《電子技術(shù)應(yīng)用》
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一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的氦質(zhì)譜檢漏系統(tǒng)
2019年電子技術(shù)應(yīng)用第5期
付良瑞,朱寶良,鄧金球,陳 濤,白國(guó)云
西北核技術(shù)研究所,陜西 西安710024
摘要: 針對(duì)現(xiàn)有氦質(zhì)譜檢漏系統(tǒng)的技術(shù)缺陷,提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的氦質(zhì)譜檢漏系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方案。該系統(tǒng)綜合了嵌入式與ZigBee、WiFi等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),由主控模塊、采集模塊、執(zhí)行模塊等組成;主控模塊可實(shí)時(shí)整合氦質(zhì)譜檢漏儀與采集模塊的數(shù)據(jù)信息,控制執(zhí)行模塊自動(dòng)完成檢漏流程,并利用灰度算法預(yù)測(cè)檢漏信號(hào)的穩(wěn)定時(shí)機(jī),提高了檢漏效率,測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了該方案的有效性。
中圖分類(lèi)號(hào): TN86
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.183049
中文引用格式: 付良瑞,朱寶良,鄧金球,等. 一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的氦質(zhì)譜檢漏系統(tǒng)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2019,45(5):89-92.
英文引用格式: Fu Liangrui,Zhu Baoliang,Deng Jinqiu,et al. A helium mass-spectrometry leak detection system based on Internet of things[J]. Application of Electronic Technique,2019,45(5):89-92.
A helium mass-spectrometry leak detection system based on Internet of things
Fu Liangrui,Zhu Baoliang,Deng Jinqiu,Chen Tao,Bai Guoyun
Northwest Institute of Nuclear Technology,Xi′an 710024,China
Abstract: Aiming at the technical defects of the existing helium mass-spectrometry leak detection system, a design and implementation of the helium mass spectrometry leak detection system based on the Internet of Things technology is proposed. The system integrates embedded system, WiFi,ZigBee and consists of main control module, acquisition module and execution module. The main control module can integrate the data information of the helium mass spectrometer leak detector and the acquisition module. The execution module automatically completes the leak detection process, and predicts the stable time of the leak detection signal by gray algorithm, which can improve the leak detection efficiency. The test results show that the implementation scheme is effective.
Key words : helium mass-spectrometry leak detection;Internet of things;gray algorithm;embedded

0 引言

    氦質(zhì)譜檢漏技術(shù),用于內(nèi)部充壓容器和管路的無(wú)損檢測(cè),一直是國(guó)防工業(yè)領(lǐng)域的重要檢測(cè)手段,具備自動(dòng)化功能的充氦檢漏系統(tǒng)是該領(lǐng)域的研制熱點(diǎn)之一?,F(xiàn)有的氦質(zhì)譜檢漏系統(tǒng)普遍存在以下問(wèn)題:(1)利用檢漏儀監(jiān)測(cè)被檢部位氦分壓信號(hào)變化情況時(shí),一般采用人工現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)記錄的方式,對(duì)于某些大體積容器,氦信號(hào)的穩(wěn)定周期較長(zhǎng),候檢時(shí)間長(zhǎng),不利于人力資源的合理分配;(2)系統(tǒng)核心控制器多采用PLC(Programmable Logic Controller),控制器與當(dāng)前較流行的物理接口兼容性不強(qiáng),布線繁瑣,內(nèi)存資源和編程模式有限,算法實(shí)現(xiàn)與交互方式不夠靈活。

    為克服上述現(xiàn)有技術(shù)缺陷,本系統(tǒng)擬提出一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的氦質(zhì)譜檢漏系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方案。該系統(tǒng)由主控模塊、信息采集模塊、執(zhí)行模塊組成,各模塊間采用無(wú)線方式進(jìn)行通信,由主控模塊根據(jù)采集到的信息對(duì)檢漏流程執(zhí)行步驟進(jìn)行合理控制,并通過(guò)灰度算法在現(xiàn)場(chǎng)快速預(yù)測(cè)反應(yīng)時(shí)間,提高候檢效率,最后,將測(cè)量數(shù)據(jù)備份至云平臺(tái),便于后期的查詢(xún)和分析,從而實(shí)現(xiàn)了氦質(zhì)譜檢漏過(guò)程的便捷化、自動(dòng)化、智能化。

1 系統(tǒng)方案

1.1 背景原理

    如圖1所示,氦質(zhì)譜檢漏技術(shù)[1]需要首先將一定壓強(qiáng)的氦氣充入被檢工件,被檢工件外面是具有一定真空度要求的真空箱,真空箱與氦質(zhì)譜檢漏儀的檢漏口相接。若被檢工件有漏,則漏入真空箱的氦分壓可通過(guò)氦質(zhì)譜檢漏儀測(cè)出,滿(mǎn)足公式[2]

