基于LabVIEW的运载火箭阀门试验数据采集系统设计

贾静雅， 刘兆宾， 高 琦， 韩春阳， 范晓雷

（首都航天机械公司，北京 100076）

1 阀门试验系统介绍

阀门为各型号运载火箭的关键功能型自动控制元件。在飞行过程中，电磁阀按照事先设定的程序准确无误的执行开启和关闭等指令，来实现液气路通断、压力控制、压力调节、流量控制、电路通断等功能，进而实现发动机的启动、工作、关机以及贮箱压力的自动控制和调节，保持运载火箭和武器的正常工作状态，是各型号运载火箭及武器的单点失效产品，其中电磁阀试验过程复杂，如图1所示，试验系统中需要数字化采集的测点多，实现数字化数据采集的难度最大。

图1 电磁阀试验流程图

电磁阀试验技术是阀门制造过程的关键技术之一。目前，公司试验设备大部分仍是20世纪90年代的产品，试验过程主要依靠人工读取和记录，主要缺点：1）手动配气试验台需多人同时操作，耗时耗力效率低；2）容易引入人为误差，影响阀门试验精度和可靠性；3）无法对试验过程数据进行连续完整记录。

随着自动化技术的进步，越来越多的手段被应用于试验装置的数据采集与监控系统之中。目前常用的软件环境主要有VB、Delphi以及LabVIEW等［1］。本系统在设计时采用基于LabVIEW虚拟仪器进行数据采集软件的编制。它的突出特点是以一种功能意义上的虚拟仪器代替实际所需的仪器，VI通过硬件接口和仪器实现了与测控设备的硬件通信，将信号采集、分析与处理等多种功能集为一体［2］，将这项技术应用于运载火箭电磁阀性能试验系统中，能够有效地提高阀门试验过程效率和可靠性。

2 试验系统组成

2.1 试验系统总体结构

运载火箭阀门性能试验数据自动化采集系统总体框图如图2所示，由工控机、数据采集卡、施耐德PLC、配气台、电磁阀试验台等几部分构成。以工业计算机、PLC组成控制核心，通过配气系统实现对试验系统配气过程及压力、流量的自动调节和控制。试验过程中，NI数据采集卡PCI-6238负责采集电磁阀试验台的试验数据，并自动建立数据库，形成相关检测记录或报表。

图2 系统总体框图

运载火箭阀门性能试验数据自动化采集系统采用具有仿真效果的测试界面，实现试验全过程的智能化参数设定、配气比计算、过程仿真或演示、管路布局及工作介质动态监控及系统安全防护等功能。

2.2 配气系统设计

配气系统主要由气动调压器、电磁阀、过滤器、手动阀门及配套管路构成，其中电动调压器控制中压和低压管路的安全压力设定，气动调压器控制实际压力点的设定并控制其压力上升速率和放气速率，电磁阀用于压力的开启和截止。图3为配气系统原理图。

系统可在控制和反馈信号作用下完成对指定压力的自动调节以及压力上升和下降变化速率的控制，所有调压器带有回程排放接口，可根据需要连接至厂区指定排放管路，方便试验完成后的放气操作。

图3 配气系统原理图

2.3 控制及采集系统

控制及采集系统由1台上位机（工控机）和下位机组成。上位机与下位机之间通过交换机联网通讯实现，并通过以太网口向外部提供数据交互接口。上位机构成本系统的人机交互界面，实现流程试验的监控、数据报表生成和流程模拟仿真等；下位机分设PLC控制系统和采集系统，其中PLC控制系统主要实现系统安全保护和现场开关量的控制，而采集系统主要采集压力、温度等模拟量信号。

3 采集系统软件设计

3.1 软件结构和功能设计

按照运载火箭电磁阀性能试验的要求，需要实施采集试验过程中的各项参数，包括：动作灵活性试验、常温气密试验、低压工作实验、连续通电试验、响应试验以及高温性能试验等。依据公司现有质量部门的要求，上述试验过程实时采集到的数据需要记录在信息系统中，传统采用人工录入的方法费时费力还易出错，因此亟需一个软件能够自动存储数据，并通过网络传送到信息系统的相应文件中，省去中间人为录入的环节，减少不必要的误差和人工成本。

针对上述情况，采用数据采集和仪器控制软件——LabVIEW，利用其提供的图形编程语言，设计出丰富和人性化的图形界面，实现试验过程采集试验数据、显示实时数据、回放历史曲线以及存储实时信息及与公司信息系统的无缝接口的功能。另外该系统具有多线程技术特点，可实现根据不同的测量需求来协调不同数据源间的数据融合与同步，完成各数据采集、分析等多任务的协同。采集系统软件结构如图4所示。

图4 采集系统软件结构

3.2 软件界面设计

操作界面采用LabVIEW编程环境进行编程，采取直观形象的组态模式，设置“系统自检及初始化”、“测试设定”、“仪表数据的采集、显示和存储”、“报表生成和数据处理”、“数据历史曲线回放”等模块，完成系统的自动化采集流程。

将在各个气密系统试验如常温气瓶增压系统、冷氦气瓶增压系统等试验流程分别设置为独立的流程，通过操作界面的选择，自动完成所选流程的试验，还可显示试验进程，并通过界面上指示灯显示系统的预热、准备、运行、排气等当前状态。同时，在界面上设置报警功能，根据相应的测试规则设定参数的报警限值，以报警闪烁方式提示操作者。

系统流程总览操作界面示例如图5所示。

图5 系统流程总览操作界面示例

3.3 数据的存储及处理

通过上位机数据库功能可以完成NI采集系统的实时数据和报警记录的存储。通过数据库系统，将试验数据自动生成各类测试报表，包括生成趋势分析图形，通过数据变化走势，辅助用户进行数据分析，便于数据处理和分析，提高数据统计分析能力，减少人为录入失误，另外预留的接口可以与公司现有的信息系统实现无缝对接，实现对试验数据的高效管理。模拟量信号曲线示例图如图6所示。

图6 模拟量信号曲线示例图

4 结语

此阀门试验数据采集系统的软硬件满足了阀门试验数据自动化采集的需要，解决了科研生产中的实际问题。在系统设计上重点放在传统电磁阀试验系统的改造上，实现试验系统配气台的自动化控制及试验台的数字化采集能力，提高试验性能数据采集的准确性，实现运载火箭阀门性能试验数据的实时采集、显示、存储等，并利用预留的数据库接口与公司信息系统实现无缝对接。该研究对于其它类似采集系统的设计有一定的参照价值。

［参考文献］

［1］张良.基于LabVIEW的超低温阀门性能测试软件设计［J］.低温技术，2012（39）：10.

［2］杨继志，郭敬.基于LabView的阀门试验数据采集系统［J］.机电产品开发与创新，2011（9）：77.