管网特性性能测试系统方案Word文件下载.docx
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1.2引用标准5
2系统设计需求5
2.1功能需求5
3系统设计方案7
3.1系统结构7
3.2上位机8
3.2.1上位机硬件选型9
3.2.2上位机软件9
3.3下位机及功能模块14
3.3.1下位机硬件14
3.3.2嵌入式控制软件17
3.4信号接口及隔离装置22
3.4.1信号隔离调理单元23
3.4.2信号疏理单元24
3.4.3供电电源24
3.4.4信号调理与分配箱的机械结构27
3.5系统布局设计及施工28
4系统可靠性及电磁兼容性设计28
5系统特点及功能满足情况说明29
6项目进度计划29
7系统交付清单30
8售后服务及保障30
附录 相关成功案例30
1
引言
1.1概述
本方案为通风和空调系统管网特性性能测试系统方案，通风和空调系统包括风机、空调和各种管网，风门等部件。
通风和空调系统管网特性性能测试系统实现风管路流量、风压、风速、气流温湿度及流噪声，部件振动等信号的监测，实现各参数实时采集，存储，分析及显示。
测试装置测试风管路系统管网特性和噪声特性，并为压缩空气管路系统设计和性能计算提供准确的实验参数。
1.2引用标准
GJB9001b-2009《质量管理体系要求》
GB8576-88《计算机软件产品开发文件编制指南》
GB1526-89《信息处理－数据流程图、程序流程图、系统流程图、程序网络图和系统资源图的文件编制符号及约定》
2系统设计需求
2.1功能需求
系统结构及测点布置图如下（待定）：
信号列表
序号
信号类型
测点数
信号范围
精度
1.
风管静压
40
0~4000Pa
±
0.5Pa
2.
风速
12
0~30m/s
0.1m/s
3.
温度
0~50℃
0.1℃
4.
湿度
5%~95%RH
１%RH
5.
流噪声
20
40~150dB
0.1dB
6.
部件振动
32
50~150dB
7.
模拟舱室温度
10
8.
模拟舱室湿度
控制：
实现３台风机的起停和变频控制；
实现１台水机组的起停控制；
实现２台水泵的起停控制
实现4个调风门的起停和开度调节；
（２台诱导型，末端起停和调节信号）
其它需求
软件要求
操作简便，及时响应
界面简洁
与主系统连接方式
TCP/IP
实验室环境要求
名称
指标
3
系统设计方案
本测试系统有主控计算机、基于PXI总线的下位机和数据采集模块组成、其中主控计算机位于控制室、下位机放置于测控现场，之间通过高速以太网进行通讯与数据传输。
主控计算机可以实时监控下位机运行状态并根据程序相应控制指令等功能。
下位机采用PXI总线的控制算机，以太网卡与主控计算机实现网络通讯功能。
下位机PXI插槽内集成有数据采集模块和控制模块，采集试验所需的风管路流量、风压、风速、气流温湿度及流噪声、部件振动等信号。
系统中包括模拟电压输入信号，电流信号若干路，系统分为稳态采集以及瞬态采集两种状态。
对于稳态采集时，对各参数的采集精度为0.05%,存盘速度为10S/s;
瞬态采集，对各参数的采集精度要求为0.1%，存盘速度为100S/s.
