油噴霧閥監測裝置的開(kāi)發(fā)與設計

關(guān)鍵詞：噴霧閥；系統設計；控制；多線(xiàn)程；抗干擾

前言
在船舶動(dòng)力工程設計中，有一個(gè)重要的裝置，即油的噴霧閥，其性能的好壞直接影響著(zhù)柴油發(fā)電機的發(fā)電效率和性能。本文在廣泛分析噴霧閥噴吹過(guò)程的基礎上，設計了噴霧閥性能監測裝置。該裝置借助壓力變送器、加速度變送器等，通過(guò)計算機采集噴霧閥出口的壓力、氣包壓力、標靶加速度信號，能實(shí)時(shí)在線(xiàn)評估噴霧閥的性能品質(zhì)，適應各種不同結構與尺寸的噴霧閥監測需求。
監測的狀態(tài)量主要有：
噴霧閥出口的壓力波形及其上升速率()；噴吹令標靶產(chǎn)生的加速度波形 ； 穩壓氣包內壓力變化波形；噴吹氣量(△Q)；電噴霧時(shí)間(te)。

監測原理及監測過(guò)程的實(shí)現
空壓機為穩壓氣包提供壓縮空氣，通過(guò)調壓閥調節至需要壓力，由計算機向噴霧閥發(fā)出開(kāi)啟指令噴霧噴吹(延時(shí)設定時(shí)間關(guān)閉，電噴霧時(shí)間可調)，在計算機向噴霧閥發(fā)送開(kāi)啟指令的同時(shí)啟動(dòng)采樣程序，采集氣包壓力、噴霧閥出口的壓力(全壓)、標靶加速度信號，并將采樣數據存入計算機，對采樣數據進(jìn)行處理分析，實(shí)時(shí)在線(xiàn)繪制噴霧閥出口壓力、穩壓氣包內壓力變化及標靶加速度波形圖。通過(guò)分析以上圖形，可評估噴霧閥性能品質(zhì)的優(yōu)劣。裝置的主要功能如下：
1)信號采集功能：主要完成包括噴霧閥出口的壓力、氣包壓力、標靶加速度信號等在內的實(shí)時(shí)采集，且采樣頻率可調；
2)屏幕顯示功能：以曲線(xiàn)和數字方式分別顯示各通道數據趨勢曲線(xiàn)以及分析后的數據和譜線(xiàn)數據；
3)存儲和回放功能：完成采集數據和分析數據的存儲、回放分析、信號分離并進(jìn)行數據的時(shí)域和頻域分析；
4)噴霧閥性能評定功能：通過(guò)對輸入標定數據的分段擬合進(jìn)行數據修正。
系統配置
為滿(mǎn)足檢測裝置對控制系統的設計要求，我們選用了Advantech的IPC-610P型工業(yè)控制計算機(PCA6180主板、256MSDRAM、PIII 1GH CPU)作為主控制器，完成人機交互、實(shí)時(shí)數據采集、分析、存貯、圖形繪制與打印等任務(wù)；WP系列的一體化(傳感器和變送器合二為一)壓力變送器、CA-GT系列的一體化加速度變送器分別變送氣包壓力、噴霧閥出口壓力和標靶加速度電信號；高性能、高采集速率的數據采集板卡PCL－818HD用來(lái)采集三個(gè)變送器的標準電信號，同時(shí)，由于要在電磁閥開(kāi)啟的同時(shí)啟動(dòng)采樣線(xiàn)程，選用三菱PCL協(xié)助主控制器來(lái)控制電磁閥的開(kāi)啟、延時(shí)、關(guān)閉等動(dòng)作，其驅動(dòng)由繼電器輸出板卡PCL-725來(lái)完成。
PCL-818HD 能保證在所有增益(x 1, 2, 4 或 8, 可編程)和輸入范圍內都有 100kHz 采樣速率和轉換速度。它有一個(gè) 1 K 的 FIFO(先進(jìn)先出)緩沖器以獲得更快的數據傳輸和 Windows 下更好的性能。這正是本系統選用該板卡的重要依據。同時(shí)為提高信號的抗共模干擾的能力，本系統采用差分模擬量輸入方式。
為了提高整個(gè)控制系統的抗干擾能力，選用繼電器隔離的數字輸入輸出板卡PCL－725，其板上的八個(gè) SPDT 繼電器非常適合本系統電磁閥的開(kāi)/關(guān)控制。每個(gè)繼電器旁邊的紅色 LED 用來(lái)顯示繼電器的開(kāi)/關(guān)狀態(tài)。
模擬量輸出板卡PCL-728，能輸出-10V~+10V的模擬信號，實(shí)時(shí)控制變頻器的反、正轉，PCL-728采用光隔離措施，提高系統的抗干擾能力。
為保證噴霧閥動(dòng)作的可靠性及獲得噴霧閥不同開(kāi)啟時(shí)間，噴霧閥的開(kāi)啟延時(shí)采用日本三菱公司的FX2N系列的可編程控制器(PLC)進(jìn)行控制。噴霧閥電磁閥的開(kāi)啟延時(shí)由PLC內部定時(shí)器自動(dòng)延時(shí)，延時(shí)時(shí)段為20ms、30ms、50ms，延時(shí)時(shí)段的選擇通過(guò)改變PLC的外部輸入點(diǎn)的地址來(lái)實(shí)現。系統框圖見(jiàn)圖1所示。

