摘要：本文介紹的噴霧閥控制裝置采用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)作主控制器，PLC作輔控制器，并輔以數(shù)據(jù)采集、模擬量輸出以及數(shù)字輸入/輸出DAS卡。在程序設(shè)計(jì)中采用了多種應(yīng)用程序無(wú)縫連接技術(shù)和多線程編程技術(shù)，加以多種硬件和軟件抗干擾措施，有效保證了裝置的可靠性和實(shí)用性。
關(guān)鍵詞：噴霧閥;系統(tǒng)設(shè)計(jì);控制;多線程;抗干擾

前言

在船舶動(dòng)力工程設(shè)計(jì)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柴油發(fā)電機(jī)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(chǔ)上，設(shè)計(jì)了噴霧閥性能監(jiān)測(cè)裝置。該裝置借助壓力變送器、加速度變送器等，通過(guò)計(jì)算機(jī)采集噴霧閥出口的壓力、氣包壓力、標(biāo)靶加速度信號(hào)，能實(shí)時(shí)在線評(píng)估噴霧閥的性能品質(zhì)，適應(yīng)各種不同結(jié)構(gòu)與尺寸的噴霧閥監(jiān)測(cè)需求。

監(jiān)測(cè)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(biāo)靶產(chǎn)生的加速度波形 ;穩(wěn)壓氣包內(nèi)壓力變化波形;噴吹氣量(△Q);電噴霧時(shí)間(te)。

監(jiān)測(cè)原理及監(jiān)測(cè)過(guò)程的實(shí)現(xiàn)

空壓機(jī)為穩(wěn)壓氣包提供壓縮空氣，通過(guò)調(diào)壓閥調(diào)節(jié)至需要壓力，由計(jì)算機(jī)向噴霧閥發(fā)出開啟指令噴霧噴吹(延時(shí)設(shè)定時(shí)間關(guān)閉，電噴霧時(shí)間可調(diào))，在計(jì)算機(jī)向噴霧閥發(fā)送開啟指令的同時(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(biāo)靶加速度信號(hào)，并將采樣數(shù)據(jù)存入計(jì)算機(jī)，對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，實(shí)時(shí)在線繪制噴霧閥出口壓力、穩(wěn)壓氣包內(nèi)壓力變化及標(biāo)靶加速度波形圖。通過(guò)分析以上圖形，可評(píng)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(hào)采集功能：主要完成包括噴霧閥出口的壓力、氣包壓力、標(biāo)靶加速度信號(hào)等在內(nèi)的實(shí)時(shí)采集，且采樣頻率可調(diào);

2)屏幕顯示功能：以曲線和數(shù)字方式分別顯示各通道數(shù)據(jù)趨勢(shì)曲線以及分析后的數(shù)據(jù)和譜線數(shù)據(jù);

3)存儲(chǔ)和回放功能：完成采集數(shù)據(jù)和分析數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、回放分析、信號(hào)分離并進(jìn)行數(shù)據(jù)的時(shí)域和頻域分析;

4)噴霧閥性能評(píng)定功能：通過(guò)對(duì)輸入標(biāo)定數(shù)據(jù)的分段擬合進(jìn)行數(shù)據(jù)修正。

系統(tǒng)配置

為滿足檢測(cè)裝置對(duì)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，我們選用了Advantech的IPC-610P型工業(yè)控制計(jì)算機(jī)(PCA6180主板、256MSDRAM、PIII 1GH CPU)作為主控制器，完成人機(jī)交互、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)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(biāo)靶加速度電信號(hào);高性能、高采集速率的數(shù)據(jù)采集板卡PCL－818HD用來(lái)采集三個(gè)變送器的標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)，同時(shí)，由于要在電磁閥開啟的同時(shí)啟動(dòng)采樣線程，選用三菱PCL協(xié)助主控制器來(lái)控制電磁閥的開啟、延時(shí)、關(guān)閉等動(dòng)作，其驅(qū)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(nèi)都有 100kHz 采樣速率和轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)傳輸和 Windows 下更好的性能。這正是本系統(tǒng)選用該板卡的重要依據(jù)。同時(shí)為提高信號(hào)的抗共模干擾的能力，本系統(tǒng)采用差分模擬量輸入方式。

為了提高整個(gè)控制系統(tǒng)的抗干擾能力，選用繼電器隔離的數(shù)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(tǒng)電磁閥的開/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/關(guān)狀態(tài)。