3.1系统结构
通风和空调系统管网特性性能测试系统的主要功能是实现对风管路流量、风压、风速、气流温湿度及流噪声、部件振动等信号的采集、存储、分析及显示。
实现对系统温、湿度的控制及调节。
其系统的结构及功能原理如图31测试系统组成及功能原理所示：
31测试系统组成及功能原理
整个系统可分为上位机、下位机、信号调理单元及传感器。
上位机与下位机通过网络进行数据传输，
测试系统的上位机为一个工业控制计算机，其运行Windows操作系统，主要实现以下功能：
✧提供控制接口和数据显示界面，实现人机交互；
✧实现对风机、水机、水泵和调风门控制算法编辑和参数设置，实现对环境的温度湿度控制；
测试系统的下位机为一个PXI嵌入式控制计算机。
其运行RT 实时操作系统，其主要功能是接收上位机指令，对风机、水机、水泵和调风门等进行实时控制，并指令数据采集模块对风管静压、风速、温度、湿度、流噪声、部件振动等信号进行采集处理，具体的讲实现以下功能：
✧实现对风机、水机、水泵和调风门等设备的控制输出；
✧实现机械物理量参数的采集；
✧对采集的参数进行备份存储；
✧与上位机进行通讯。
信号调理模块包括供电电源和信号隔离调理装置，其主要功能是实现对风机、水机、水泵和调风门等设备的控制输出的电气隔离和信号接口匹配信号功率放大；
实现物理量参数（压力、温度、湿度、振动等信号）的调理及疏理，将机械物理量转变成电压量送下位机采集模块进行AD转换。
传感器主要包括压力传感器、风速计、温湿度传感器、加速度传感器，麦克风等，其主要对风管静压、风速、温度、湿度、流噪声、部件振动等信号进行拾取，转变成电信号以方便数据采集模块进行数字化处理。
3.2上位机
上位机作为远程控制计算机，其使用一个高性能的工业控制算机，其通过网络与下位机进行数据通讯。
3.2.1上位机硬件选型
硬件设计上，上位机作为系统操作管理的计算机，在性能上要求其具有较强的计算处理能力、较大的存储容量及满足上下位机网络传输速率要求。
系统选型时，其系统配置如下：
处理器：
intelcore2DuoLGA7751.80GHz
FSB:
800MHz
内存：
双通道 2GBDDR2800MHz
PCI插槽：
4个 32Bit
硬盘：
80GＨDD
网卡：
10/100/1000Base-TGigabitEthernet
显卡：
双显卡控制器 256Mb显存
对于上位机用户显示界面，由于需要显示的数据较多，既有实时数据、波形曲线、系统工作状态的组态形式显示，为了便于显示较大的数据量，系统显示器选用一个22英寸以上的液晶显示器，作为试验操作者的操作交互显示界面。
为方便现场信号进行调试，在试验现场安装一个大屏幕显示器进行现场实时显示。
在试验现场显示的内容为系统的组态形式进行显示。
3.2.2上位机软件
上位机为Windows操作系统，其主要功能实现操作人员对测试设备的人机交互，实现测试数据的存储与管理。
根据用户要求，及系统特点，规划系统工作流程如图32所示。
系统运行后，首先进行系统自检并将自检结果通过界面反馈给用户，系统自检完毕后对将系统配置成默认配置进行初始化处理。
系统正常运行后，用户可以通过菜单或按钮形式，通过模式选择对试验进行配置，或者直接进入到系统的运行模式进行系统试验，当需要查看和分析试验历史数据时，用户可以能过选择数据回放菜单，进行相关的数据回放、分析、报告等工作。
试验运行模式时，可以根据用户操作，系统对是否控制，控制方式等进行选择。
32上位机系统工作流程图
依据模块化设计原则，上位机软件按其主要功能分为：
系统初始化模块、自检模块、人机接口模块、系统测试配置管理模块、试验运行管理模块、试验数据分析处理模块、数据存储模块、上下位机通讯模块等。
系统各模块的网络关系统图如所示。
系统自检模块：
该模块的主要功能是完成系统开机状态的自检，如上下位机网络通讯状态，下位机及信号调理模块的上电状态等。
该模块在自检过程中显示自检状态和自检结果。
初始化模块：
该模块的主要功能是对设备试验的初始化状态进行设置，其包括设备初始化的输出状态，测试通道的初始化状态、程序运行的初始化状态、数据显示的初始化设置，模块仪器的初始化设置等。
在该模块初始化过程中，系统显示初始化的进程和初始化的完成状态。
33上位机模块关系网络图
人机接口模块：
该模块为用户操作和数据界面显示接口，作为人机界面接口，该模块主要实现以下几种功能：
●实现测试配置管理、试验运行、试验数据分析几种运行模式功能的选择和转移；
●在各个模式运行过程中，实现系统和用户的交互操作；
●
对试验运行数据或试验历史数据进行显示；
34 系统操作主界面示意图
35系统组态显示界面示意图
系统测试配置管理模块：
系统配置模块包括系统的一些硬件的使用、性能参数设置（如采样率、时钟设置，存储设置等）及通道设置等。
