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技術(shù)頻道

基于NI LabVIEW和Compact FieldPoint的水底爬行器(新！)

分類：技術(shù)教程 日期：2009-06-08 11:40:11 來源：

國家海洋技術(shù)研究所建造用于采集海床材料的水下行進(jìn)裝置
作者:

Baskar Ceri, Apna Technologies & Solutions 有限公司;
Vishwananth B O, 國家海洋技術(shù)學(xué)院;
Binu Balakrishnan, 國家海洋技術(shù)學(xué)院;
Valliappan M, Apna Technologies & Solutions 有限公司;
Senthil Raj Desappan, Apna Technologies & Solutions 有限公司

應(yīng)用領(lǐng)域：
水處理/廢水處理

挑戰(zhàn)：
為一臺(tái)能夠在深達(dá)600米的海床運(yùn)行的水下行進(jìn)裝置搭建數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)。

解決方案：
使用NI LabVIEW, PXI Real-Time and Compact FieldPoint Real-Time Modules 開發(fā)系統(tǒng)。

使用產(chǎn)品：
Compact FieldPoint, 數(shù)據(jù)采集, LabVIEW, LabVIEW Real-Time, PXI/CompactPCI

介紹：
國家海洋技術(shù)學(xué)院開發(fā)了一組可在水下600米深海床執(zhí)行采集任務(wù)的行進(jìn)裝置，該裝置同時(shí)配備有剪切、采集以及運(yùn)輸物體的設(shè)備。裝置從船只上投放，我們通過裝置上的水下計(jì)算機(jī)控制所有的操作，計(jì)算機(jī)獲取來自水下傳感器的數(shù)據(jù)、通過遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)連接接收來自船艙控制室電腦的指令并且自動(dòng)和手動(dòng)地控制行進(jìn)裝置上的設(shè)備輸出。我們通過使用一個(gè)多種模式下的光纖連接來建立控制船和海底計(jì)算機(jī)的通訊。為了能夠從行進(jìn)裝置上獲取各種各樣的信號(hào)，例如速度、方向和溫度，我們用的是置于船艙控制室的用戶界面屏幕。控制室單元從用戶終端采集正確的控制輸入數(shù)據(jù)，然后將這些數(shù)據(jù)傳遞解碼到水下裝置的系統(tǒng)上。為了操作更具靈活性，我們將水下裝置與船艙控制室之間的通訊聯(lián)絡(luò)設(shè)計(jì)成TCP/IP協(xié)議方式的通訊（默認(rèn)的通訊協(xié)議），如果TCP/IP協(xié)議無法進(jìn)行通訊聯(lián)絡(luò)，系統(tǒng)自動(dòng)轉(zhuǎn)入串行通訊。當(dāng)TCP/IP通訊聯(lián)絡(luò)恢復(fù)時(shí)，系統(tǒng)又會(huì)切回。系統(tǒng)的靈活性還在于如果船艙控制室和水下行進(jìn)裝置在一定時(shí)間內(nèi)沒有任何通訊聯(lián)絡(luò)，這個(gè)模塊會(huì)將裝置維持在用戶特定的安全位置直至通訊恢復(fù)正常。

系統(tǒng)描述
我們運(yùn)用下列技術(shù)開發(fā)了水下行進(jìn)裝置的數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)：

  • 兩臺(tái)工業(yè)計(jì)算機(jī)運(yùn)行基于LabVIEW的應(yīng)用程序，為控制船上的用戶提供用戶界面
  • PXI Real-Time系統(tǒng)包括一臺(tái)PXI-1002機(jī)箱和一臺(tái)PXI-8176RT嵌入式控制器
  • 用PXI-6031多功能DAQ硬件設(shè)備連接到控制臺(tái)信號(hào)
  • 用PXI-6508數(shù)字輸入輸出硬件連接到控制手柄正常。

