eng
Выпуск #2/2002
А.Лапин, Н.Шилов.
Информационно-измерительная система на отечественном оборудовании “Л-КАРД”
Информационно-измерительная система на отечественном оборудовании “Л-КАРД”
Просмотры: 2773
Для создания испытательного стенда на современной информационно-измерительной системе (ИИС) в НИИХИММАШ был проведен анализ мирового рынка этих систем. В результате по соотношению цена – качество выбор пал на оборудование отечественного производителя – ЗАО “Л-КАРД”, имеющего большой опыт в реализации ИИС весьма ответственного назначения.
Необходимость перехода на новую аппаратуру в испытательном стенде НИИХИММАШ была вызвана невозможностью выполнять современные задачи по испытанию ракетно-космической техники на старом оборудовании. Решение таких задач требует больших длительностей испытаний и объемов измерений, повышенной точности измерения и отображения информации, оперативной ее обработки.
Реально переход со старой системы “Эра” на новую осуществлялся в два этапа во время перерывов между испытаниями. На первом этапе была заменена дублирующая система, и испытания проводились на двух системах – “Эра” и “Л-КАРД”. На втором этапе, после подтверждения за короткий срок (две недели) требуемых характеристик новой системы, аппаратуру “Эра” демонтировали окончательно и смонтировали в дублированном варианте ИИС на базе аппаратуры “Л-КАРД” (см. врезки I и II). Последние огневые испытания проводились уже на новой системе (рис.1). При этом никаких существенных замечаний в отношении аппаратуры зафиксировано не было. После небольшой модернизации ИИС была подготовлена к следующей серии испытаний. Объем измерений и требования остались практически такими же, как и на предыдущих испытаниях.
Новая ИИС состоит из трех подсистем: подсистемы медленно меняющихся параметров (ММП), быстро меняющихся параметров (БМП) и подсистемы единого времени (СЕВ).
Подсистема измерения ММП построена на базе модульной измерительной системы LTC (см. врезку I и таблицу), включенной в Госреестр средств измерений и имеющей сертификат соответствия и свидетельство на взрывозащиту. Из-за недостатка средств и большого числа измеряемых параметров в подсистеме оставлены некоторые типы вторичных преобразователей сигналов датчиков из комплекта “Эры”. В состав подсистемы входят:
· каналы измерения давления (440 параметров), которые содержат блоки питания датчиков во взрывозащищенном исполнении
LPF-LE7 (16 каналов), модули искрозащиты LE-37 и недорогие АЦП LC-111 (32-канальный режим подключения). Точность регистрации – 0,14%;
· каналы измерения температуры (386 параметров). Термометры сопротивления: ввод дискретных сигналов через преобразователи “Спутник” на модули LC-401 и прецизионный канал измерения на базе генераторов тока LC-116 (16 каналов), точных АЦП LC-114 (16 каналов) и модулей искробезопасного подключения датчиков LE-37. Точность канала без датчика – 0,03 К в водородном диапазоне. Термопары: подключение к LC-114 через модули искрозащиты LE-37;
· каналы регистрации кодов (414 параметров). Ввод сигналов от уровнемеров систем контроля заправки, команд системы управления на модулях LC-403I (32 канала). Точность регистрации – 0,001 с;
· каналы регистрации частотных параметров (27 параметров). Ввод значений расходов, оборотов, параметров системы заправки на модуле-частотомере LC-451 (8 каналов) через усилитель-преобразователь УДР-3ВИ. Точность регистрации – 0,0005% (за период усреднения 1 с). Для регистрации формы сигналы датчиков подаются в параллель на платы L-1221 (см. врезку II) через модули искрозащиты LE-37 подсистемы БМП;
· каналы регистрации статико-динамических давлений (7 каналов) через модули искрозащиты на модулях АЦП для тензометрических измерений LC-212. Точность регистрации – 0,1%;
· каналы регистрации напряжений (84 параметра) в виде значений 0…+5 В на модули LC-111.
