硬件包括傳感器、采集板卡、工控主機、繼電器板卡、溫度控制器SR93、伺服電機、可控硅等。廠家都提供了它們的驅動程序(以DLL動態連接庫的形式),在Labwindows/CVI6.0下可以調用這些DLL進行系統集成。
四、結束語
   基于虛擬儀器的高溫回路計算機測控系統是一個集虛擬儀器技術、計算機技術、控制技術、通訊技術等高科技于一體的高科技成果。該系統投入實際運行,連續工作5000小時無故障,而且各個溫度測點的控制始終保持在設定范圍內,大大提高了測量和控制精度,各項指標也完全符合實驗要求。虛擬儀器技術對測控領域的發展有著巨大的推動作用,它的應用前景十分廣闊。
參考文獻:
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[2]任清珍,張錚,黃天戌. 虛擬儀器在測控系統中的應用 [J].現代計算機,2000.
[3]何克忠,李偉.計算機控制系統[M].北京:清華大學出版社,1998.
[4]金以慧.過程控制[M].北京:清華大學出版社,1998.


第一作者    第二作者    聯系地址    郵編    省市    電話    E-mail    稿件名稱
梁穎        成都航空職業技術學院電子工程系    610021    四川成都    1355114109213194878199    [email protected]@sina.com    基于虛擬儀器的高溫回路計算機測控系統
    匡順蘭    成都華太數采測控技術有限公司    611731    四川成都    028-87848716    [email protected]   
作者簡介:
梁穎(1974-),女,江西南康人,四川大學電氣信息學院在讀研究生。

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