对于通道设置，其括括通道名称的修改、采集通道使用的选择，板卡采样率的设置、从感器设置表中选择所在通道传感器型号、是否实时报警、采集通道的信号类型（电压、电流、振动等）、增益设置、电源激励设置、滤波方式等。
36 通道参数配置界面
对于传感器的配置，用户可以通过编写传感器名称、参数类型、使用单位、校准方法等项来将使用的传感器添加到传感器列表中，同时用户也可以对传感器列表进行插入、删除、修改等操作。
37 传感器参数配置界面
试验运行管理模块：
试验运行管理的模块主要功能负责的试验运行过程的管理，包括试验运行模式，试验运行序列的执行，采集数据的实时处理，采集数据的物理量转换等，该试验运行管理模块又可分为采集数据的处理模块和控制运行模块两大部分。
数据存储模块：
是根据用户要求对试验数据进行实时不失真的存储，将试验数据保存到物理硬盘上；
当进行试验数据回放或分析时，对硬盘的数据进行读取。
试验数据分析处理模块：
试验数据分析处理模块，主要是要据用户要求，对试验历史数据进行读取，回放，并根据用户要求进行分析，显示分析结果。
同时，分析数据
上下位机通讯模块：
该通讯模块一方面接收试验管理模块的用户指令，或自动试验序列指令，对下位机进行操作指令传输；
另一方面，在试验过程中，接收下位机的采集数据，将采集数据传输给试验运行管理模块进行近一步的数据处理和显示。
38 数据回放分析界面
3.3下位机及功能模块
测试系统的下位机的主要功能是完成试验过程控制及数据采集。
其由嵌入式实时系统软件及一个配有相应硬件模块的实时控制计算机组成。
软件方面，下位机为一个RT实时操作系统，运行实时的系统软件，以具备试验系统实时的控制及采集能力。
硬件方面，控制计算机为一个18槽基于PXI总线的实时嵌入式控制计算机，该计算机由机箱、嵌入式控制器、及各种功能模块级成。
3.3.1下位机硬件
下位机控制器位于PXI机箱的零槽，其余硬件模块位于相箱的其的扩展槽内，根据功能需要，本系统的设计的功能模块包括：
4个16通道的振动信号采集模块、7个16通道的通用模拟量采集模块、1个64路的数字量信号输入输出模块。
下位机组成样式图如39所示：
39下位机样式图
3.3.1.1机箱
考虑到系统使用的模块较多，共需要使用12个数据采集及控制模块，系统采样速率按规范要求约需20K*52=1040K的带宽，设计中系统选用1个18槽的PXI机箱，机箱的最高带宽背板可达到132MB的卓越性能。
满足系统的模块插槽数和带宽要求。
该机箱配有用于PXI模块的内置10MHz参考时钟、PXI触发总线和PXI星形触发，和PXI星形差分触发。
可满足系统数据采集及实时控制的高处理能力应用软件的需求。
机箱的具体指标如下：
Ø
18槽3UPXI机箱（带AC）
接受3UPXI和3UCompactPCI模块
600W总功率电源
内部10MHz参考时钟的抖动<
5ps
各段总线之间的软件可编程触发路由
0°
C至55°
C扩展操作温度
3.3.1.2控制器
控制器选用一个双核的嵌入式控制器，其运行实时操作系统，控制器的具体指标如下：
∙2.26GHz四核intel处理器
∙2GB（1x2GBDIMM）800MHzDDR2RAM,最大为4GB
∙1个10/100/1000BASE-TX（千兆）以太网,ExpressCard/34插槽,4个高速USB端口
∙集成的120G硬盘,GPIB,串口及其他外围I/O。
∙RT操作系统
3.3.1.3动态数据采集模块
动态采集模块用于对流噪声和部件振动量进行数据采集。
系统需要20路振动，20路流噪声进行数据采集，系统设计选用3块16通道的动态数据采集模块来实现流噪声和部件振动量传感器的激励及振动量的信号采集。
该模块具有每条通道204.8kS/s的最高采样率，并包括针对无误差设置的TEDS智能传感器支持，系统的具体指标如下：
采样率高达204.8kS/s的16路同步采样模拟输入
24位分辨率ADC具有114dB动态范围
高达+20dB的2种增益设置可以保证输入信号的范围从±
1V或±
10V
软件可配置的4mAIEPE和TEDS用于麦克风和加速度计
可变抗混叠滤波器
0.5Hz的交流耦合模拟输入
3.3.1.4通用模拟量采集模块
通用模拟量采集模块主要功能是对经过调理的风管静压、风速、温度、湿度等传感器信号进行数据采集。
考虑到采集信号的多样性、电磁兼容性和系统的通用性要求，该模块只对物理信号进行ＡＤ转换，系统在该模块与被测单元之间，独立设计有信号隔离调理装置对被测单元的模拟信号进行隔离和调理处理。
系统要求需实现96路信号的采集，考虑需预留些容量，设计中系统选用7块16通道的18bit分辨率的数据采集卡进行数据采集。
该板卡在高采样率下也能保持高精度。
