基于CompactRIO的泵機組監控系統的設計與實(shí)現

2.2 硬件設計
系統硬件主要由現場(chǎng)傳感器，數據采集控制單元，DC/DC電源模塊，執行器，通信轉換模塊及其它附件模塊、線(xiàn)纜構成，硬件原理框圖如圖 2所示。傳感器所采集信號轉換為標準信號后輸出給數據采集控制單元，數據采集控制單元根據泵機組工況參數及實(shí)際工作情況以及所設計的控制程序將控制量信號輸出。

（1） 傳感器
輸油泵機組主要采集參數：進(jìn)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(dòng)機轉速以及進(jìn)口氣體信號，與所測參數對應的測量元件-傳感器安裝在確定測點(diǎn)位置，傳感器類(lèi)型主要有各類(lèi)壓力、流量、溫度、轉速傳感器及物位開(kāi)關(guān)。傳感器（除物位開(kāi)關(guān)外）輸出標準 4～20mA電流信號，再通過(guò)調理板轉換為與數據采集控制單元 I/O匹配的 1～5V電壓信號。
（2） 數據采集控制單元
數據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(shí)/觸發(fā)分辨率能夠滿(mǎn)足精確實(shí)時(shí)控制要求，CompactRIO適應溫度范圍為-40℃～70℃，承受 50g振動(dòng)沖擊力，國際安全、EMC和環(huán)境認證，危險環(huán)境等級為Ⅰ類(lèi) 2區，體積小巧堅固，能夠滿(mǎn)足惡劣、危險環(huán)境和較小空間中的測量控制要求[3]。
根據測試需求，系統以 cRIO-9004實(shí)時(shí)控制器和 3M門(mén) cRIO-9103機箱為核心，依據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(mǎn)足泵機組數據采集要求。
②數字輸入模塊，選用 cRIO-9421，8通道 24V隔離數字輸入模塊；用于檢測開(kāi)關(guān)及其它一些開(kāi)關(guān)量的狀態(tài)輸入。
③數字輸出模塊，選用 cRIO-9472，8通道 6～30VDC離散輸出模塊；主要功能是驅動(dòng)報警燈、離合器控制、故障急停、消防啟動(dòng)、自動(dòng)加油、發(fā)動(dòng)機升、降速及脫泵控制。

數據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，并根據泵機組工況參數及實(shí)際工作情況以及所設計的控制程序通過(guò)執行器完成相應的動(dòng)作；二是遠程通訊，通過(guò)模塊實(shí)時(shí)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(jìn)行數據通訊。
（3）DC/DC模塊
泵機組設備啟動(dòng)時(shí)電瓶供電電壓不穩、起伏大，為保證數采模塊的正常穩定工作，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，輸出穩定 24VDC，Vicor模塊功耗低，效率高，性能穩定[4]。

（4）執行機構執行機構主要包括驅動(dòng)電路、各類(lèi)繼電器及控制發(fā)動(dòng)機轉速的步進(jìn)電機。
（5）通信轉換模塊

數據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(diǎn)。在數采單元端和計算機端各加一個(gè)以太網(wǎng)光纖轉換模塊，轉換為光信號鏈路傳輸。