在行進(jìn)裝置上的緊湊型嵌入式系統(tǒng)是基于Compact FieldPoint的實(shí)時(shí)系統(tǒng)，包括下列：
  • cFP-2020RT 嵌入式控制器
  • cFP-AI-110類比輸入模塊
  • cFP-FTD-122 RTD 輸入模塊
  • cFP-AO-210 類比輸入模塊
  • cFP-DO-403 數(shù)字輸出模塊

水下行進(jìn)裝置包括下列：
  • 兩條水力驅(qū)動(dòng)履帶使得裝置可以運(yùn)動(dòng)
  • 用于松開海床上物體的剪刀
  • 機(jī)械手臂使得剪刀向三個(gè)不同轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)
  • 泥漿泵和管道使得挖到的沙子運(yùn)送到控制船· 推進(jìn)器維持裝置的穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)，不收海流影響
  • 水力電源單元
  • 兩臺(tái)攝像機(jī)和它們的燈光設(shè)備，用來觀察周邊情況和剪刀運(yùn)動(dòng)
  • 感應(yīng)頭用來容納數(shù)據(jù)采集硬件從而來自行進(jìn)裝置及周邊的各種信號(hào)并控制裝置的運(yùn)動(dòng)
  • 230伏特交流電， 3KVA電纜線驅(qū)動(dòng)泥漿泵、推進(jìn)器控制和其他電路設(shè)備

行進(jìn)裝置控制和數(shù)據(jù)采集
我們?cè)谒滦羞M(jìn)裝置控制系統(tǒng)研發(fā)過程中選用NI Compact FieldPoint系統(tǒng)是因?yàn)樗膱?jiān)固性和緊湊性。我們實(shí)施了一組Compact FieldPoint 系統(tǒng)，包括有運(yùn)行LabVIEW實(shí)時(shí)程序高端512兆記憶體的嵌入式控制器cFP-2020，溫度輸入設(shè)備cFP-RTD-122， 模擬輸入設(shè)備cFP-AI-110， 控制驅(qū)動(dòng)以及通過提供PID輸出控制方向的設(shè)備cFP-AO-210， 數(shù)字輸入設(shè)備cFP-DO-403和速度輸入設(shè)備cFP-CTR-502。我們運(yùn)用Compact FieldPoint實(shí)時(shí)控制器和Compact FieldPoint I/O模塊控制所有行進(jìn)裝置的構(gòu)件。我們從船艙控制室將行進(jìn)裝置連同cFP模塊投放到深達(dá)600米的海床。

PXI系統(tǒng)包括PXI-1002機(jī)箱和PXI-8176嵌入式控制器，運(yùn)行的是LabVIEW實(shí)時(shí)應(yīng)用程序,以及從用戶控制面板獲取數(shù)字輸入的PXI-6508, 用于控制面板模擬輸入的PXI- 6031E。

行進(jìn)裝置控制模塊：
這部分是運(yùn)行行進(jìn)裝置實(shí)時(shí)Compact FieldPoint控制器的主控制器程序。我們?cè)贚abVIEW實(shí)時(shí)(Real-Time)中編寫這個(gè)模塊。這個(gè)模塊持續(xù)從各個(gè)傳感器的感應(yīng)頭上采集數(shù)據(jù)并與船艙控制室內(nèi)的PXI 實(shí)時(shí)控制器進(jìn)行雙向通訊。PXI 和Compact FieldPoint實(shí)時(shí)控制器之間的通訊是通過TCP/IP協(xié)議來進(jìn)行的。當(dāng)TCP/IP無法運(yùn)行的時(shí)候，通訊將切換到串行模式。
我們特別設(shè)計(jì)這樣的模塊程序，當(dāng)它從一個(gè)PXI實(shí)時(shí)控制器接收任何指令，模塊在激活相應(yīng)的Compact FieldPoint模塊輸出前會(huì)檢查用戶設(shè)定的嚴(yán)格互鎖條件。當(dāng)船只和水下行進(jìn)裝置沒有通訊聯(lián)絡(luò)的時(shí)候，我們?cè)贑ompact FieldPoint存儲(chǔ)器中維護(hù)互相獨(dú)立的數(shù)據(jù)日志、事件日志和錯(cuò)誤日志文檔。一旦PXI和Compact FieldPoint之間的通訊聯(lián)絡(luò)恢復(fù)，我們把所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)上載到PXI。如果船艙控制室和水下行進(jìn)裝置在一定時(shí)間內(nèi)沒有任何通訊聯(lián)絡(luò)，這個(gè)模塊會(huì)將裝置引向安全位置。這個(gè)模塊的運(yùn)行要求運(yùn)用PID算法來控制水下行進(jìn)裝置的方向、速度和自動(dòng)操作模式下兩條履帶的滑動(dòng)。