它可确保即使以最快速度测量所有通道时也可达到18位精度。
模块的具体性能指标及特性如下：
625KS/s的采样率，18bit的采样精度
采用高精度M系列模块,提高测量精度、分辨率和敏感度
2路16位模拟输出（2.8MS/s）;
24条数字I/O线;
32位计数器
关联（Correlated）DIO（8条时钟线,10MHz）;
模拟和数字触发
NI-MCal校准技术提高了测量精度
整个系统选用7块16通道差分输入，可实现112路数据信号的采集，系统每个模块的采样率为625KS/s,单通道的采样率可达到39K。
优化的数据采集精度相当于5½
位的直流测量。
3.3.1.5数字输入输出接口模块
数字输入输出接口模块，用于实现系统对风机、水机组、水泵、调风门等指令的发送，同时采集某些系统的状态量。
当模块用于指令发送时，该模块将信号按用户要求，生成状态量信号、连续脉冲或单脉冲信号，以TTL电平形式，输出给信号隔离调理装置作进一步处理。
当模块采集设备的状态量时，该模块将信号调隔离后的信号，进行采集。
其模块与信号调理装置的信号关系图如下图所示
310 数字输入输出模块功能示意图
数字量输入模块使用通用的工业数字输入输出模块来实现，该模块具有双向数字I/O线，实现5V数字电平下输入和输出功能。
该模块的输入输出信号，通过信号调理装置的数字输入输出隔离调理模块实现与被测单元的测试信号隔离与匹配。
该模块的具体指标如下：
每个模块具有32通道的数字输入输出功能
输入输出方向可按组进行设置（8通道一组）
输出通道上电状态可设；
输出方式：
状态量、单脉冲、连续脉冲可设置；
最大信号输出频率：
5MHz
输入信号分辨率：
时钟稳定性：
50ppm
系统设计中，使用１块该模块，可以满足系统对风机、水机组、水泵、调理门等设备的指令发送。
3.3.2嵌入式控制软件
采集分系统下位机软件运行RT实时操作系统，主要任务是执行上位机的操作指令，试对硬件模块的控制，完成对风机水泵等模块的指令或闭环控制，同时对风管静压、风速、温度等物理量进行采集。
整个下位机软件系统具有实时操作系统的占用系统资源低、实时性强、固定多任务的特征。
系统运行工作流程如图38所示
下位机系统上电后，下位机软件自动运行。
首先软件初始化完成后，进入系统运状态机模块。
系统运行状态机模块根据上位机指令及自身运行状态来判决系统的运行状态：
等待、始化、试验运行、试验结束等。
在试验运行过程中，数据采集与处理模块与闭环控制模块运行两个单独的线程，以更好的实现系统试验的实时闭环控制。
下位机通过断电方式实现系统的关闭。
311 下位机系统工作流程图
依据模块化的设计准则，下位机软件分为初始化模块、系统运行状态机模块、上下位机通讯模块、数据采集处理模块、闭环控制模块和硬件驱动。
各模块的网络关系如图39所示。
312 下位机系统模块及网络关系
3.3.2.1系统初始化模块
系统初始化模块为程序的主要功能是在程序运行开始时，或需要接到上位机指令需重新进行初始化操作时，对下位机的网络状态，及各个模块（包括数据采集处理模块及闭环控制模块进行初始状态设置。
3.3.2.2上下位机软件通信模块
上下位机软件通信模块在下位机软件系统中主要起到连接上下位机通信的作用。
“下位机软件通信模块”接收上位机传输过来的试验流程配置信息文件以及上传采集到的物理信号数据及相应的分析运算模块的计算结果。
3.3.2.3系统运行状态机模块
系统运行机的主要功能是对下位机的运行状态进行控制，其接收上位机的用户指令及系统初始化状态指令，给各运行模块发送指令，控制下位机系统的运行状态。
必要时将运行状态上传给上位机进行显示。
3.3.2.4驱动模块
驱动模块为系统的最底层，它包含了所有系统支持的仪器和设备驱动。
该系统根据使用模块的不同，主要有信号采集模块驱动和数字输入输出模块驱动。
3.3.2.5数据采集处理模块
数据采集处理模块主要功能是控制数据采集卡进行工作，对试验系统物理量进行采集，将采集的数据一方面在本地机上进行备份处理，另一方面，该模块通过上下位机通讯模块，将测试数据上传给上位机，对测试数据进行显示、存储等进一步处理。
3.3.2.6系统控制模块
闭环控制模块的主要功能是当数据需要进行系统开、闭环控制时，系统接收用户指令，对试验室执行系统根据用户输入指令或控制算法发送执行指令给系统的执行机构。
整个系统总共有２台大风机、１台小风机、１台水机组、２台水泵、４个调风门共10个执行机构，其中１台小风机和４个调风门需要闭环控制，其余设备只需用户手动对设备进行启停开环操作。
对于小风机和调风门闭环控制时，拟采用PID算法对温度进行控制。
下面以风机为例对实现原理进行阐述，调风门的控制原理与风机类似，只是控制参数和输出的控制量不同。
系统控制的功能原理如图310所示
