油喷雾阀监测装置的开发与设计
摘要：本文介绍的喷雾阀控制装置采用工业控制计算机作主控制器，PLC作辅控制器，并辅以数据采集、模拟量输出以及数字输入/输出DAS卡。在程序设计中采用了多种应用程序无缝连接技术和多线程编程技术，加以多种硬件和软件抗干扰措施，有效保证了装置的可靠性和实用性。
关键词：喷雾阀；系统设计；控制；多线程；抗干扰
前言
在船舶动力工程设计中，有一个重要的装置，即油的喷雾阀，其性能的好坏直接影响着柴油发电机的发电效率和性能。本文在广泛分析喷雾阀喷吹过程的基础上，设计了喷雾阀性能监测装置。该装置借助压力变送器、加速度变送器等，通过计算机采集喷雾阀出口的压力、气包压力、标靶加速度信号，能实时在线评估喷雾阀的性能品质，适应各种不同结构与尺寸的喷雾阀监测需求。
监测的状态量主要有：
喷雾阀出口的压力波形及其上升速率；喷吹令标靶产生的加速度波形；稳压气包内压力变化波形；喷吹气量(△Q)；电喷雾时间(te)。
监测原理及监测过程的实现
空压机为稳压气包提供压缩空气，通过调压阀调节至需要压力，由计算机向喷雾阀发出开启指令喷雾喷吹(延时设定时间关闭，电喷雾时间可调)，在计算机向喷雾阀发送开启指令的同时启动采样程序，采集气包压力、喷雾阀出口的压力(全压)、标靶加速度信号，并将采样数据存入计算机，对采样数据进行处理分析，实时在线绘制喷雾阀出口压力、稳压气包内压力变化及标靶加速度波形图。通过分析以上图形，可评估喷雾阀性能品质的优劣。装置的主要功能如下：
1)信号采集功能：主要完成包括喷雾阀出口的压力、气包压力、标靶加速度信号等在内的实时采集，且采样频率可调；
2)屏幕显示功能：以曲线和数字方式分别显示各通道数据趋势曲线以及分析后的数据和谱线数据；
3)存储和回放功能：完成采集数据和分析数据的存储、回放分析、信号分离并进行数据的时域和频域分析；
4)喷雾阀性能评定功能：通过对输入标定数据的分段拟合进行数据修正。
系统配置
为满足检测装置对控制系统的设计要求，我们选用了Advantech的IPC-610P型工业控制计算机(PCA6180主板、256MSDRAM、PIII 1GH CPU)作为主控制器，完成人机交互、实时数据采集、分析、存贮、图形绘制与打印等任务；WP系列的一体化(传感器和变送器合二为一)压力变送器、CA-GT系列的一体化加速度变送器分别变送气包压力、喷雾阀出口压力和标靶加速度电信号；高性能、高采集速率的数据采集板卡PCL－818HD用来采集三个变送器的标准电信号，同时，由于要在电磁阀开启的同时启动采样线程，选用三菱PCL协助主控制器来控制电磁阀的开启、延时、关闭等动作，其驱动由继电器输出板卡PCL-725来完成。
PCL-818HD 能保证在所有增益(x 1, 2, 4 或 8, 可编程)和输入范围内都有 100kHz 采样速率和转换速度。它有一个 1 K 的 FIFO(先进先出)缓冲器以获得更快的数据传输和 Windows 下更好的性能。这正是本系统选用该板卡的重要依据。同时为提高信号的抗共模干扰的能力，本系统采用差分模拟量输入方式。
为了提高整个控制系统的抗干扰能力，选用继电器隔离的数字输入输出板卡PCL－725，其板上的八个 SPDT 继电器非常适合本系统电磁阀的开/关控制。每个继电器旁边的红色 LED 用来显示继电器的开/关状态。
模拟量输出板卡PCL-728，能输出-10V~+10V的模拟信号，实时控制变频器的反、正转，PCL-728采用光隔离措施，提高系统的抗干扰能力。
为保证喷雾阀动作的可靠性及获得喷雾阀不同开启时间，喷雾阀的开启延时采用日本三菱公司的FX2N系列的可编程控制器(PLC)进行控制。喷雾阀电磁阀的开启延时由PLC内部定时器自动延时，延时时段为20ms、30ms、50ms，延时时段的选择通过改变PLC的外部输入点的地址来实现。系统框图见图1所示。

　
图1 系统框图
监测系统中几项关键技术
A/D触发方式的选择
因为控制程序运行于Windows平台，而Windows是一多任务、多用户的而非实时操作系统，在高速数据采集时有可能会丢失数据，数据的丢失意味着测试数据不完整。为满足控制系统的高速数据采集的需要，保证采集数据的连续性、完整性，采用了定时器同步触发A/D与FIFO数据传输方式相结合的方法，大大提高了系统的采样频率和数据的可靠性，改善了在Windows环境下数据传输的性能。
多种应用程序的无缝连接技术
Visual C++是Windows平台下强大的应用程序开发环境,MATLAB是一个功能强大的数值计算和结果可视化的软件。假如将MATLAB和Visual C++结合起来,取长补短无疑是一个有效的途径。本设计利用MATLAB Compile (编译器),将MATLAB函数编译成可以脱离MATLAB环境使用的Ｃ函数,在Visual C++中将此Ｃ函数编译成动态连接库,在Visual C++中加载这个动态连接库,这种方法能实现两者之间的无缝连接,仅需利用相关的MATLAB应用程序接口(API)函数编写一个C语言的接口函数即可。
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