模擬量輸出板卡PCL-728，能輸出-10V~+10V的模擬信號(hào)，實(shí)時(shí)控制變頻器的反、正轉(zhuǎn)，PCL-728采用光隔離措施，提高系統(tǒng)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啟時(shí)間，噴霧閥的開啟延時(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。噴霧閥電磁閥的開啟延時(shí)由PLC內(nèi)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(xiàn)。系統(tǒng)框圖見圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖
監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)

A/D觸發(fā)方式的選擇

因?yàn)榭刂瞥绦蜻\(yùn)行于Windows平臺(tái)，而Windows是一多任務(wù)、多用戶的而非實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，在高速數(shù)據(jù)采集時(shí)有可能會(huì)丟失數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的丟失意味著測(cè)試數(shù)據(jù)不完整。為滿足控制系統(tǒng)的高速數(shù)據(jù)采集的需要，保證采集數(shù)據(jù)的連續(xù)性、完整性，采用了定時(shí)器同步觸發(fā)A/D與FIFO數(shù)據(jù)傳輸方式相結(jié)合的方法，大大提高了系統(tǒng)的采樣頻率和數(shù)據(jù)的可靠性，改善了在Windows環(huán)境下數(shù)據(jù)傳輸?shù)男阅堋?

多種應(yīng)用程序的無(wú)縫連接技術(shù)

Visual C++是Windows平臺(tái)下強(qiáng)大的應(yīng)用程序開發(fā)環(huán)境，MATLAB是一個(gè)功能強(qiáng)大的數(shù)值計(jì)算和結(jié)果可視化的軟件。假如將MATLAB和Visual C++結(jié)合起來(lái)，取長(zhǎng)補(bǔ)短無(wú)疑是一個(gè)有效的途徑。本設(shè)計(jì)利用MATLAB Compile (編譯器)，將MATLAB函數(shù)編譯成可以脫離MATLAB環(huán)境使用的Ｃ函數(shù)，在Visual C++中將此Ｃ函數(shù)編譯成動(dòng)態(tài)連接庫(kù)，在Visual C++中加載這個(gè)動(dòng)態(tài)連接庫(kù)，這種方法能實(shí)現(xiàn)兩者之間的無(wú)縫連接，僅需利用相關(guān)的MATLAB應(yīng)用程序接口(API)函數(shù)編寫一個(gè)C語(yǔ)言的接口函數(shù)即可。

多線程的數(shù)據(jù)采集軟件設(shè)計(jì)

由于整個(gè)應(yīng)用程序需要在較短的時(shí)間內(nèi)完成數(shù)據(jù)采集、去噪聲、數(shù)據(jù)整理與分析、壓力數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)圖表顯示、數(shù)據(jù)分析計(jì)算以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理等任務(wù)，如果僅使用單線程模型來(lái)設(shè)計(jì)系統(tǒng)，就不能很好地完成數(shù)據(jù)采集和分析的任務(wù)，因此考慮采用多線程模型，利用多個(gè)線程分別完成各項(xiàng)任務(wù)。

本系統(tǒng)通過(guò)并行設(shè)計(jì)充分利用Win32 操作系統(tǒng)的多任務(wù)特點(diǎn)將不同的任務(wù)分布到各個(gè)線程中，使各個(gè)任務(wù)同步進(jìn)行而互不影響。系統(tǒng)中的主線程負(fù)責(zé)創(chuàng)建用戶界面、接收消息等工作。另外，由于Win32 系統(tǒng)是搶先式系統(tǒng)，為了保證數(shù)據(jù)的采集不被其他線程中斷就要開辟一個(gè)優(yōu)先級(jí)較高的線程來(lái)采集數(shù)據(jù)。同時(shí)，為保證系統(tǒng)硬件相關(guān)部分和硬件不相關(guān)部分的相互獨(dú)立，將采集模塊做成動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，采集到的數(shù)據(jù)存入內(nèi)存池中，然后調(diào)用動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)中的相應(yīng)函數(shù)定時(shí)獲取內(nèi)存池中的數(shù)據(jù)。由于數(shù)據(jù)的分析、存儲(chǔ)和性能在線評(píng)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程中，在數(shù)據(jù)采集的同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析存儲(chǔ)和各通道的巡回監(jiān)視，各個(gè)線程(數(shù)據(jù)采集線程、數(shù)據(jù)分析與處理線程以及數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)顯示線程)中所要完成的工作并行進(jìn)行，線程間的通信可以通過(guò)消息響應(yīng)函數(shù)PostMessage 來(lái)實(shí)現(xiàn)。

由于本系統(tǒng)是一個(gè)工業(yè)化的連續(xù)運(yùn)行的實(shí)用系統(tǒng)，系統(tǒng)的可靠性非常重要，必須協(xié)調(diào)以下工作：