В подсистеме измерения ММП один крейт LTC-45 (рис.2) на 16 измерительных модулей и один крейт-контроллер LC-016 обеспечивают преобразование, сбор, передачу и обмен данных со скоростью 300 Кслов/с, максимальный поток 170 тыс. измерений/с на один крейт. Всего в подсистему входят 10 крейтов (пять – основная система и пять – дублирующая). В измерительных крейтах информация с помощью крейт-контроллеров и встроенных компьютеров собирается, привязывается к шкале времени и передается через сетевые адаптеры в локальную вычислительную сеть типа Fastethernet с пропускной способностью до 100 Мбайт/с. Локальная вычислительная сеть ИИС имеет сложную разветвленную структуру. Она объединяет компьютеры на стенде (12 абонентов), в бункере управления (до 30 абонентов), в здании “’ЦИЛ-В” (10–15 абонентов). Связь между стендом и бункером управления, между бункером управления и зданием “ЦИЛ-В” осуществляется с помощью волоконно-оптического кабеля. Информация с основных и дублирующих крейтов ММП передается в бункер управления через сетевые коммутаторы (HUB) и оптические линии связи, далее поступает на компьютеры регистрации и обработки (основной и дублирующий). Оцифрованная информация регистрируется на жестком диске, обрабатывается (1 раз/с или 10 раз/с) с получением физических значений (а также расчетных параметров), передается в локальную сеть на компьютеры визуального отображения в цифровом виде или форме, задаваемой потребителем информации (стационарный или бегущий график, мнемосхемы, цифровое отображение с допусковым контролем).
Подсистема измерения БМП предназначена для регистрации параметров вибраций, пульсаций. Построена на базе промышленных компьютеров, в которых установлено по восемь плат L-1221. В пределах одного промышленного компьютера обеспечиваются измерения, запись на диск и передача на удаленный компьютер информации со скоростью до 500 тыс. измерений/с по сети и до 800 тыс. измерений/с при прямом соединении. На удаленном компьютере производится запись всего потока, обработка и отображение в реальном времени группами по четыре параметра информации в требуемом виде.
В схеме реализовано два вида каналов регистрации БМП:
· канал прямой регистрации сигналов датчиков низкочастотных вибраций. Сигналы с предусилителей датчиков подаются через модули искрозащиты на вход платы L-1221, питание предусилителей при этом для обеспечения взрывозащиты осуществляется через блоки питания внешних усилителей. Число каналов данного вида равно 16. Точность регистрации – 1,15% при неравномерности характеристики – 1,5%;
· канал регистрации через внешние усилители на плате L-1221. Общее число каналов – 65. Точность регистрации – 2,3% при неравномерности характеристики – 5%.
Подсистема единого времени предназначена для выработки стабильных во времени импульсов образцовых частот, приема сигналов "Старт", "Протяжка 1", "Протяжка 2" и формирования токовых сигналов для передачи по линиям связи (витая пара) в измерительные крейты. Подсистема формирует сигналы частотой 1 кГц для прерываний сигнальных процессоров в крейт-контроллерах и платах L-1221, а также сигналы частотой 1 и 10 Гц для синхронизации ИИС с другими службами.
Структурная схема испытательного стенда на ИИС “Л-КАРД” приведена на рис.3.
Аналогичные системы, собранные на аппаратуре ЗАО “Л-КАРД”, успешно функционируют в НИИХИММАШ ещё на трёх стендах, а также на других предприятиях отрасли. Фирма постоянно совершенствует аппаратуру. В настоящее время уже выпускается PC-совместимая станция сбора данных H-2000, в которой учтены недостатки LTC-крейтов.
Опыт эксплуатации системы измерений на базе оборудования ЗАО “Л-КАРД” свидетельствует, что эта аппаратура представляет собой класс современных ИИС, которая по своим характеристикам практически ничем не уступает зарубежным аналогам и в то же время гораздо дешевле. Это, естественно, привлекает отечественного потребителя с ограниченными средствами.
I. МОДУЛЬНАЯ СИСТЕМА LTC
Характерные особенности:
· возможность построения мобильных и стационарных информационно-измерительных и управляющих комплексов на базе PC и ноутбуков;
· потенциальные, токовые, частотные входы, поддержка всех основных типов индустриальных датчиков;
· наличие модулей различных классов точности с гальваноразвязкой или без нее, а также различных крейтов и крейт-контроллеров позволяет оптимально компоновать системы для различных задач при невысокой стоимости;
· система включена в Госреестр средств измерения, имеет взрывозащищенное исполнение (ГОСТ 12.2.020-76, ГОСТ 22782.0-81, ГОСТ 22782.5-78, ExibIIC);
· конструктив “Евромеханика 3U”.