圖1 系統框圖

監測系統中幾項關(guān)鍵技術(shù)
A/D觸發(fā)方式的選擇
因為控制程序運行于Windows平臺，而Windows是一多任務(wù)、多用戶(hù)的而非實(shí)時(shí)操作系統，在高速數據采集時(shí)有可能會(huì )丟失數據，數據的丟失意味著(zhù)測試數據不完整。為滿(mǎn)足控制系統的高速數據采集的需要，保證采集數據的連續性、完整性，采用了定時(shí)器同步觸發(fā)A/D與FIFO數據傳輸方式相結合的方法，大大提高了系統的采樣頻率和數據的可靠性，改善了在Windows環(huán)境下數據傳輸的性能。
多種應用程序的無(wú)縫連接技術(shù)
Visual C++是Windows平臺下強大的應用程序開(kāi)發(fā)環(huán)境,MATLAB是一個(gè)功能強大的數值計算和結果可視化的軟件。假如將MATLAB和Visual C++結合起來(lái),取長(cháng)補短無(wú)疑是一個(gè)有效的途徑。本設計利用MATLAB Compile (編譯器),將MATLAB函數編譯成可以脫離MATLAB環(huán)境使用的Ｃ函數,在Visual C++中將此Ｃ函數編譯成動(dòng)態(tài)連接庫,在Visual C++中加載這個(gè)動(dòng)態(tài)連接庫,這種方法能實(shí)現兩者之間的無(wú)縫連接,僅需利用相關(guān)的MATLAB應用程序接口(API)函數編寫(xiě)一個(gè)C語(yǔ)言的接口函數即可。
多線(xiàn)程的數據采集軟件設計
由于整個(gè)應用程序需要在較短的時(shí)間內完成數據采集、去噪聲、數據整理與分析、壓力數據實(shí)時(shí)圖表顯示、數據分析計算以及數據存儲與管理等任務(wù),如果僅使用單線(xiàn)程模型來(lái)設計系統,就不能很好地完成數據采集和分析的任務(wù),因此考慮采用多線(xiàn)程模型,利用多個(gè)線(xiàn)程分別完成各項任務(wù)。
本系統通過(guò)并行設計充分利用Win32 操作系統的多任務(wù)特點(diǎn)將不同的任務(wù)分布到各個(gè)線(xiàn)程中，使各個(gè)任務(wù)同步進(jìn)行而互不影響。系統中的主線(xiàn)程負責創(chuàng )建用戶(hù)界面、接收消息等工作。另外，由于Win32 系統是搶先式系統，為了保證數據的采集不被其他線(xiàn)程中斷就要開(kāi)辟一個(gè)優(yōu)先級較高的線(xiàn)程來(lái)采集數據。同時(shí)，為保證系統硬件相關(guān)部分和硬件不相關(guān)部分的相互獨立，將采集模塊做成動(dòng)態(tài)鏈接庫，采集到的數據存入內存池中，然后調用動(dòng)態(tài)鏈接庫中的相應函數定時(shí)獲取內存池中的數據。由于數據的分析、存儲和性能在線(xiàn)評估耗時(shí)較多，且各個(gè)任務(wù)所占用的時(shí)間段不同，故將其分別置于不同的線(xiàn)程中，在數據采集的同時(shí)進(jìn)行數據的分析存儲和各通道的巡回監視，各個(gè)線(xiàn)程(數據采集線(xiàn)程、數據分析與處理線(xiàn)程以及數據動(dòng)態(tài)顯示線(xiàn)程)中所要完成的工作并行進(jìn)行，線(xiàn)程間的通信可以通過(guò)消息響應函數PostMessage 來(lái)實(shí)現。
