基于​PXI​平台​的​大型​土工​离心​机​综合​数据​采集​系统​的​设计​与​实现

蔡 志​斌,

"土工​离心​机​是​修建​水电​站、​大坝、​桥梁、​机场​等​重要​基建​设施​必不可少​的​大型​试验​设备,​中国​水电​科学​研究院​具有​国内​最大​的​土工​离心​机​试验​装置。​该​装置​可​提供​300g​的​重力​场,​有效​负载​1500kg,​其​工作​环境​极其​恶劣:​数据​采集​设备​要​耐​受​极大​的​加速度、​风​压、​电磁​干扰​等,​我们​建立​的​基于​PXI​平台​的​多​通道​高​精度​采集​系统​最终​战胜​了​这些​苛刻​条件,​精准​的​采集​到了​所需​数据。"

- 蔡 志​斌,

挑战:

土工​离心​机​是​修建​水电​站、​大坝、​桥梁、​机场​等​重要​基建​设施​必不可少​的​大型​试验​设备。​应用​在​该​设备​上​的​数据​采集​系统​面临​着​极大​的​加速度、​风​压​与​电磁​干扰​的​考验。​每次​进行​实验​都​需要​事先​搭建​复杂​的​实验​模型,​一旦​实验​当中​出现​问题​模型​就​会​作废​需要​重新​搭建,​这​就​意味​着​极大​的​浪费。​因而​这​套​系统​对​机械​结构​强度、​抗​干扰​性​和​系统​稳定​性​有​极​强​的​需求。

解决​方案:

NI PXI​平台​数据​采集​设备​和​LabVIEW​软件​开发​环境​相​结合,​可以​快速​有效​的​搭建​复杂​的​数据​采集​系统。​通过​对​硬件​的​精心​选择​和​相关​软件​的​编写,​可以​使​该​系统​在​高​重力、​高​风​压、​电磁​环境​恶劣​的​土木​离心​机上​正常​工作,​并且​采集​到​准确、​可信​的​数据。

作者:

齐 羽 -
​蔡 志​斌 -

 

一、             引言:

          土工​离心​机​是​修建​水电​站、​大坝、​桥梁、​机场​等​重要​基建​设施​必不可少​的​大型​试验​设备,​中国​水电​科学​研究院​具有​国内​最大​的​土工​离心​机​试验​装置。​该​装置​可​提供​300g​的​重力​场,​有效​负载​1500kg,​其​工作​环境​极其​恶劣:​数据​采集​设备​要​耐​受​极大​的​加速度、​风​压、​电磁​干扰​等,​我们​建立​的​基于​PXI​平台​的​多​通道​高​精度​采集​系统​最终​战胜​了​这些​苛刻​条件,​精准​的​采集​到了​所需​数据。

 

 

 

二、             硬件​平台​的​设计​与​实现:

          根据​系统​的​功能​需求,​本​系统​包括​一下​几个​部分:

 

  1. 传感器:​包括​激光​传感器、​应变​传感器​等等。
  2. 数据​采集​系统:​包括​PXI​机​箱、​控制器、​数据​采集​卡​与​屏蔽​电缆。
    1. 可​同步​采集​32​路​隔离​的​差分​电压​信号。
    2. 可​同步​采集​32​路​应变​信号。
    3. 数据​实​时​记录​并​显示。
  3. 控制​与​监测​终端:​台式​计算​机、​网络​设备。

 

下面​分别​介绍​硬件​系统​的​主要​组成​部分:

    1. PXIe​机​箱:

          由于​需要​的​采集​通道​较​多​(包含​32​路​差分​电压​采集​通道​和​32​路​应变​信号​采集​通道),​需要​使用​总共​8​块​数据​采集​卡,​也就是​占据​了​8​个​插​槽。​考虑​到​系统​的​可​扩展​性,​我们​选择​了​NI-​PXIe 1085 18​槽​机​箱。​这​款​机​箱​拥有​16​个​混合​插​槽,​可以​兼容​PXI Express​板​卡,​32-​bit CompactPCI​板​卡​以及​混合​兼容​PXI​板​卡​(又​称​之​为​PXI Express-​ready​或者​PXIe-​ready),​充分​满足​了​系统​可​扩展​性的​要求。​NI-​PXIe 1085​还​拥有​每​插​槽​4 GB/​s​的​专用​带​宽,​12 GB/​s​的​系统​带​宽。​这​充分​满足​了​大​数据​量​吞吐​的​设计​要求。

 

          通过​实际​上​机​实验,​NI-​PXIe 1085​经受​住​了​土木​离心​机上​高​重力​的​考验,​其​机械​结构​的​坚固​程度​打​到了​系统​要求。

 

    2. PXIe​控制器:

  1. 本​系统​采用​了​NI PXIe-8135​控制器。​这​款​控制器​拥有​2.3 GHz​四​核​Intel 酷​睿​i7​处理​器 ,​和​牧人​4GB​的​内存​(最大​16GB)。​高性能​的​处理​器​保证​了​系统​的​流程​稳定​的​运行。

     

    3.  电压​数据​采集​模​块:

          本​系统​选择​了​4​块​NI PXIe-4300​模拟​输入​模​块​配合​TB-4300​接​线​端子​作为​电压​数据​采集​卡。​该​采集​卡​拥有​8​个​同步​采样​的​模拟​输入​通道,​其​最高​采样​率​为​250kS/​s。​满足​了​系统​设计​的​要求。​这​款​采集​卡​的​每​个​通道​都是​差分​通道,​并且​拥有​独立​的​ADC,​通道​之间​是​相互​隔离​的。​这个​特点​为​在​电磁​环境​机器​恶劣​的​土木​离心​机上​进行​可靠​的​数据​采集​提供​保障。

 