В составе системы:
· набор модулей ввода/вывода;
· крейт для монтажа элементов системы;
· основной, а при необходимости и дополнительный, блок питания;
· плата промышленного PC в кассете (при необходимости);
· крейт-контроллер для связи с центральным компьютером (при необходимости – интерфейсная плата "Манчестер-2" на шину ISA).
Номенклатура крейт-контроллеров обеспечивает гибкость пространственной архитектуры системы. Предлагаемые
"Л-КАРД" модульные системы на базе LTC-крейтов характеризуются высокой устойчивостью к механическим воздействиям.
Условия окружающей среды:
· температура рабочая – от +5 до +55°C;
· температура хранения – от -10 до +55°C;
· относительная влажность – от 5 до 90 %.
II. ПЛАТА АЦП ДЛЯ ВИБРОАКУСТИЧЕСКОГО АНАЛИЗА L-1221
Специализированная плата для применений, связанных с повышенными требованиями к динамическим параметрам (отношение сигнал/шум, неравномерность амплитудно-частотной характеристики, динамический диапазон). Для оцифровки сигнала используются сигма-дельта АЦП со встроенными антиалайзинговыми ФНЧ. При проведении измерений сигнал сначала проходит через аналоговый фильтр для удаления высоких частот, а частота среза антиалайзингового фильтра при последующей фильтрации автоматически подстраивается к половине частоты дискретизации. Размещенный на плате цифровой сигнальный процессор (ЦСП), внутренняя структура которого оптимизирована для реализации цифровой фильтрации, спектрального анализа и т.д., используется и для управления всеми периферийными устройствами платы. Наличие ЦСП позволило упростить программирование для конкретных приложений.
Технические характеристики:
АЦП
Число каналов 8 дифференциальных
Разрядность АЦП 16 бит
Cигма-дельта АЦП с встроенным
антиалайзинговым фильтром:
максимальная частота преобразования 55 кГц
минимальная частота преобразования 1,5 Гц
входное сопротивление >10 МОм
диапазон входного сигнала ± 6… ± 0,04 В
защита входов ±20 В (питание вкл.),
± 10 В (питание выкл.)
смещение нуля без калибровки не хуже 2,5 мВ
после калибровки не хуже 0,04 % от диапазона
уход смещения нуля от температуры
в режиме измерения постоянной
составляющей менее 15 мВ/°C
температурный уход масштаба.. 0,0001/°C
сигнал/шум + гармонические искажения -62 дБ (частота 55 кГц, ±80 мВ),
-86 дБ (частота 55 кГц, ±6,3 В)
подавление синфазной составляющей -70 дБ
неравномерность АЧХ
в полосе пропускания -0,02 дБ (частота 55 кГц, ±80 мВ),
-0,07 дБ (частота 55 кГц, ±6,3 В)
межканальное прохождение. . . . . . . . . . . . . . . -75 дБ (частота 55 кГц, ±6,3 В),
-100 дБ (частота 55 кГц, ±6,3 В)
подавление сигнала вне полосы
пропускания ниже уровня шумов
Цифровой сигнальный процессор
Тип ADSP 2186
Тактовая частота 28 МГц
Внутреннее ОЗУ данных 8 Кслов
Внутреннее ОЗУ программ 8 Кслов
Цифровые входы/выходы
Число линий 3
Тип логики ТТЛ
Габариты 120x167 мм
Цена (вариант без режима отсечки постоянной составляющей) 750 у. е.
Цена (вариант с режимом отсечки постоянной составляющей) 850 у. е.