由于本系統是一個(gè)工業(yè)化的連續運行的實(shí)用系統,系統的可靠性非常重要,必須協(xié)調以下工作：
1)注意釋放內存, 在系統的調試過(guò)程中避免線(xiàn)程阻塞。在Windows環(huán)境下若有某個(gè)任務(wù)持續長(cháng)時(shí)間運行時(shí),會(huì )導致所占用的存儲空間逐漸膨脹,因此有時(shí)會(huì )因內存自由空間的過(guò)少而出現有關(guān)線(xiàn)程阻塞的現象,甚至出現死機，故在開(kāi)發(fā)程序的過(guò)程中,必須考慮有效措施使程序能自動(dòng)釋放內存。
2)注意節約占用CPU的時(shí)間。系統規定數據采集線(xiàn)程和數據處理線(xiàn)程的優(yōu)先級為最高,其余任務(wù)必須注意節約占用CPU的時(shí)間,否則會(huì )降低系統的運行效率。
3)合理規劃線(xiàn)程內容,控制線(xiàn)程個(gè)數。雖然系統采用多線(xiàn)程模型可以有效地提高采集和監控效率，但系統中所擁有的線(xiàn)程不能太多。因為可運行的線(xiàn)程越多，對所有線(xiàn)程輪詢(xún)一次所需的時(shí)間越長(cháng)，系統延時(shí)越大。同時(shí)系統的吞吐量將相對減少，當系統總的延時(shí)超過(guò)一定的限制時(shí)，系統將變得不可使用。
4) 合理解決數據緩沖區的并發(fā)和同步。多線(xiàn)程應用程序基于優(yōu)先級的可搶先調度和不可預測性,使得其同步問(wèn)題變得非常重要。如何正確、高效地實(shí)現多線(xiàn)程系統中各個(gè)線(xiàn)程之間的通信,使得相關(guān)線(xiàn)程之間能夠對臨界區的訪(fǎng)問(wèn)達成同步,對提高多線(xiàn)程數據采集系統的效率有著(zhù)重要的作用。在本系統中,采用事件Event方法，用于封鎖對一個(gè)資源的訪(fǎng)問(wèn)直到出現了某些線(xiàn)程或進(jìn)程的信號即指定一個(gè)指定事件的信號。使用事件同步一般用CreateEvent 創(chuàng )建事件，WaitForMultiObject等待事件的發(fā)生，SetEvent 標記一個(gè)事件的發(fā)生，ResetEvent 清除事件發(fā)生的標記。由于CPU的運行速度遠高于采集卡采集數據的速度,因此,數據處理線(xiàn)程的大部分時(shí)間是在等待讀取緩沖區的數據,不會(huì )因為來(lái)不及處理緩沖區的數據而使數據采集線(xiàn)程因等待緩沖區的釋放造成采集數據的丟失。這樣線(xiàn)程之間較好地實(shí)現了對數據緩沖區訪(fǎng)問(wèn)的并發(fā)和同步。
控制系統軟件設計
整個(gè)控制系統軟件基于Windows 9X操作系統平臺，人機交互的應用程序采用編程功能強大的Visual C++，并輔以多線(xiàn)程編程技術(shù)以及和具有強大數值計算和處理功能的Matlab進(jìn)行無(wú)縫連接技術(shù)，完善和彌補了Visual C++的功能。程序采用面向對象的設計方法，增強了應用程序的實(shí)用性、可靠性。整個(gè)程序流程框圖見(jiàn)圖2所示。

