陳　聯(lián)，丁　棟，李　強(qiáng)，魏　廣

（1.蘭州空間技術(shù)物理研究所 真空技術(shù)與物理重點實驗室，蘭州　730000；2.蘭州交通大學(xué)，蘭州　730070）

共底安全監(jiān)測系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)傳輸軟件設(shè)計

陳聯(lián)1，丁棟1，李強(qiáng)2，魏廣1

（1.蘭州空間技術(shù)物理研究所 真空技術(shù)與物理重點實驗室，蘭州730000；2.蘭州交通大學(xué)，蘭州730070）

共底安全監(jiān)測系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)傳輸軟件是為提高火箭共底安全監(jiān)測系統(tǒng)測量工作的及時性、準(zhǔn)確性和可靠性，而開發(fā)的一種專用測試軟件。文中主要介紹了傳輸軟件的功能要求，總體結(jié)構(gòu)設(shè)計、質(zhì)譜計數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計、網(wǎng)絡(luò)傳輸功能設(shè)計、功能測試結(jié)果分析等方面的內(nèi)容。測試數(shù)據(jù)傳輸軟件采用模塊化設(shè)計、質(zhì)譜計OPC通訊、網(wǎng)絡(luò)間TCP/IP通訊和SQL數(shù)據(jù)庫等通訊和工具，實現(xiàn)低溫運載火箭發(fā)射過程中的共底殘余氣體濃度含量的自動采集、存貯和傳輸，簡化了發(fā)射場操作流程。

共底；安全監(jiān)測；質(zhì)譜分析；傳輸軟件

0　引言

共底安全監(jiān)測系統(tǒng)是用于我國低溫運載火箭發(fā)射過程中，低溫級液氫和液氧箱共用的絕熱腔體（簡稱共底）氫、氧泄漏情況實時監(jiān)測工作，確?；鸺l(fā)射安全?；鸺驳妆O(jiān)測系統(tǒng)的工作原理是采用真空壓力監(jiān)測的方式實現(xiàn)絕熱腔體總壓力監(jiān)測，采用質(zhì)譜分析的方法實現(xiàn)共底內(nèi)氫、氧等殘余濃度含量測量，兩者結(jié)合使用，及時發(fā)現(xiàn)共底是否發(fā)生泄漏以及泄漏部位［1］。早期的共底安全監(jiān)測系統(tǒng)通過人工記錄的方式實現(xiàn)測量結(jié)果的存儲、上傳和分析，在及時性、準(zhǔn)確性和可靠性方面較差，共底安全監(jiān)測系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)傳輸軟件是為了滿足火箭發(fā)射場流程再造需求，提高自動化程度而開發(fā)的一種專用測試軟件［2］。

1　軟件功能要求

測試數(shù)據(jù)傳輸軟件的基本功能是實現(xiàn)液氫、液氧加注期間共底氣體成份濃度的測量，并將測量結(jié)果按指定格式和協(xié)議通過網(wǎng)線遠(yuǎn)程傳輸至總體網(wǎng)。軟件運行過程中，能依據(jù)操作人員的要求，啟動相關(guān)聯(lián)的軟件程序，獲取質(zhì)譜數(shù)據(jù)與真空計數(shù)據(jù)，并在各自的顯示區(qū)依據(jù)獲取的數(shù)據(jù)實時顯示各自的圖表與圖像，同時要將數(shù)據(jù)及時保存到數(shù)據(jù)庫中，方便后續(xù)數(shù)據(jù)讀取和分析。在檢測到共底氫濃度超標(biāo)、通信故障時能夠及時給出報警顯示。在需要時，可以與總體網(wǎng)上位機(jī)之間通過發(fā)送UDP的數(shù)據(jù)包實現(xiàn)測試數(shù)據(jù)信息的上傳，并按照指定格式將發(fā)送的數(shù)據(jù)以文件的形式存儲在指定文件夾內(nèi)，便于事后計算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)自動比對。具體要求如下：

（1）能對H2、O2、N2、He、H2O等氣體的濃度進(jìn)行測量；

（2）能采用UDP協(xié)議將H2、O2、N2、He、H2O等氣體濃度的測量結(jié)果上傳至總體網(wǎng)上位機(jī)；

（3）能通過監(jiān)測質(zhì)譜室壓力的方式確保質(zhì)譜計正常工作；

（4）能在氫濃度超過7%、質(zhì)譜計、真空計和總體網(wǎng)等通信故障時給出報警顯示。

軟件運行過程中涉及到的硬件接口要求如圖1所示，測試數(shù)據(jù)傳輸軟件安裝在計算機(jī)上，其中質(zhì)譜計與計算機(jī)間采用RJ45網(wǎng)絡(luò)OPC通信協(xié)議通信，質(zhì)譜室真空計與計算機(jī)間采用RS232接口Modbus協(xié)議通信，總體網(wǎng)上位機(jī)與計算機(jī)間采用RJ45網(wǎng)絡(luò)TCP/IP協(xié)議通信。顯示單元采用觸控一體機(jī)，能直接通過手動點擊顯示單元給出的開發(fā)操作界面上對應(yīng)的控件，實現(xiàn)軟件啟停控制和運行參數(shù)設(shè)置［3］。