通訊模塊：
這個(gè)模塊是所有模塊之間通訊聯(lián)絡(luò)的核心 – 包括主從電腦之間、PXI 控制器和 Compact FieldPoint 控制器之間以及主電腦和PXI控制器之間。大多數(shù)通訊聯(lián)絡(luò)是基于TCP/IP協(xié)議的。在PXI控制器和Compact FieldPoint控制器之間還有額外的內(nèi)建通訊。TCP/IP通訊是默認(rèn)的通訊協(xié)議，但如果這種通訊方式出現(xiàn)了錯(cuò)誤，模塊將自動(dòng)切換到串行（RS232）模式，而這樣做不會(huì)失去與控制船的聯(lián)系。模塊將不停地核對(duì)TCP/IP通訊是否重新建立。憑借高速數(shù)據(jù)傳送，一旦TCP/IP開始工作，通訊方式又將切換回TCP/IP，因?yàn)樗跀?shù)據(jù)傳輸方面有著高的速度。這個(gè)模塊負(fù)責(zé)自動(dòng)地在TCP/IP和串行模式的通訊方式間進(jìn)行切換。

數(shù)據(jù)記錄模塊：
數(shù)據(jù)記錄模塊運(yùn)行在主電腦中、PXI控制器里和Compact FieldPoint控制器里。主電腦中存儲(chǔ)有每一天的操作數(shù)據(jù)。PXI控制器中有所有的數(shù)據(jù)作為備份。Compact FieldPoint中存儲(chǔ)的是當(dāng)Compact FieldPoint控制器和PXI控制器之間沒有通訊聯(lián)絡(luò)時(shí)的所有數(shù)據(jù)。當(dāng)它們之間的通訊重新建立時(shí)，被存儲(chǔ)在Compact FieldPoint控制器中的文檔即被轉(zhuǎn)移到PXI 控制器中。我們維護(hù)相互獨(dú)立的數(shù)據(jù)、誤差記錄，同時(shí)存檔事件的日志文件。數(shù)據(jù)記錄中有所有來自行進(jìn)裝置傳感器的數(shù)據(jù)。誤差記錄中有操作過程中的所有錯(cuò)誤。事件日志則是記錄了所有的事件，比如在用戶在船艙控制室或者主從界面的控制動(dòng)作，相應(yīng)的水下行進(jìn)裝置的動(dòng)作，包括動(dòng)作事件發(fā)生所對(duì)應(yīng)的時(shí)間。系統(tǒng)按照用戶設(shè)定的記錄速率進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄。通過查看模塊，用戶可以隨時(shí)調(diào)閱之前所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)。

結(jié)論
我們用NI虛擬儀器技術(shù)的概念構(gòu)建水下行進(jìn)裝置的數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)，使用了包括LabVIEW、 PXI實(shí)時(shí)(Real-Time)以及 Compact FieldPoint Real-Time的技術(shù),通過最高效的應(yīng)用程序完成數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)的構(gòu)建。該系統(tǒng)不僅負(fù)責(zé)獲取來自水下600米深的海床處行進(jìn)裝置的信號(hào)，而且還負(fù)責(zé)控制行進(jìn)裝置本身。最終，我們縮短了開發(fā)的時(shí)間,并且還具備了應(yīng)付未來技術(shù)不斷改進(jìn)升級(jí)的能力.

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