基于虚拟仪器的高温回路计算机测控系统

梁  颖
(四川大学电气信息学院,四川 成都 610065)
匡 顺 兰
(成都华太数采测控技术有限公司,四川 成都 611731)

摘要：文章介绍了一个基于虚拟仪器的计算机高温测控系统的研发与设计，该测控系统能够长时间模拟核反应堆的高温高压运行环境，科研人员可在此环境中进行堆内结构材料有关性能的实验。在设计和开发过程中利用虚拟仪器技术,使该系统具有开放性、模块化、灵活性等特点，和强大的性能价格比优势并且能够对突发事件进行实时处理，具有高可靠性。
关键词：虚拟仪器； LabWindows/CVI； PID控制 
  Computer Measuring and Control System to High Temperature Loop Based on Virtual Instrument
 Technology
                       Liang Ying 
(School of Electric and Info, Sichuan University, Chengdu 610065,China)
Abstract：The development and design of a computer measuring and control system based on 
Virtual Instrument has been introduced in this paper. The system can long time simulate
 high pressure and high
 temperature run conditions of nuclear reactor. Scientific researchers can do experiments
 to test performances of s
tructures and materials which are inner reactor. Designing and developing the system by
 a whole new concept–VI makes it has many advantages such as opening, modularity, flexibility and high ratio 
of capability to price and can 
carry out real-time processing, which makes it has high reliability.
Keywords: Virtual Instrument; LabWindows/CVI; PID control

一、前言
随着我国经济迅猛发展，能源供应相对紧张与社会巨大需求形成了矛盾，在电力供应方面表现的尤为突出。火力发电成本高，污染严重，水力发电受到季节影响，在这种情况下，核动力发电的优势就突显出来。核电站是利用一座或若干座动力反应堆所产生的热能来发电或发电兼供热的动力设施。反应堆是核电站的关键设备。安全是核电站首要问题，为了让核电站能安全稳定的运行，必须对反应堆内结构材料性能进行研究。在这种情况下需要有一套测控系统为研究提供稳定的高温高压的模拟反应堆实验环境，以此来进行有关的材料实验。
该测控系统性能要求非常高，传统的设备和方法是难以满足。因此，在系统开发中引入了虚拟仪器Virtual Instruments（简称VI）技术。在上个世纪八十年代末National Instrument公司率先提出了虚拟仪器技术，它充分利用计算机资源，配以独特设计的软硬件，实现以硬件为主的传统仪器的全部功能以及一些在传统仪器上无法实现的功能。在虚拟仪器中软件占有主导地位，即“软件就是仪器”。虚拟仪器不仅功能多样、测量准确，具有高度的灵活性，而且界面友好、操作简易，系统集成高效快捷。基于虚拟仪器的计算机测控系统就是电子计算机技术、虚拟仪器技术、电子测量技术和自动控制理论有机结合的产物。

二、测控系统设计分析
1、系统简介
　　该系统模拟了核反应堆高温高压的运行环境(温度300度, 压力10-15MPa), 在此环境中可以进行堆内结构材料有关性能的实验。主要实验过程是用特殊钢材建成一个回路台架，钢材外面包裹着一层厚厚的隔热材料，台架内注入大量的去离子水。在回路周围有数台可调式大功率加热器，整个回路密闭性非常好，回路中有循环泵, 它可以使台架中的去离子水循环流动。在回路中有一个稳压器，它可以维持和调节10-20Mpa的压力。