圖1　測試數(shù)據(jù)傳輸軟件硬件接口圖

2　軟件總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)軟件功能要求，設(shè)計的共底安全監(jiān)測系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)傳輸軟件主要功能模塊包括：權(quán)限設(shè)置模塊、系統(tǒng)配置模塊、設(shè)備運行管理模塊、實時數(shù)據(jù)處理模塊、歷史數(shù)據(jù)管理模塊、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸模塊、報警模塊和操作日志模塊，詳細(xì)功能分配如表1所示。

表1　軟件模塊功能分配表

根據(jù)表1設(shè)計出的測試數(shù)據(jù)傳輸軟件典型運行界面圖如圖2所示。

圖2　測試數(shù)據(jù)傳輸軟件運行界面圖

3　主要功能模塊詳細(xì)設(shè)計分析

3.1質(zhì)譜計數(shù)據(jù)采集功能設(shè)計

本次研制的共底安全監(jiān)測系統(tǒng)在質(zhì)譜計配置方面，選用的是Pfeiffer公司生產(chǎn)的QMG220M1型四極質(zhì)譜計，該型號質(zhì)譜計自帶的測量軟件QUADE?RA能夠?qū)崿F(xiàn)H2、O2、N2、He、H2O等濃度的直接測量，測量結(jié)果以Excel表格的形式存在指定文件下，但是這種方式導(dǎo)致用戶二次開發(fā)的軟件無法實時讀取數(shù)據(jù)，增加軟件開發(fā)難度。通過和硬件生產(chǎn)商溝通發(fā)現(xiàn)，QMG220M1質(zhì)譜計還提供了基于OPC（OLE for Process Control）協(xié)議的數(shù)據(jù)通信功能。

通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，OPC協(xié)議是一種具有開放、開發(fā)和協(xié)作功能的通用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，是微軟公司的對象連接和嵌入技術(shù)在過程控制領(lǐng)域的應(yīng)用，為工業(yè)自動化軟件面向?qū)ο蟮拈_發(fā)提供一項統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)［4-5］。QMG220M1質(zhì)譜計在OPC協(xié)議方面提供了用于質(zhì)譜計的分析器控制、測量通道選擇、外接設(shè)備添加和通用安全保護(hù)等四大方面近150條控制指令，軟件開發(fā)用戶可以利用這些控制指令的自由組合，實現(xiàn)質(zhì)譜計的啟停控制、測量通道和測量范圍選擇、質(zhì)譜計組網(wǎng)或外接其他類型壓力計、使用安全保護(hù)等個性化設(shè)計功能?；贠PC通信協(xié)議的優(yōu)點，共底安全監(jiān)測系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)傳輸軟件設(shè)計過程中，采用OPC協(xié)議直接控制QMG220M1質(zhì)譜計硬件，主要使用了其中的7條控制指令，如表2所示，可基本實現(xiàn)了質(zhì)譜計的啟停和H2、O2、N2、He、H2O共5種殘余氣體離子流強(qiáng)度值的實時采集功能。

表2　OPC控制指令設(shè)置

其他在OPC通信中需要使用的質(zhì)譜計燈絲電流，倍增器電壓，H2、O2、N2、He、H2O共5種殘余氣體對應(yīng)的質(zhì)量數(shù)、掃描時間、檢測模式、分辨率等參數(shù)，由于首次設(shè)置后，在后續(xù)的質(zhì)譜計啟停和測量過程不需要再重新設(shè)置，因此，為了簡化測試傳輸軟件的復(fù)雜性，利用質(zhì)譜計自帶的軟件QUADERA實現(xiàn)相關(guān)參數(shù)設(shè)置，典型設(shè)置界面如圖3所示。

圖3　QUADERA軟件實現(xiàn)OPC信息配置界面

3.2網(wǎng)絡(luò)傳輸功能設(shè)計

共底安全監(jiān)測系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)傳輸軟件與總體網(wǎng)之間的信息交換使用標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP協(xié)議，采用Win?dows Sockets標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)程序設(shè)計接口。測試數(shù)據(jù)的交換采用無連接的數(shù)據(jù)報式套接字即UDP，將測試信息按照約定的信息幀格式打包發(fā)送給總體網(wǎng)上位機(jī)，同時對所發(fā)送的數(shù)據(jù)按照指定的存盤格式進(jìn)行存盤，便于在測試后與信息接收方進(jìn)行數(shù)據(jù)比對。信息幀格式由信息頭和信息字組成，其中信息頭由幀同步、幀長、幀類型、備用字、日期、時間、幀計數(shù)、信息字個數(shù)、校驗和等內(nèi)容共32個字節(jié)組成。信息字有5個，分別對應(yīng)H2、O2、N2、He、H2O共5種氣體的濃度值，每個信息字使用12個字節(jié)，設(shè)計為IEEE浮點型，其中整數(shù)位2為，小數(shù)位4位。

