基于CompactRIO的泵機組監控系統的設計與實現
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0 前言
輸油管線泵機組是油料管線輸送系統的重要裝備，是保證順利完成輸油任務的關鍵。通過運行泵機組工況監控系統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度自動化和可視化程度。本文介紹了以 CompactRIO技術為核心的泵機組監控系統的研制。 1 CompactRIO技術簡介
NI CompactRIO采用可重復配置 I/O FPGA技術，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和多個具有內置信號調理的熱插拔工業 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端進行內部數據交互，可實現實時控制、采集、監視功能。
2 系統設計
2.1 系統結構
根據輸油管線泵機組的實際情況，要求系統實現泵機組現場及遠程值班室兩級控制，如圖 1所示。在第一級泵機組現場實現信號采集、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工況顯示、遠程報警、數據存儲、遠程控制功能。
2.2 硬件設計
系統硬件主要由現場傳感器，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、發動機轉速以及進口氣體信號，與所測參數對應的測量元件-傳感器安裝在確定測點位置，傳感器類型主要有各類壓力、流量、溫度、轉速傳感器及物位開關。傳感器（除物位開關外）輸出標準 4～20mA電流信號，再通過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/觸發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和環境認證，危險環境等級為Ⅰ類 2區，體積小巧堅固，能夠滿足惡劣、危險環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實時控制器和 3M門 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；用于檢測開關及其它一些開關量的狀態輸入。
③數字輸出模塊，選用 cRIO-9472，8通道 6～30VDC離散輸出模塊；主要功能是驅動報警燈、離合器控制、故障急停、消防啟動、自動加油、發動機升、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行處理，并根據泵機組工況參數及實際工作情況以及所設計的控制程序通過執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口與遠程計算機連接，基于 TCP/IP協議進行數據通訊。
（3）DC/DC模塊
泵機組設備啟動時電瓶供電電壓不穩、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電路、各類繼電器及控制發動機轉速的步進電機。
（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、防靜電等優點。在數采單元端和計算機端各加一個以太網光纖轉換模塊，轉換為光信號鏈路傳輸。
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