Представляем авторов статьи
ЛАПИН Алексей Анатольевич. Технический писатель ЗАО “Л-КАРД”. Окончил МИФИ (кафедра электроники). Сфера профессиональных интересов – системы сбора данных и управления, организация оборота технической документации, модерирует подборки “АЦП: решения, схемотехника, поставщики” и “Где купить датчики?” Контактный тел.: (095) 257-17-10; e-mail: a_lapin@lcard.ru; личный сайт: http://www.lcard.ru/~a_lapin/
ШИЛОВ Николай Владимирович. Начальник бригады в НИИХИММАШ. Окончил Харьковский политехнический институт. Сфера профессиональных интересов – испытания двигателей. e-mail: shilov@divo.ru
Реально переход со старой системы “Эра” на новую осуществлялся в два этапа во время перерывов между испытаниями. На первом этапе была заменена дублирующая система, и испытания проводились на двух системах – “Эра” и “Л-КАРД”. На втором этапе, после подтверждения за короткий срок (две недели) требуемых характеристик новой системы, аппаратуру “Эра” демонтировали окончательно и смонтировали в дублированном варианте ИИС на базе аппаратуры “Л-КАРД” (см. врезки I и II). Последние огневые испытания проводились уже на новой системе (рис.1). При этом никаких существенных замечаний в отношении аппаратуры зафиксировано не было. После небольшой модернизации ИИС была подготовлена к следующей серии испытаний. Объем измерений и требования остались практически такими же, как и на предыдущих испытаниях.
Новая ИИС состоит из трех подсистем: подсистемы медленно меняющихся параметров (ММП), быстро меняющихся параметров (БМП) и подсистемы единого времени (СЕВ).
Подсистема измерения ММП построена на базе модульной измерительной системы LTC (см. врезку I и таблицу), включенной в Госреестр средств измерений и имеющей сертификат соответствия и свидетельство на взрывозащиту. Из-за недостатка средств и большого числа измеряемых параметров в подсистеме оставлены некоторые типы вторичных преобразователей сигналов датчиков из комплекта “Эры”. В состав подсистемы входят:
· каналы измерения давления (440 параметров), которые содержат блоки питания датчиков во взрывозащищенном исполнении
LPF-LE7 (16 каналов), модули искрозащиты LE-37 и недорогие АЦП LC-111 (32-канальный режим подключения). Точность регистрации – 0,14%;
· каналы измерения температуры (386 параметров). Термометры сопротивления: ввод дискретных сигналов через преобразователи “Спутник” на модули LC-401 и прецизионный канал измерения на базе генераторов тока LC-116 (16 каналов), точных АЦП LC-114 (16 каналов) и модулей искробезопасного подключения датчиков LE-37. Точность канала без датчика – 0,03 К в водородном диапазоне. Термопары: подключение к LC-114 через модули искрозащиты LE-37;
· каналы регистрации кодов (414 параметров). Ввод сигналов от уровнемеров систем контроля заправки, команд системы управления на модулях LC-403I (32 канала). Точность регистрации – 0,001 с;
· каналы регистрации частотных параметров (27 параметров). Ввод значений расходов, оборотов, параметров системы заправки на модуле-частотомере LC-451 (8 каналов) через усилитель-преобразователь УДР-3ВИ. Точность регистрации – 0,0005% (за период усреднения 1 с). Для регистрации формы сигналы датчиков подаются в параллель на платы L-1221 (см. врезку II) через модули искрозащиты LE-37 подсистемы БМП;
· каналы регистрации статико-динамических давлений (7 каналов) через модули искрозащиты на модулях АЦП для тензометрических измерений LC-212. Точность регистрации – 0,1%;
· каналы регистрации напряжений (84 параметра) в виде значений 0…+5 В на модули LC-111.
