基于NI PXI Express平臺的石油管復合擠毀試驗機控制與數據采集系統搭建

　　如上所述，控制與數據采集系統需要同時具備模擬量輸入和輸出(AI和AO)、數字量輸入和輸出(DI和DO)以及多物理量數據采集通道。復合擠毀試驗載荷大、壓力高，試驗危險性強，要求控制與數據采集系統安裝位置盡量遠離危險源且工作穩定性高。

　　考慮到上述因素，在系統搭建中采用基于NI PXI-E平臺的集中式控制與數據采集方式。將控制與數據采集系統的所有硬件安裝在一臺現場主控制柜中。控制柜位于試驗地坑角落中，距離試樣8米左右。主控制柜中的PXIe-1082 8槽3U機箱通過PXIe-8375x4和PCIe-8375x4 MIX卡連接30米光纖與控制室內的工業控制計算機通訊，實現遠程操控。這種架構方式有以下三個優點：

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

　　(2)保證系統硬件安全。控制與數據采集系統的所有硬件安裝在現場主控制柜中。與分布式控制與數據采集方式相比，雖然增加了主控制柜內接線工作量，但減少了軟件接口，同時降低了因執行機構失控造成系統硬件損壞的概率。

　　(3)數據穩定性提高。試驗中多數傳感器安裝在試樣上，如果數據采集系統距離試樣太遠，傳感器連接導線過長，干擾和噪音會影響信號質量。特別是試驗機液壓油源中配有大功率電機和變頻器，多個傳感器反饋信號為毫伏級電壓，更會加劇長導線的影響。因此，主控制柜必須放置在試驗地坑中而不是控制室內。而主控制柜中的PXIe機箱通過MIX通訊卡和光纖與控制室內的工業控制計算機連接，數據傳輸速度快且穩定性高。

　　除去上述優點，這種架構方式唯一需要注意的是MIX通訊卡與工業控制計算機的兼容性。

　　板卡選擇中，僅選用以下4種6塊板卡即可滿足系統控制和數據采集通道需求：

　　PXIe-6363 X系列多功能卡1塊。這塊板卡功能強大，帶有32路正負10 伏模擬輸入，4路正負10伏模擬輸出，48路5伏數字I/O和4路32位計數器。系統中使用正負10伏模擬輸入功能接入所有執行子系統監控傳感器信號，使用正負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壓閥等執行元件。5伏數字I/O和32位計數器功能未使用。

　　PXI-6515數字I/O卡1塊。這是一塊32通道24伏工業數字I/O卡，它的數字輸出功能用來控制所有中間繼電器通斷，根據試驗步驟開啟或關閉電機、泵及所有閥件;數字輸入功能收集油濾、緊急停止按鈕的狀態信號。

　　PXIe-4330應變與橋路傳感器數據采集卡3塊。該數據采集卡集傳感器供電與信號調理、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，使系統無須再為傳感器另配線性電源。3塊采集卡中的1塊8個通道用來采集液壓缸兩腔壓力和試樣內壓及外壓，同時為外接位移傳感器和力傳感器預留通道。剩余2塊采集卡實現16通道1/4橋應變高速同步采集(采樣頻率最高達25kHz)。

　　PXIe-4353熱電偶數據采集卡1塊。這塊采集卡含有32個采集通道，其中8個通道內置冷端補償。采集卡支持J、K、T、E、N、B、R和S共8個類型的熱電偶，涵蓋了石油管試驗中常用的J、K兩種類型熱電偶。試驗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、軟件實現與現場成果

　　軟件編寫中，充分利用了LabVIEW 2011 軟件開發平臺的并行處理特長，令以下三個循環同時運行：

　　(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據采集循環;
　　(2)前面板操作響應循環;
　　(3)界面顯示與刷新循環;
　　軟件源代碼如圖3所示。　　

 

　　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行，保證執行機構能夠同時給試樣施加軸向載荷、側向彎曲以及內壓和外壓。

　　軟件主界面如圖4所示。進入軟件主界面后，系統自動檢測板卡狀態。這部分功能利用板卡驅動編寫。如果板卡狀態異常則鎖定界面，使后續操作無法完成，保證試驗安全。