圖2 程序流程框圖

系統抗干擾措施
在本實(shí)時(shí)控制系統中，必須采用各種抗干擾手段來(lái)抑制干擾對測量結果的影響。其主要干擾有：部分電氣的脈沖型干擾、繼電器開(kāi)斷產(chǎn)生的隨機型脈沖干擾、傳感器以及變送器自身噪聲等，這些干擾進(jìn)入監測系統主要通過(guò)(1)從系統的工頻電源進(jìn)入，(2)通過(guò)電磁耦合，(3)通過(guò)監測元件進(jìn)入。為獲得較好的試驗結果，本設計采取以下抗干擾措施：
共模抑制技術(shù)
為提高系統的抗干擾性能，系統采用差分輸入方式，差分輸入可使來(lái)自設備震動(dòng)、以及變送器的白噪聲干擾相互抵消，實(shí)現共模抑制電噪聲。
模擬地隔離技術(shù)
為了使控制系統防止外界干擾，除了供電系統采用隔離變壓器以外，在過(guò)程與過(guò)程通道之間也采取隔離方法，使其計算機系統與外界的過(guò)程控制器和變送儀表之間沒(méi)有公共地線(xiàn)，而是采用繼電器隔離方式，以提高系統的抗干擾能力。
數字濾波處理技術(shù)
在數據處理過(guò)程中，對于采樣信號中的各類(lèi)噪音和失真采取了軟件濾波與硬件濾波相結合的方法，首先通過(guò)模擬低通濾波器(硬件濾波)濾去5Hz的噪音，對于低于5Hz的噪音則采取軟件方法進(jìn)行濾波。
1)對采集到的數據實(shí)行五點(diǎn)三次平滑法濾波
2)在信號采集中，常有系統誤差，而這些誤差主要是由系統噪音引起的，與當時(shí)實(shí)驗的條件如溫度、儀器老化時(shí)間等因素有關(guān)，所以在正式采樣之前需進(jìn)行全程背景噪音扣除，以消除系統噪音，在正式采樣之前先進(jìn)行一次與正式采樣相同條件的空采樣，得到的數據全部是背景噪音，在正式采樣中將剛才的背景噪音全程扣除。
3)在采集信號中，常有“毛刺”干擾，根據經(jīng)驗，確定出兩次采樣輸入信號可能出現的最大偏差ΔH，兩次采樣值之差若超過(guò)此偏差值且又持續時(shí)間很短，則表明該輸入信號是干擾“毛刺”，應該去掉，若小于此偏差值，可將信號作為本次采樣值。
經(jīng)過(guò)以上軟硬結合的濾波，微伏級的信號可正確分辨，大信號也不會(huì )失真，效果顯著(zhù)。

結語(yǔ)
系統設計采用了較為先進(jìn)的設計方案，并加入了多種硬件和軟件抗干擾措施，同時(shí)，在軟件設計時(shí)，充分考慮了Windows操作系統的特點(diǎn)，應用了多種應用程序無(wú)縫連接以及多線(xiàn)程編程技術(shù)，保證了系統設計的先進(jìn)性，提高了系統的穩定性以及自動(dòng)化水平。

參考文獻
1 吳道虎.高速數據采集可靠性的研究，電子技術(shù)應用.2002.6
2 Davis etc.學(xué)用Visual C＋＋，北京：清華大學(xué)出版社.1999.6
3 徐士良.計算機算法方法，北京：清華大學(xué)出版社.1998.6
4 Advantech handbook.1999.7

作者簡(jiǎn)介：吳道虎，博士，主要研究網(wǎng)絡(luò )控制及其安全，計算機先進(jìn)的檢測技術(shù)等；李興華，博士，主要從事系統工程、系統可靠性等方面的研究工作。