4　功能測試

軟件功能測試主要包括配置功能測試、信息幀格式正確性測試和總體網(wǎng)聯(lián)合測試等幾個過程。其中配置功能測試主要是針對表1中所規(guī)定的功能進(jìn)行了逐一檢查和復(fù)現(xiàn)，同時采用人為設(shè)定異常情況，如氫濃度超標(biāo)、質(zhì)譜室壓力超標(biāo)、網(wǎng)絡(luò)通信故障、異常關(guān)機(jī)等方式，驗證軟件對異常和報警信息的響應(yīng)能力。信息幀格式正確性測試采用編制模擬測試程序的方式實現(xiàn)，模擬程序能夠?qū)邮艿降臄?shù)據(jù)按照規(guī)定格式進(jìn)行解碼，通過逐條比對解碼后的數(shù)據(jù)與實際傳輸數(shù)據(jù)的一致性，從而驗證信息幀格式的正確性，測試結(jié)果表明信息幀格式完全滿足規(guī)定要求?？傮w網(wǎng)聯(lián)合測試是將總體網(wǎng)上位機(jī)作為接收終端，共底安全監(jiān)測系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)傳輸軟件將實時測量獲得的共底殘余氣體濃度數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)，測試結(jié)果表明，上位機(jī)顯示的實時數(shù)據(jù)與共底安全監(jiān)測系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)傳輸軟件顯示的測量數(shù)據(jù)完全一致，并隨共底內(nèi)殘余氣體濃度的變化而實時變化。

5　結(jié)論

共底安全監(jiān)測系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)傳輸軟件采用模塊化設(shè)計實現(xiàn)各項規(guī)定功能。利用質(zhì)譜計配置的OPC協(xié)議對質(zhì)譜計的測量軟件進(jìn)行了二次開發(fā)，實現(xiàn)了測試軟件直接控制質(zhì)譜計硬件的啟停和共底殘余氣體濃度含量測量。利用TCP/IP協(xié)議，按照規(guī)定信息格式實現(xiàn)了濃度測量數(shù)據(jù)的自動上傳。最終實現(xiàn)低溫運載火箭發(fā)射過程中的共底殘余氣體濃度含量的自動采集、存儲和傳輸，簡化了發(fā)射場操作流程，提高了濃度測量結(jié)果的及時性、準(zhǔn)確性和可靠性。

［1］陳光奇，王麗紅，孫冬花，等.火箭低溫貯箱的新型共底安全監(jiān)測系統(tǒng)［J］.導(dǎo)彈與航天運載技術(shù)，2010（4）：46-48.

［2］陳聯(lián)，冬花，王愛民，等.遠(yuǎn)程傳輸型共底安全監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計及特性［J］.真空，2014，51（6）：39-42.

［3］魏廣，馬少君，陳聯(lián)，等.微波開關(guān)壽命試驗設(shè)備的測控儀設(shè)計［J］.真空與低溫，2015，21（1）：56-61.

［4］張立業(yè)，劉昌盛，朱信接.OPC技術(shù)研究［J］.科學(xué)決策，2008（12）：176.

［5］黃希敏.基于C#語言的工業(yè)計算機(jī)與S7-300的OPC通訊［J］.重型機(jī)械，2011（5）：39-41.

DESIGN OF DATA TRANSMISSION SOFTWARE FOR SAFETY MONITORING SYSTEM OF BULKHEAD

CHEN Lian1，DING Dong1，LI Qiang2，WEI Guang1
（1.Science and Technology on Vacuum Technology and Physics Laboratory，Lanzhou Institute of Physics，Lanzhou730000，China；2.Lanzhou Jiaotong University，Lanzhou730070，China）

Data transmission software for safety monitoring system of bulkhead is a special test software to improve timeliness，accuracy，reliability of measurement.This paper mainly introduces functional requirements and structure design of data transmission software，data acquisition module design of mass spectrometer，network transmission function design，and analysis of functional test results.By using modular design，OPC for mass spectrometer，TCP/IP for network and SQL database，data transmission software implemented automatic data acquisition，storage and transmission of bulkhead residual gas concentration measurement in the process of cryogenic liquid rocket launch，and simplified operation process of launch site.

bulkhead；safety monitoring；mass spectrometer analysis；transmission software

V513

A

1006-7086（2015）05-0303-04

10.3969/j.issn.1006-7086.2015.05.012

2015-04-26

陳聯(lián)（1979-），男，安徽省廬江縣人，高級工程師，主要從事質(zhì)譜分析與密封容器泄漏檢測技術(shù)研究與開發(fā)。Email：yf_rr@sina.com。