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式中PHe為被檢工件的氦分壓,單位為Pa;SHe為真空系統(tǒng)對(duì)氦的抽速,單位為m3/s;QHe為單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入檢漏儀質(zhì)譜室的氦氣量,即漏孔的漏率,單位為Pa·m3/s;V為被檢工件的體積。

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    從式(1)可看出,真空度變化速度與系統(tǒng)抽速和容積有關(guān)。式(1)中令τ=V/SHe為系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間常數(shù)。當(dāng)t到達(dá)1倍時(shí)間常數(shù)(t=τ)時(shí),真空度為初始值的36.8%;當(dāng)?shù)竭_(dá)5倍反應(yīng)時(shí)間后,氦分壓信號(hào)PHe下降到初始值的1%,認(rèn)為檢漏信號(hào)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),可以讀取工件漏率,根據(jù)漏率判定工件的密封性。

1.2 灰度預(yù)測(cè)算法

    灰度預(yù)測(cè)算法[3]非常適合處理指數(shù)類(lèi)型的數(shù)據(jù),符合氦分壓PHe的反應(yīng)規(guī)律,并只需要較少的數(shù)據(jù)樣本就能進(jìn)行預(yù)測(cè)運(yùn)算,能夠較快地得到反應(yīng)時(shí)間常數(shù)τ,以5τ的時(shí)間點(diǎn)作為漏率讀取時(shí)機(jī),算法自身的疊加遞減運(yùn)算濾除了信號(hào)噪聲,可以提高預(yù)測(cè)精度,原理如下:

    設(shè)有原始序列:x(0)=(x(0)(1),x(0)(2),…,x(0)(n)),x(1)(k)表示數(shù)列x(0)對(duì)應(yīng)前k項(xiàng)數(shù)據(jù)的累加:

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1.3 氦檢漏系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

    本系統(tǒng)共設(shè)計(jì)三類(lèi)信息采集節(jié)點(diǎn):涉及壓力、真空度、氦分壓三個(gè)參數(shù);兩類(lèi)執(zhí)行機(jī)構(gòu):電磁閥和羅茨泵,分別靠繼電器和接觸器控制,羅茨泵接觸器處安裝有三相保護(hù)。主控板上的協(xié)調(diào)器與采集節(jié)點(diǎn)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用ZigBee樹(shù)狀網(wǎng)絡(luò)通信,利用無(wú)線網(wǎng)卡的AP熱點(diǎn)模式配合工控機(jī)接入,實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的上位機(jī)程序,也可通過(guò)無(wú)線路由方式將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存至云平臺(tái),以備遠(yuǎn)程調(diào)用和分析。

    采集節(jié)點(diǎn)的數(shù)值會(huì)周期性上傳至協(xié)調(diào)器,經(jīng)SPI接口匯總到主控制器進(jìn)行分析處理和故障報(bào)警,按照作業(yè)流程和時(shí)機(jī),主控制器會(huì)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)送命令,執(zhí)行機(jī)構(gòu)根據(jù)約定的數(shù)據(jù)幀格式解析命令,完成電磁閥與羅茨泵的聯(lián)動(dòng),最終,主控制器執(zhí)行灰度算法預(yù)測(cè)氦分壓穩(wěn)定時(shí)機(jī),擇機(jī)完成工件漏率的讀取。同時(shí),主控制模塊還能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的本地SD卡備份,通過(guò)液晶屏進(jìn)行簡(jiǎn)單的參數(shù)設(shè)置和曲線繪制。具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

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2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控模塊硬件設(shè)計(jì)

    主控模塊采用ARM Linux架構(gòu),芯片采用S5PV210,32 KB一級(jí)緩存,512 KB二級(jí)緩存,主頻高達(dá)1 GHz,可勝任一般的算法需求,外設(shè)豐富,選用Linux2.6.35.7內(nèi)核版本開(kāi)發(fā)。通過(guò)SPI接口控制ZigBee協(xié)調(diào)器,完成信息的采集和命令下發(fā),氦分壓值及預(yù)測(cè)后的穩(wěn)定反應(yīng)時(shí)間會(huì)通過(guò)液晶屏實(shí)時(shí)顯示,歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到本地SD卡中,USB無(wú)線網(wǎng)卡完成數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)上傳與共享。具體硬件設(shè)計(jì)如圖3所示。

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2.2 信息采集節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

    壓力采集節(jié)點(diǎn)的壓力變送器選用麥克MPM4780,RS485接口,量程10 MPa,通過(guò)MAX485接入ZigBee模塊,模塊芯片CC2530利用IO口P1_4控制MAX485的收發(fā)工作,當(dāng)UART發(fā)送完成產(chǎn)生中斷時(shí),P1_4需延時(shí)3 ms(9 600波特率下)再輸出低電平,等待緩沖器內(nèi)的數(shù)據(jù)發(fā)送完畢。