313风机PID控制功能原理图
在控制系统中，上位机对目标温度和PID参数进行设定，控制运行后，下位机控制模块根据PID参数值，给定温度和温度传感器的反馈值计算出控制风机转速的频率值。
下位机的控制输出模块，输出控制参数给变频驱动装置，变频驱动装置控制风机的转速，从而改变介质温度，如此反复，使控制目标保持在一定的温湿度范围内，达到控制温度的目的。
系统的PID控制算法如下：
式中u（t）为控制输出，Kc为控制增益，e为目标温度与实际反馈温度的差值，Ti为积分时间，Td为微分时间。
比例控制（
）是一种最简单的控制方式。
其控制器的输出与输入误差信号成比例关系，当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（Steady-state error）；
在积分控制（
）中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系，对控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统，为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”，积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零；
微分控制（
）中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系，控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳，其原因是由于系统存在有较大惯性组件（环节）或有滞后（delay）组件（本系统中，温度的变化及风机的转速相对于控制频率变化都有一定的滞后性），具有抑制误差的作用，
其变化总是落后于误差的变化，解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。
通过上述，在控制器中仅引入
“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能
够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调，所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分（PD）控制器能改善系统在
调节过程中的动态特性。
针对温度对象，其特点是大滞后，采用上述方法控制温度环境，会收到良好的效果。
在实际应用中，此模型的数字化表达式为：
其中
同时在实际控制输出规定了一个输出范围控制，当
时，
；
当
。
3.4信号接口及隔离装置
信号接口及隔离装置的主要功能是完成对车辆电气信号的输入输出隔离、电气接口的匹配，以及电气信号接口的疏理。
按功能可以分为信号隔离调理单元、信号疏理单元、供电电源模块三部分。
其设备的功能原理如下图所示。
314 信号接口隔离装置框图
3.4.1信号隔离调理单元
信号调理单元包括模拟输入信号调理模块、模拟输出信号的调理模块、数字输出调理模块、数字输入调理模块。
模拟输入调理模块：
该模块主要功能是对被测单元的电气信号进行幅值调理（220V及380V交流信号，０～15V及-20mv~20mV电压转换标准±
10V电压）和类型转换（４~20mA电流转换成标准±
10V电压），将电值隔离处理后，输出给模拟输入模块进行采集。
模拟输出调理模块：
该模块的主要功能是，将模拟输出模块输出的调理模块，隔离后，根据要求调理生成±
10V的电压信号或0~10V电压信号进行输出。
数字输入调理模块：
该模块的主要功能是，将24Ｖ电平信号，调理成标准５Ｖ电平信号，将其进行隔离后，送至模拟输入模块进一步进行处理。
数字输出调理模块：
数字输出调理模块的主要功能是，将输出的TTL电平信号，隔离后，按输出要求调理成24v或28Ｖ电压信号，进行输出。
大电流信号调理模块：
用于对将大电流信号调理成电压信号。
该模块设计为四路。
基于桥路的传感器信号调理模块：
该模块根据要求，分为120欧姆和350欧姆两种;
具有4桥、半桥式和全桥式应变测量所需要的所有功能。
每通道还具有分辨率为1023的独立0到5V可编程激励源。
而且每通道还配有一个内部100欧姆;
分路校准电阻，用于进行增益校准。
该模块单块实现16ch的调理能力
热电偶进行调理，该模块专为高精度热电偶测量而设计。
它们具有相同的架构，该架构的每路输入通道包括了一个仪器放大器和一个2Hz的低通滤波器。
在此架构下，具有冷端温度补偿功能。
支
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