基于NI PXI Express平臺(tái)的石油管復(fù)合擠毀試驗(yàn)機(jī)控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)搭建

　　如上所述，控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)需要同時(shí)具備模擬量輸入和輸出(AI和AO)、數(shù)字量輸入和輸出(DI和DO)以及多物理量數(shù)據(jù)采集通道。復(fù)合擠毀試驗(yàn)載荷大、壓力高，試驗(yàn)危險(xiǎn)性強(qiáng)，要求控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)安裝位置盡量遠(yuǎn)離危險(xiǎn)源且工作穩(wěn)定性高。

　　考慮到上述因素，在系統(tǒng)搭建中采用基于NI PXI-E平臺(tái)的集中式控制與數(shù)據(jù)采集方式。將控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的所有硬件安裝在一臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)主控制柜中?？刂乒裎挥谠囼?yàn)地坑角落中，距離試樣8米左右。主控制柜中的PXIe-1082 8槽3U機(jī)箱通過PXIe-8375x4和PCIe-8375x4 MIX卡連接30米光纖與控制室內(nèi)的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)通訊，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控。這種架構(gòu)方式有以下三個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

　　(1)試驗(yàn)過程中人員安全性高。試驗(yàn)中操作人員處于控制室中，與試樣直線距離超過20米。

　　(2)保證系統(tǒng)硬件安全?？刂婆c數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的所有硬件安裝在現(xiàn)場(chǎng)主控制柜中。與分布式控制與數(shù)據(jù)采集方式相比，雖然增加了主控制柜內(nèi)接線工作量，但減少了軟件接口，同時(shí)降低了因執(zhí)行機(jī)構(gòu)失控造成系統(tǒng)硬件損壞的概率。

　　(3)數(shù)據(jù)穩(wěn)定性提高。試驗(yàn)中多數(shù)傳感器安裝在試樣上，如果數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)距離試樣太遠(yuǎn)，傳感器連接導(dǎo)線過長(zhǎng)，干擾和噪音會(huì)影響信號(hào)質(zhì)量。特別是試驗(yàn)機(jī)液壓油源中配有大功率電機(jī)和變頻器，多個(gè)傳感器反饋信號(hào)為毫伏級(jí)電壓，更會(huì)加劇長(zhǎng)導(dǎo)線的影響。因此，主控制柜必須放置在試驗(yàn)地坑中而不是控制室內(nèi)。而主控制柜中的PXIe機(jī)箱通過MIX通訊卡和光纖與控制室內(nèi)的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)連接，數(shù)據(jù)傳輸速度快且穩(wěn)定性高。

　　除去上述優(yōu)點(diǎn)，這種架構(gòu)方式唯一需要注意的是MIX通訊卡與工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的兼容性。

　　板卡選擇中，僅選用以下4種6塊板卡即可滿足系統(tǒng)控制和數(shù)據(jù)采集通道需求：

　　PXIe-6363 X系列多功能卡1塊。這塊板卡功能強(qiáng)大，帶有32路正負(fù)10 伏模擬輸入，4路正負(fù)10伏模擬輸出，48路5伏數(shù)字I/O和4路32位計(jì)數(shù)器。系統(tǒng)中使用正負(fù)10伏模擬輸入功能接入所有執(zhí)行子系統(tǒng)監(jiān)控傳感器信號(hào)，使用正負(fù)10伏模擬輸出控制液壓油源、高壓水加壓泵站和高壓氣加壓泵站中的氣控調(diào)壓閥等執(zhí)行元件。5伏數(shù)字I/O和32位計(jì)數(shù)器功能未使用。

　　PXI-6515數(shù)字I/O卡1塊。這是一塊32通道24伏工業(yè)數(shù)字I/O卡，它的數(shù)字輸出功能用來控制所有中間繼電器通斷，根據(jù)試驗(yàn)步驟開啟或關(guān)閉電機(jī)、泵及所有閥件;數(shù)字輸入功能收集油濾、緊急停止按鈕的狀態(tài)信號(hào)。

　　PXIe-4330應(yīng)變與橋路傳感器數(shù)據(jù)采集卡3塊。該數(shù)據(jù)采集卡集傳感器供電與信號(hào)調(diào)理、采集于一體，能為傳感器提供0.625伏到10伏的供電。這一供電范圍涵蓋了應(yīng)變采集常用的2伏和3.3伏以及高精度壓力傳感器常用的10伏，使系統(tǒng)無須再為傳感器另配線性電源。3塊采集卡中的1塊8個(gè)通道用來采集液壓缸兩腔壓力和試樣內(nèi)壓及外壓，同時(shí)為外接位移傳感器和力傳感器預(yù)留通道。剩余2塊采集卡實(shí)現(xiàn)16通道1/4橋應(yīng)變高速同步采集(采樣頻率最高達(dá)25kHz)。

　　PXIe-4353熱電偶數(shù)據(jù)采集卡1塊。這塊采集卡含有32個(gè)采集通道，其中8個(gè)通道內(nèi)置冷端補(bǔ)償。采集卡支持J、K、T、E、N、B、R和S共8個(gè)類型的熱電偶，涵蓋了石油管試驗(yàn)中常用的J、K兩種類型熱電偶。試驗(yàn)中試樣溫度變化較慢，因此最高90Hz的采樣頻率也足以滿足使用需求。

　　四、軟件實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)場(chǎng)成果

　　軟件編寫中，充分利用了LabVIEW 2011 軟件開發(fā)平臺(tái)的并行處理特長(zhǎng)，令以下三個(gè)循環(huán)同時(shí)運(yùn)行：

　　(1)液壓油源、高壓水加壓泵站、高壓氣加壓泵站控制與多物理量數(shù)據(jù)采集循環(huán);
　　(2)前面板操作響應(yīng)循環(huán);
　　(3)界面顯示與刷新循環(huán);
　　軟件源代碼如圖3所示?！　?/p>

 

　　其中，液壓油源、高壓水加壓泵站、高壓氣加壓泵站的控制程序同樣并行運(yùn)行，保證執(zhí)行機(jī)構(gòu)能夠同時(shí)給試樣施加軸向載荷、側(cè)向彎曲以及內(nèi)壓和外壓。

　　軟件主界面如圖4所示。進(jìn)入軟件主界面后，系統(tǒng)自動(dòng)檢測(cè)板卡狀態(tài)。這部分功能利用板卡驅(qū)動(dòng)編寫。如果板卡狀態(tài)異常則鎖定界面，使后續(xù)操作無法完成，保證試驗(yàn)安全?！　?/p>