    氦質(zhì)譜檢漏儀為萊寶公司的L200型,和真空度計(jì)都具有RS232接口,通過(guò)常見(jiàn)的MAX232芯片接入ZigBee模塊。

2.3 執(zhí)行機(jī)構(gòu)硬件設(shè)計(jì)

    采用驅(qū)動(dòng)繼電器控制三相交流接觸器線圈的吸合,達(dá)到控制羅茨泵啟停的目的,如圖4所示。繼電器由ULN2003A驅(qū)動(dòng),使用12 V鋰電池供電,控制信號(hào)由CC2530的GPIO口經(jīng)反相器74HC14接入U(xiǎn)LN2003A,電磁閥的控制與接觸器線圈類(lèi)似。

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2.4 電源模塊硬件設(shè)計(jì)

    如圖5所示,普通220 V交流電源經(jīng)過(guò)220 V/15 V的變壓器之后變?yōu)?5 V的交流電,再經(jīng)過(guò)KBP307G整流橋進(jìn)行整流,穩(wěn)壓之后變成了穩(wěn)定的直流電輸出,由開(kāi)關(guān)型穩(wěn)壓芯片RT7272將直流電壓降壓成5 V,最后通過(guò)低壓差線性穩(wěn)壓電源AMS1086-3.3為主控模塊供電。

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3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 主控制板軟件設(shè)計(jì)

    主控板采用Ubuntu14.04+QT4.8.3開(kāi)發(fā)環(huán)境,主要負(fù)責(zé)WiFi網(wǎng)絡(luò)通信、SPI設(shè)備的交互與管理、工作流程的控制和灰度預(yù)測(cè)算法的實(shí)現(xiàn),此外,移植編寫(xiě)了Qt界面程序,可以通過(guò)液晶屏,現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和曲線實(shí)時(shí)觀測(cè)。軟件具體工作流程如圖6所示。

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3.2 Linux驅(qū)動(dòng)層開(kāi)發(fā)

3.2.1 無(wú)線網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)的移植

    主控芯片通過(guò)USB接口控制MT7601無(wú)線網(wǎng)卡,需要進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的移植。移植步驟如下:在源碼包中rtusb_dev_id.c文件中的rtusb_dev_id[]中確認(rèn)MT7601的PID、VID與硬件信息是否匹配,標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)為{USB_DEVICE(0x148f,0x7601)};修改Makefile,設(shè)置平臺(tái)、內(nèi)核源碼樹(shù)路徑和交叉編譯工具鏈路徑;確保config.mk文件中WPA_SUPPLICANT=y來(lái)添加wpa_supplicant支持,用來(lái)WiFi聯(lián)網(wǎng)配置;修改include/rtmp_def.h文件中的INF_MAIN_DEV_NAME和INF_MBSSID_DEV_NAME,為網(wǎng)卡改名,之后編譯安裝即可。

3.2.2 SPI驅(qū)動(dòng)編寫(xiě)

    主控芯片與CC2530通過(guò)SPI接口進(jìn)行高速全雙工通信,相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)依靠Linux的SPI驅(qū)動(dòng)框架,該框架分為SPI核心層、SPI控制器驅(qū)動(dòng)層和SPI設(shè)備驅(qū)動(dòng)層。編寫(xiě)主要集中在SPI設(shè)備驅(qū)動(dòng)層,分為兩部分:先調(diào)用接口函數(shù)spi_new_device()在SPI總線上利用板載資源信息注冊(cè)設(shè)備;再調(diào)用接口函數(shù)spi_register_driver()在SPI總線注冊(cè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)里的各類(lèi)方法,當(dāng)設(shè)備與驅(qū)動(dòng)的名稱(chēng)參數(shù)匹配時(shí),會(huì)調(diào)用探測(cè)函數(shù)probe(),在該函數(shù)中,把SPI設(shè)備注冊(cè)成一個(gè)字符設(shè)備,申請(qǐng)相應(yīng)硬件資源,定義硬件接口方法ioctl(),構(gòu)造ioctl命令:如參數(shù)設(shè)置、開(kāi)關(guān)量控制等,為應(yīng)用層提供文件接口,數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收流程基本一致,都需利用spi_message和spi_transfer結(jié)構(gòu)體,依次調(diào)用spi_message_init()函數(shù)、spi_message_add_tail()函數(shù)、spi_sync()函數(shù),區(qū)別在于發(fā)送和接收的緩沖區(qū)定義。