整个测控系统的设计运用了虚拟仪器的技术。虚拟仪器主要由计算机、硬件、软件组成，其本质就是在硬件基础上配以功能强大的应用软件，实现各种复杂的测试任务。利用计算机不仅可以组建成为灵活的虚拟仪器，还可以通过各种不同的接口总线，组建不同规模的测试系统。
系统研发和设计采用了National Instrument公司的Labwindows/CVI6.0的集成开发环境，Labwindows/CVI6.0以ANSI C语言为编程语言，它提供了图形化的编程环境，其特点是具有简单直观的编程方式、众多源码级的设备驱动程序、丰富实用的分析表达功能和支持功能，能快速地构建测量仪器系统，提高效率，缩短开发周期。 由于该系统是为核堆实验设计的，所以对整个系统的可靠性、精确度等方面都有严格的要求，尤其把可靠性放在了第一位。
2、基本功能
　　测控系统的基本功能就是利用电子计算机和电子测量、自动控制以及虚拟仪器技术来组建一个高温回路计算机测控系统，为实验人员提供一个可靠的高温实验运行环境。实验人员可根据需要随时通过计算机修改有关实验参数；实时观察各个测控点的情况；浏览历史的实验数据；可以在回路示意图上方便查看测点的运行情况。同时，实验的有关数据应通过网络通讯传输到指挥中心。一旦出现异常情况，系统应该立刻做出反应，根据预设的程序采取措施，并利用计算机进行声光报警，提示实验人员。界面简洁、直观、生动。
3、设计原则
3.1 稳定可靠
　　稳定可靠是首要条件，因为只有稳定可靠的实验环境，才能保证系统长时间无故障运行，实验数据才有意义。且实验是为核反应堆设计的，在这一领域更不能有丝毫的安全问题，否则后果不堪设想。
3.2 精度要求高
实验测量和控制精度要求高，例如温度值，在接近300度的高温下，控制精度在±0.5度范围内。这样在硬件的选用上和软件设计上都有很高的技术要求。
3.3 实时性
  　实验始终都是高温高压环境下运行的，实验现场的情况瞬息万变，各项参数都必须进行２４小时连续跟踪观察以供实验人员充分全面掌握实验情况，根据需要随时做出调整。一旦出现意外情况，应及时采取必要的措施。
3.4 实用性
　　实用性是衡量测控系统的重要指标。一个系统无论设计指标如何高，硬件选择如何好，投入如何高，如果操作复杂，使用麻烦，就很难被用户所接受，也不利于系统的进一步推广。引入虚拟仪器技术很好的解决了这一问题。
3.5 标准化
　　系统在电路设计和软件开发等方面都符合国家标准。标准化设计可以提高系统的性能指标，为日后系统的扩展和维护提供了有力保证。 
3.6 可维护性
　　测控系统要求连续运行，中断时间不能超过２小时，否则实验必须重新开始，所以系统的可维护性显得尤为重要。无论是硬件还是软件系统，都采用了模块化设计方法。一旦出现意外情况，可以保证在２个小时内找出问题并解决。
3.7 经济性
在保证上述系统设计原则基础上，在保证质量的前提下，硬件选择上，都尽量挑选性价比最高的产品。
3.8 远程通讯
实验数据必须传送到距离现场３５０公里的指挥中心，所以设计系统时就要考虑到通讯问题，必须保证数据的正确性和实时性。
 4、开发环境
测控系统所用的软件模块是在Windows2000操作系统下用NI(National Instruments)公司LabWindows/CVI 6.0开发出来的。LabWindows/CVI简单易学，功能强大，是NI公司为开发仪器控制领域度身定造的开发工具。它是一种可视化、结构化并且采用事件驱动方式的高级仪器程序开发工具，采用事件驱动编程机制，提供新颖易用的可视化编程环境，其最大的特点就是支持虚拟仪器这一新技术，能快速、高效开发出Windows环境下的图形界面丰富的应用软件系统，功能十分强大。
三、测控系统的实现
1、测试系统构成图 
                       图1 测试系统构成图
2、系统结构功能图 
                          图2 系统结构功能图
3、系统功能模块介绍及其实现
    系统共分为十个功能模块，它们分别是主控模块、公共数据区模块、系统自检模块、信号采集模块、数据曲线显示模块、PID温度控制模块、报警控制模块、数据分析处理模块、硬件驱动模块、远程通讯模块。下面就分别介绍这十个功能模块。
3.1 主控模块
负责对整个测控系统的控制、调度，完成对整个系统初始化、结束及各功能模块之间的切换功能。它是整个软件的核心模块，各个功能模块都通过它来调度从而保证正常运行。对它的要求是必须及时、准确的对相应模块进行调用和退出。正因为上述原因，在软件设计上主控模块包含四个Timer控件。它们分别是巡检Timer、记录运行时间Timer、数据存盘Timer、闲散Timer。