В подсистеме измерения ММП один крейт LTC-45 (рис.2) на 16 измерительных модулей и один крейт-контроллер LC-016 обеспечивают преобразование, сбор, передачу и обмен данных со скоростью 300 Кслов/с, максимальный поток 170 тыс. измерений/с на один крейт. Всего в подсистему входят 10 крейтов (пять – основная система и пять – дублирующая). В измерительных крейтах информация с помощью крейт-контроллеров и встроенных компьютеров собирается, привязывается к шкале времени и передается через сетевые адаптеры в локальную вычислительную сеть типа Fastethernet с пропускной способностью до 100 Мбайт/с. Локальная вычислительная сеть ИИС имеет сложную разветвленную структуру. Она объединяет компьютеры на стенде (12 абонентов), в бункере управления (до 30 абонентов), в здании “’ЦИЛ-В” (10–15 абонентов). Связь между стендом и бункером управления, между бункером управления и зданием “ЦИЛ-В” осуществляется с помощью волоконно-оптического кабеля. Информация с основных и дублирующих крейтов ММП передается в бункер управления через сетевые коммутаторы (HUB) и оптические линии связи, далее поступает на компьютеры регистрации и обработки (основной и дублирующий). Оцифрованная информация регистрируется на жестком диске, обрабатывается (1 раз/с или 10 раз/с) с получением физических значений (а также расчетных параметров), передается в локальную сеть на компьютеры визуального отображения в цифровом виде или форме, задаваемой потребителем информации (стационарный или бегущий график, мнемосхемы, цифровое отображение с допусковым контролем).
Подсистема измерения БМП предназначена для регистрации параметров вибраций, пульсаций. Построена на базе промышленных компьютеров, в которых установлено по восемь плат L-1221. В пределах одного промышленного компьютера обеспечиваются измерения, запись на диск и передача на удаленный компьютер информации со скоростью до 500 тыс. измерений/с по сети и до 800 тыс. измерений/с при прямом соединении. На удаленном компьютере производится запись всего потока, обработка и отображение в реальном времени группами по четыре параметра информации в требуемом виде.
В схеме реализовано два вида каналов регистрации БМП:
· канал прямой регистрации сигналов датчиков низкочастотных вибраций. Сигналы с предусилителей датчиков подаются через модули искрозащиты на вход платы L-1221, питание предусилителей при этом для обеспечения взрывозащиты осуществляется через блоки питания внешних усилителей. Число каналов данного вида равно 16. Точность регистрации – 1,15% при неравномерности характеристики – 1,5%;
· канал регистрации через внешние усилители на плате L-1221. Общее число каналов – 65. Точность регистрации – 2,3% при неравномерности характеристики – 5%.
Подсистема единого времени предназначена для выработки стабильных во времени импульсов образцовых частот, приема сигналов "Старт", "Протяжка 1", "Протяжка 2" и формирования токовых сигналов для передачи по линиям связи (витая пара) в измерительные крейты. Подсистема формирует сигналы частотой 1 кГц для прерываний сигнальных процессоров в крейт-контроллерах и платах L-1221, а также сигналы частотой 1 и 10 Гц для синхронизации ИИС с другими службами.
Структурная схема испытательного стенда на ИИС “Л-КАРД” приведена на рис.3.
Аналогичные системы, собранные на аппаратуре ЗАО “Л-КАРД”, успешно функционируют в НИИХИММАШ ещё на трёх стендах, а также на других предприятиях отрасли. Фирма постоянно совершенствует аппаратуру. В настоящее время уже выпускается PC-совместимая станция сбора данных H-2000, в которой учтены недостатки LTC-крейтов.
Опыт эксплуатации системы измерений на базе оборудования ЗАО “Л-КАРД” свидетельствует, что эта аппаратура представляет собой класс современных ИИС, которая по своим характеристикам практически ничем не уступает зарубежным аналогам и в то же время гораздо дешевле. Это, естественно, привлекает отечественного потребителя с ограниченными средствами.
I. МОДУЛЬНАЯ СИСТЕМА LTC
Характерные особенности:
· возможность построения мобильных и стационарных информационно-измерительных и управляющих комплексов на базе PC и ноутбуков;
· потенциальные, токовые, частотные входы, поддержка всех основных типов индустриальных датчиков;
· наличие модулей различных классов точности с гальваноразвязкой или без нее, а также различных крейтов и крейт-контроллеров позволяет оптимально компоновать системы для различных задач при невысокой стоимости;
· система включена в Госреестр средств измерения, имеет взрывозащищенное исполнение (ГОСТ 12.2.020-76, ГОСТ 22782.0-81, ГОСТ 22782.5-78, ExibIIC);
· конструктив “Евромеханика 3U”.
