摘要：本文介紹的噴霧閥控制裝置采用工業(yè)控制計算機作主控制器，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)計中采用了多種應(yīng)用程序無縫連接技術(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用性。
關(guān)鍵詞：噴霧閥;系統(tǒng)設(shè)計;控制;多線程;抗干擾

前言

在船舶動力工程設(shè)計中，有一個重要的裝置，即油的噴霧閥，其性能的好壞直接影響著柴油發(fā)電機的發(fā)電效率和性能。本文在廣泛分析噴霧閥噴吹過程的基礎(chǔ)上，設(shè)計了噴霧閥性能監(jiān)測裝置。該裝置借助壓力變送器、加速度變送器等，通過計算機采集噴霧閥出口的壓力、氣包壓力、標(biāo)靶加速度信號，能實時在線評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)測需求。

監(jiān)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(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);電噴霧時間(te)。

監(jiān)測原理及監(jiān)測過程的實現(xiàn)

空壓機為穩(wěn)壓氣包提供壓縮空氣，通過調(diào)壓閥調(diào)節(jié)至需要壓力，由計算機向噴霧閥發(fā)出開啟指令噴霧噴吹(延時設(shè)定時間關(guān)閉，電噴霧時間可調(diào))，在計算機向噴霧閥發(fā)送開啟指令的同時啟動采樣程序，采集氣包壓力、噴霧閥出口的壓力(全壓)、標(biāo)靶加速度信號，并將采樣數(shù)據(jù)存入計算機，對采樣數(shù)據(jù)進行處理分析，實時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(biāo)靶加速度信號等在內(nèi)的實時采集，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)趨勢曲線以及分析后的數(shù)據(jù)和譜線數(shù)據(jù);

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

4)噴霧閥性能評定功能：通過對輸入標(biāo)定數(shù)據(jù)的分段擬合進行數(shù)據(jù)修正。

系統(tǒng)配置

為滿足檢測裝置對控制系統(tǒng)的設(shè)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、實時數(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;高性能、高采集速率的數(shù)據(jù)采集板卡PCL－818HD用來采集三個變送器的標(biāo)準(zhǔn)電信號，同時，由于要在電磁閥開啟的同時啟動采樣線程，選用三菱PCL協(xié)助主控制器來控制電磁閥的開啟、延時、關(guān)閉等動作，其驅(qū)動由繼電器輸出板卡PCL-725來完成。

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 1 K 的 FIFO(先進先出)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)。同時為提高信號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 SPDT 繼電器非常適合本系統(tǒng)電磁閥的開/關(guān)控制。每個繼電器旁邊的紅色 LED 用來顯示繼電器的開/關(guān)狀態(tài)。

模擬量輸出板卡PCL-728，能輸出-10V~+10V的模擬信號，實時控制變頻器的反、正轉(zhuǎn)，PCL-728采用光隔離措施，提高系統(tǒng)的抗干擾能力。

為保證噴霧閥動作的可靠性及獲得噴霧閥不同開啟時間，噴霧閥的開啟延時采用日本三菱公司的FX2N系列的可編程控制器(PLC)進行控制。噴霧閥電磁閥的開啟延時由PLC內(nèi)部定時器自動延時，延時時段為20ms、30ms、50ms，延時時段的選擇通過改變PLC的外部輸入點的地址來實現(xiàn)。系統(tǒng)框圖見圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖
監(jiān)測系統(tǒng)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)、多用戶的而非實時操作系統(tǒng)，在高速數(shù)據(jù)采集時有可能會丟失數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的丟失意味著測試數(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)用程序的無縫連接技術(shù)

Visual C++是Windows平臺下強大的應(yīng)用程序開發(fā)環(huán)境，MATLAB是一個功能強大的數(shù)值計算和結(jié)果可視化的軟件。假如將MATLAB和Visual C++結(jié)合起來，取長補短無疑是一個有效的途徑。本設(shè)計利用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)編譯成動態(tài)連接庫，在Visual C++中加載這個動態(tài)連接庫，這種方法能實現(xiàn)兩者之間的無縫連接，僅需利用相關(guān)的MATLAB應(yīng)用程序接口(API)函數(shù)編寫一個C語言的接口函數(shù)即可。

多線程的數(shù)據(jù)采集軟件設(shè)計

由于整個應(yīng)用程序需要在較短的時間內(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)實時圖表顯示、數(shù)據(jù)分析計算以及數(shù)據(jù)存儲與管理等任務(wù)，如果僅使用單線程模型來設(shè)計系統(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，利用多個線程分別完成各項任務(wù)。

本系統(tǒng)通過并行設(shè)計充分利用Win32 操作系統(tǒng)的多任務(wù)特點將不同的任務(wù)分布到各個線程中，使各個任務(wù)同步進行而互不影響。系統(tǒng)中的主線程負責(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優(yōu)先級較高的線程來采集數(shù)據(jù)。同時，為保證系統(tǒng)硬件相關(guān)部分和硬件不相關(guān)部分的相互獨立，將采集模塊做成動態(tài)鏈接庫，采集到的數(shù)據(jù)存入內(nèi)存池中，然后調(diào)用動態(tài)鏈接庫中的相應(yīng)函數(shù)定時獲取內(nèi)存池中的數(shù)據(jù)。由于數(shù)據(jù)的分析、存儲和性能在線評估耗時較多，且各個任務(wù)所占用的時間段不同，故將其分別置于不同的線程中，在數(shù)據(jù)采集的同時進行數(shù)據(jù)的分析存儲和各通道的巡回監(jiān)視，各個線程(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)動態(tài)顯示線程)中所要完成的工作并行進行，線程間的通信可以通過消息響應(yīng)函數(shù)PostMessage 來實現(xiàn)。

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