.巡检Timer ：它调用PLoopUpdate函数，该函数属于报警控制模块，每执行一次都会对各测控点进行数据采集，并根据采集的数据进行判断，做出相应动作。同时，因为它的时间间隔最短，所以在函数中也调用PID实时控制和面板刷新等模块。巡检Timer实质上是在调度报警控制模块和进行实时数据刷新、PID控制。
.记录运行时间Timer ：它调用LTimerUpdate函数，该函数记录整个测控系统有效运行时间。当回路的温度值达到设定值时就可以累计为系统有效运行时间。当时间达到设定值时（通常为3000小时以上），实验结束。
.数据存盘Timer ：它调用LSaveTimer函数，它的主要任务是定时对各个测点的采集值进行存盘记录，实验人员能随时浏览当前和历史数据，这样可以对整个实验进行正确的评估。
.闲散Timer：它调用LProcLoop函数，该函数中调用了两个子函数LCommCenter和LGraphUpdate。LCommCenter属于远程通讯模块，它主要负责保持与指挥中心的通讯。LGraphUpdate用于刷新示意图中的动画设计。
3.2 公共数据区模块
      各个功能模块需要的公用数据和参数都通过公共数据区模块进行存取和通信。公用数据和参数主要包括各个测点的采集值、设定值、测点警报状态、达标时间等的存取。
3.3 系统自检模块
      对系统中使用的硬件和软件进行检测，检测结束后如果有异常情况将进行报警并出错误报表。系统自检分为自动和手动，在自动状态下，如果发现问题，系统自动进入提示界面并进入自检错误处理程序，测控系统将不继续运行，直到自检正常后才继续运行。在手动状态下，由实验人员在系统的提示下对指定的设备进行检测。每次进入系统时将自动调用自检模块，且为自动状态。
3.4 信号采集模块
      采集各个测控点的信号，进行A／D转换。它是一个基础功能模块，测控系统能否达到设计要求，信号采集是否正确是一个关键。
      系统中共有22个测控点，其中有10路是通过温度控制器SR93进行采集，在每一个SR93上都有RS232C，通过计算机对其发出字符串指令，可以读取相应测点的温度值。其对应的函数是
      int SORSR93_Read(int Address, double *value);
      参数Address表示所选的SR93地址，10个SR93是通过不同的编址来进行区分的，它们地址分别为0-9。通过地址就可以确定相应的温度测点，参数value是一个double指针，采集值就放在它的地址里。
     共有12路信号都是通过传感器经采集卡A/D转换后取得，其对应的函数是
int SORA826_Sample(int ch,double *value)；
参数ch是表示所选取的通道，一个通道对应一个测点，参数value是一个double指针，采集值就放在它的地址里。
3.5数据曲线显示模块
      在主控模块中每次巡检Timer调用完后，都要对数据曲线进行更新。数据曲线显示模块的主要功能就是当巡检Timer调用完后，从公共数据区模块读出各个测控点的采集数据并显示在监视界面上。数据曲线显示窗口上除了显示当前的数据，还分别用不同颜色的直线显示出该测控点正常的波动范围，一旦采集值不在正常波动范围内，窗口上将用醒目的红色曲线显示，如果在正常范围，将用绿色曲线显示。数据曲线显示窗口在显示曲线的同时还将采集值的数据以数字的形式显示在界面上。通过数据曲线显示模块可以对每一可测点进行全程跟踪监视。
3.6 PID温度控制模块
    PID控制是历史最久、生命力最强的基本控制方式，PID控制具有以下优点：原理简单，使用方便；适应性强、应用广泛；鲁棒性强。连续系统PID调节器为对误差的比例、积分和微分控制，即：      （1）
在计算机控制系统中使用的是PID数字调节器，就是对式（1）离散化。工业上常用的是PID增量式控制算法：
     （2）
式中：Ti、Td分别为积分和微分时间常数；Kp、Ki、Kd分别为比例系数、积分系数、微分系数。
PID控制最为重要的就是设定正确的控制参数，而参数整定是PID控制中的一个难题。该控制中最主要的三个常数是增益系数Kp，积分时间常数Ti，微分时间常数Td。这三个常数值的大小取决于控制对象的动态特性，过大和过小都将使输出变量产生振荡 。对于温度控制系统而言，由于系统响应时间较长，信号变化缓慢，合理的设置PID控制的比例系数、微积分时间常数和控制的循环时间常数是系统控制成败的关键。