          与​TB-4300B​接​线​端子​配合,​该​数​采​卡​可​采集​最高​达​300V​的​电压,​为​采集​较​高​的​电压​信号​提供​了​方便。

 

    4. 应变​数据​采集​模​块:

          本​系统​采用​了​4​块​NI PXIe-4330​电​桥​输入​模​块​配合​TB-4330​接​线​端子​作为​应变​数据​采集​卡。​该​采集​卡​拥有​8​个​同步​采样​的​模拟​输入​通道,​其​最高​采样​率​为​25kS/​s,​满足​了​系统​设计​的​要求。

 

          该​采集​卡​拥有​每​通道​24​位​独立​ADC、​抗​混​叠​滤波​器、​每​通道​软件​可​选​的​激励​电压 (0.625 V​至​10 V)、​各路​通道​的​内​置​可​编​程​1/4​桥、​半​桥​式​和​全​桥​式​电阻​与​分​路​校准。​为​高​精度​测量​和​快速​配置​提供​了​方便。

 

三、             数据​采集​软件​设计​与​实现:

          本​系统​的​软件​使用​LabVIEW​编写,​模​块​化、​图​形式​的​编​程​方式​极大​的​方便​了​测​控​程序​的​编写,​节省​了​开发​时间。

数据​采集:DAQmx​模​块​对​NI​数​采​卡​的​完美​支持,​使​对​数据​采集​卡​的​设置、​数据​的​采集、​存储​以及​单位​换算​等​方面​的​程序​编写​都​非常​的​方便​快捷。

用户​界面:利用​LabVIEW 中的​VI​服务​器​技术​可以​方便​的​控制​用户​界面。​通过​对​窗口​对象​的​属性​节点​进行​设置,​可以​实现​多​窗口​界面​的​自动​调整。

网络​传输:在​LabVIEW​中有​TCP/​IP​模​块。​利用​该​模​块​可以​快速​的​进行​网络​编​程,​实现​PXI​系统​和​终端​机​之间​的​通信。​通过​建立​并行​的​循环​(多​线​程),​实现​在​网络​通信​中断​的​情况​下​采集​系统​不会​受​其​影响​而​中断,​从而​最大​程度​的​保证​了​数据​的​安全,​避免​重要​数据​的​丢失。

 

 

 

四、             加固​与​抗​干扰​设计​与​实现:

         土木​离心​机​的​工作​过​环境​可谓​非常​恶劣。​在​离心​机​满​功率​运行​时,​吊篮​中的​重力加速度​最高​可达​300G。​数据​采集​系统​所在​的​位置​比较​靠近​轴心,​即使​如此​系统​所​承受​的​加速度​也​会​达到​30G。

 

         离心​机​在​运行​时​会​高速​转动​悬​臂,​产生​非常​大​的​风​压,​也​会对​数据​采集​系统​产生​很大​的​影响。​在​高速​转动​的​情况​下,​离心​机​的​电磁​环境​也​非常​复杂,​会对​系统​产生​严重​的​干扰。

 

          为了​适应​如此​恶劣​的​工作​环境,​首先​我们​对​系统​进行​了​机械​加固,​来​应对​高​重力​环境,​除了​选择​本身​就​比较​坚固​的​NI PXIe-1085​机​箱​外,​对​购买​来​的​机​箱​内部​还​要​在​适当的​位置​做​二次​加固,​比如:​原来​的​机​箱​使用​普通​的​电源​适​配​插座,​这​在​实验​室​中​使用​没有​任何​问题,​但是​在​离心​机上​使用​就​会​因为​高​重力​环境​造成​系统​在​运转​过程​中​电源​线​甩脱,​从而​造成​停​机​事故。​因此,​我们​将​买​来​的​1085​机​箱​拆开,​将​原来​的​普通​电源​适​配​座​换​成​SCHURTER​带​锁​止​结构​的​适​配​座,​电源​线​也​换​成​配套​的​带​锁​扣​的​插头​的​电源​线。

 

      加固​的​时候​要​考虑​周全,​任何​一个​细节​都不能​漏掉,​否则​可能​会​因为​一个​小​的​疏忽​而​造成​严重​的​事故。

         对于​复杂​的​电磁​环境​我们​除了​选择​具有​隔离​特性​的​数​采​卡、​采用​差分​数据​采集、​使用​屏蔽​电缆​等​措施​外,​在​软件​处理​上​也​下了​一番​功夫,​采用​了​自​适应​滤波​等​手段​去除​特定​频​段​的​电磁​干扰。

 

 

 

          经过​实际​上​机​测试​证实​了​这​数据​采集​系统​在​高​重力、​高​风​压​的​环境​下​工作​正常,​并且​抗​电磁​干扰​的​能力​很​强,​采集​到​的​数据​符合​预期​目标,​证明​该​系统​完全​满足​设计​要求。

 

五、             总结:

         NI PXI​平台​数据​采集​设备​和​LabVIEW​软件​开发​环境​相​结合,​可以​快速​有效​的​搭建​复杂​的​数据​采集​系统。​通过​对​硬件​的​精心​选择​和​相关​软件​的​编写,​可以​使​该​系统​在​高​重力、​高​风​压、​电磁​环境​恶劣​的​土木​离心​机上​正常​工作,​并且​采集​到​准确、​可信​的​数据。

 

         在​系统​搭建​与​测试​过程​中​得到​了​实验​室​梁​建​辉​主任​与​宋​献​慧​工程​师​鼎力​协助,​在此​深表​谢意。

 

作者​信息:

齐 羽

 

​土工​离心​机​数据​采集​系统​硬件​平台
​土工​离心​机
​系统​结构​示意​图
​程序​主​界面
​通道​配置​界面
​带​锁​止​机构​的​电源​适​配​座​与​插头