3.3 監(jiān)測(cè)與執(zhí)行節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

    監(jiān)測(cè)與執(zhí)行節(jié)點(diǎn)使用ZigBee通信,需要使用ZStack協(xié)議棧,該協(xié)議棧定義了操作系統(tǒng)抽象層(Operating System Abstraction Layer),采用輪詢(xún)的方式,并引入了優(yōu)先級(jí)的概念。其中,taskArr[taskID]存儲(chǔ)了任務(wù)處理函數(shù),taskEvents[taskID]存儲(chǔ)了各任務(wù)對(duì)應(yīng)的事件,taskID代表了各任務(wù)的優(yōu)先級(jí),系統(tǒng)在各層初始化完成后,會(huì)輪詢(xún)調(diào)用osal_run_systerm()函數(shù)根據(jù)優(yōu)先級(jí)運(yùn)行所有任務(wù),并判斷各任務(wù)對(duì)應(yīng)的事件是否發(fā)生,執(zhí)行相應(yīng)的事件處理函數(shù)。各前端ZigBee節(jié)點(diǎn)程序基于ZStack協(xié)議棧的SAPI(Simple Application Interface)框架進(jìn)行開(kāi)發(fā),利用框架內(nèi)的無(wú)線數(shù)據(jù)包命令鍵值提取函數(shù)_process_command_call()對(duì)接收到的命令進(jìn)行解析處理。此外,用戶(hù)事件由定時(shí)器觸發(fā),優(yōu)先級(jí)取最低,taskID=6,相應(yīng)的事件處理函數(shù)為MyEventProcess(),完成監(jiān)測(cè)值的周期性上傳。此外,在F8wConfig.cfg文件選擇信道,可規(guī)避WiFi信號(hào)對(duì)ZigBee的同頻干擾,本文選擇11信道。具體程序流程如圖7所示。

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3.4 通信協(xié)議數(shù)據(jù)格式

    本系統(tǒng)使用的智云物聯(lián)網(wǎng)接入平臺(tái)是基于云計(jì)算與互聯(lián)網(wǎng)的平臺(tái),具有免應(yīng)用編程的BS項(xiàng)目發(fā)布系統(tǒng),Android組態(tài)系統(tǒng),LabVIEW數(shù)據(jù)接入系統(tǒng),支持手機(jī)和Web遠(yuǎn)程訪問(wèn)及控制,能夠提供免費(fèi)的物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)。為保證與該平臺(tái)的數(shù)據(jù)兼容性,本系統(tǒng)無(wú)線類(lèi)通信協(xié)議數(shù)據(jù)格式為“{[參數(shù)]=[值],[參數(shù)]=[值],}”,每條數(shù)據(jù)以“{}”為起止符,如果“{}”內(nèi)有多個(gè)參數(shù),用“,”分隔。通信協(xié)議參數(shù)為A0~A7:傳感器數(shù)值;D0:Bit0~Bit7分別對(duì)應(yīng)A0~A7的狀態(tài)(上傳或設(shè)置?);D1:開(kāi)關(guān)量控制;V0~V3:傳感器承參數(shù)。

氦質(zhì)譜檢漏儀和真空計(jì)數(shù)據(jù)格式參考常見(jiàn)的Modbus-RTU協(xié)議格式,由設(shè)備地址、功能碼、數(shù)據(jù)、結(jié)束符組成,采用求和校驗(yàn)方式。

4 評(píng)測(cè)

    為進(jìn)一步驗(yàn)證該系統(tǒng)灰度預(yù)測(cè)反應(yīng)時(shí)間算法的有效性,開(kāi)展了一系列反應(yīng)時(shí)間測(cè)量實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)對(duì)比。利用真空檢漏系統(tǒng)分別檢測(cè)容積為6L、11L、20L和41L的工件容器,由系統(tǒng)自主完成檢漏流程,并通過(guò)算法預(yù)測(cè)四種體積狀態(tài)下的系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間數(shù)據(jù),對(duì)比傳統(tǒng)人工肉眼觀測(cè)到的反應(yīng)時(shí)間數(shù)據(jù)。每個(gè)體積狀態(tài)下反復(fù)測(cè)量3次取均值,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

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    通過(guò)結(jié)果對(duì)比可知,系統(tǒng)的灰度預(yù)測(cè)算法可以有效地預(yù)測(cè)的系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間,在大體積容器檢漏的工況下,能夠?qū)崿F(xiàn)提高候檢效率的目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)

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[2] 陳濤,廖旭東,黃穎軍,等.一種快速準(zhǔn)確獲取真空氦質(zhì)譜檢漏系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間的方法研究[J].真空科學(xué)與技術(shù)學(xué)報(bào),2016,36(5):542-546.

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作者信息:

付良瑞,朱寶良,鄧金球,陳  濤,白國(guó)云

(西北核技術(shù)研究所,陜西 西安710024)

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