В составе системы:
· набор модулей ввода/вывода;
· крейт для монтажа элементов системы;
· основной, а при необходимости и дополнительный, блок питания;
· плата промышленного PC в кассете (при необходимости);
· крейт-контроллер для связи с центральным компьютером (при необходимости – интерфейсная плата "Манчестер-2" на шину ISA).
Номенклатура крейт-контроллеров обеспечивает гибкость пространственной архитектуры системы. Предлагаемые
"Л-КАРД" модульные системы на базе LTC-крейтов характеризуются высокой устойчивостью к механическим воздействиям.
Условия окружающей среды:
· температура рабочая – от +5 до +55°C;
· температура хранения – от -10 до +55°C;
· относительная влажность – от 5 до 90 %.
II. ПЛАТА АЦП ДЛЯ ВИБРОАКУСТИЧЕСКОГО АНАЛИЗА L-1221
Специализированная плата для применений, связанных с повышенными требованиями к динамическим параметрам (отношение сигнал/шум, неравномерность амплитудно-частотной характеристики, динамический диапазон). Для оцифровки сигнала используются сигма-дельта АЦП со встроенными антиалайзинговыми ФНЧ. При проведении измерений сигнал сначала проходит через аналоговый фильтр для удаления высоких частот, а частота среза антиалайзингового фильтра при последующей фильтрации автоматически подстраивается к половине частоты дискретизации. Размещенный на плате цифровой сигнальный процессор (ЦСП), внутренняя структура которого оптимизирована для реализации цифровой фильтрации, спектрального анализа и т.д., используется и для управления всеми периферийными устройствами платы. Наличие ЦСП позволило упростить программирование для конкретных приложений.
Технические характеристики:
АЦП
Число каналов 8 дифференциальных
Разрядность АЦП 16 бит
Cигма-дельта АЦП с встроенным
антиалайзинговым фильтром:
максимальная частота преобразования 55 кГц
минимальная частота преобразования 1,5 Гц
входное сопротивление >10 МОм
диапазон входного сигнала ± 6… ± 0,04 В
защита входов ±20 В (питание вкл.),
± 10 В (питание выкл.)
смещение нуля без калибровки не хуже 2,5 мВ
после калибровки не хуже 0,04 % от диапазона
уход смещения нуля от температуры
в режиме измерения постоянной
составляющей менее 15 мВ/°C
температурный уход масштаба.. 0,0001/°C
сигнал/шум + гармонические искажения -62 дБ (частота 55 кГц, ±80 мВ),
-86 дБ (частота 55 кГц, ±6,3 В)
подавление синфазной составляющей -70 дБ
неравномерность АЧХ
в полосе пропускания -0,02 дБ (частота 55 кГц, ±80 мВ),
-0,07 дБ (частота 55 кГц, ±6,3 В)
межканальное прохождение. . . . . . . . . . . . . . . -75 дБ (частота 55 кГц, ±6,3 В),
-100 дБ (частота 55 кГц, ±6,3 В)
подавление сигнала вне полосы
пропускания ниже уровня шумов
Цифровой сигнальный процессор
Тип ADSP 2186
Тактовая частота 28 МГц
Внутреннее ОЗУ данных 8 Кслов
Внутреннее ОЗУ программ 8 Кслов
Цифровые входы/выходы
Число линий 3
Тип логики ТТЛ
Габариты 120x167 мм
Цена (вариант без режима отсечки постоянной составляющей) 750 у. е.
Цена (вариант с режимом отсечки постоянной составляющей) 850 у. е.
Представляем авторов статьи
ЛАПИН Алексей Анатольевич. Технический писатель ЗАО “Л-КАРД”. Окончил МИФИ (кафедра электроники). Сфера профессиональных интересов – системы сбора данных и управления, организация оборота технической документации, модерирует подборки “АЦП: решения, схемотехника, поставщики” и “Где купить датчики?” Контактный тел.: (095) 257-17-10; e-mail: a_lapin@lcard.ru; личный сайт: http://www.lcard.ru/~a_lapin/
ШИЛОВ Николай Владимирович. Начальник бригады в НИИХИММАШ. Окончил Харьковский политехнический институт. Сфера профессиональных интересов – испытания двигателей. e-mail: shilov@divo.ru
Отзывы читателей