测控系统中选用的是日本SHIMADEN 公司的新技术产品SR93型温度控制器，精度为± 0.3%FS+1，显示周期每秒4次，采用两组独立的PID参数并可自整定控制参数，功能完善。这样节省了大量的整定时间和人力，效果非常好，同时SR93A支持RS232C串行通讯，可以很方便地与计算机实现通讯。通过调节SR93各项参数，使10个温度控制点达到设定的温度。正因为SR93卓越的功能，PID控制的工程难题就迎刃而解。系统稳定运行时，只需调整SR93输出上下限即可。
3.7报警控制模块
               根据读取公共数据区中的信号采集值和事先设计的报警条件表，进行及时、准确的判断，并以此为条件进行声光报警和做出相应保护措施。报警控制模块根据采集值，对照报警条件表，及时做出判断。报警控制模块是测控系统中的一个神经中枢。
    报警控制模块中核心函数是PLoopUpdate，它主要包括判断过程，根据采集值进行判断。如果测点处于正常状态，则通过LSetAlarm函数设定报警状态为ALARM_OFF，反之，如果测点处于报警状态，则通过LSetAlarm函数设定状态为ALARM_ON，并调用相应函数关闭相关继电器，采取应急措施，同时进行场声光报警，进行警报提示。
PLoopUpdate函数另外的任务是通过调用LMonitorUpdate和LMapUpdate函数进行巡检、界面的刷新。LMonitorUpdate主要是用于定时巡检各个测点，其中包括PID控制参数的检查，如果PID参数有变化，也是通过它传递给SR93。LMapUpdate主要是根据各个测点的警报状态，对示意图上测点控件进行更新。
3.8数据分析处理模块
对采集数据进行分析，并对各个测控点的值进行连续跟踪记录，随时供实验人员查询。因为实验中各项测点的状态值是评估实验是否达标的一个重要凭据，所以各个测点的测量值必须进行准确的记录。这样实验人员也可以根据数据及时对实验进行调整。
数据记录是通过调用函数LSaveTimer实现的。因为温度的变化是一个缓慢的过程，所以数据存盘Timer的时间设为200秒。每次实验开始时，必须指定一个文件用以记录实验数据。文件中采用树状分表结构可以很快寻找到相关数据的记录位置，方便数据读取。
3.9远程通讯模块
     系统实现远程通讯（350公里），及时把实验数据以及工况环境参数传输到指挥中心。该模块的主要任务是把现场各项数据及时的传送到距离实验现场350公里外的指挥中心。它通过ADSL发送当前的实验数据或历史实验数据。
3.10硬件驱动模块
　提供硬件驱动程序，并对硬件进行初始化自检。驱动程序是否正确直接关系到采集的数据是否正确以及控制是否准确。测控系统所用的硬件包括传感器、采集板卡、工控主机、继电器板卡、温度控制器SR93、伺服电机、可控硅等。厂家都提供了它们的驱动程序（以DLL动态连接库的形式），在Labwindows/CVI6.0下可以调用这些DLL进行系统集成。
四、结束语
   基于虚拟仪器的高温回路计算机测控系统是一个集虚拟仪器技术、计算机技术、控制技术、通讯技术等高科技于一体的高科技成果。该系统投入实际运行，连续工作5000小时无故障，而且各个温度测点的控制始终保持在设定范围内，大大提高了测量和控制精度,各项指标也完全符合实验要求。虚拟仪器技术对测控领域的发展有着巨大的推动作用，它的应用前景十分广阔。
参考文献：
[1]National Instruments Corp. Labwindows/CVI Programmer Reference Manual[Z].March 2001.
[2]任清珍，张铮，黄天戌. 虚拟仪器在测控系统中的应用 [J].现代计算机，2000.
[3]何克忠，李伟.计算机控制系统[M].北京：清华大学出版社，1998.
[4]金以慧.过程控制[M].北京：清华大学出版社，1998.


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梁颖        成都航空职业技术学院电子工程系    610021    四川成都    1355114109213194878199    almaliang@sina.comhendryyou@sina.com    基于虚拟仪器的高温回路计算机测控系统
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作者简介:
梁颖(1974-),女,江西南康人,四川大学电气信息学院在读研究生。