1 引 言
工业色谱仪是一种大型流程分析仪器,用于在线分析生产过程中气、液态流程样品的组成成分及其含量,在石化、炼油、钢铁等工业生产及环保领域得到广泛应用。目前,工业色谱仪的分析传感器和分析手段有了很大进步,并且向智能化、网络化发展。CX8800工业色谱仪是具有双炉双检测器多流路的防爆型工业色谱仪,嵌入仪器的PC/104系统不仅实现分析、记录、控制(ARC)功能,而且可在仪器上完成参数整定、谱峰识别、数据处理、信息通信等功能,从而提高了仪器数字化、智能化、网络化性能。本文讨论嵌入式系统研究中系统配置的选择、软件设计和智能技术的应用。
2 CX8800工业色谱仪性能
该工业色谱仪的双炉结构设计为两个相互独立的分析通道,各自均具备检测回路、气体流路、色谱柱及箱体;检测器均可配热导池检测器(TCD)和氢火焰检测器(FID)。用于组分分离的色谱柱可采用填充柱、毛细管色谱柱,也可两者结合。两通道均为多流路多组分分析、流路数可达16路,可分析组分达40个。仪器分为分析箱和电气箱两部分,箱体内充入压缩空气呈正压结构,同时采用隔爆复合措施,使仪器具有良好的防爆性能。由PC/104组件和信号调理输出驱动组成的嵌入式计算机系统置于电器箱中。
应用嵌入式系统实现主要功能:
(1)分析信息数字化,仪器操作自动化,由时间事件确定仪器的分析过程,自动执行阀门的启闭、流路切换、谱峰识别、结果计算等。实时操作,动作准确,使分析仪器具有较高重复性指标。
(2)从仪器的LCD屏上,可观察分析过程曲线,察看、修改分析参数,了解仪器工作状态。中文页面显示,仪表键盘操作,菜单选择,帮助提示,为使用者提供了良好的人机界面环境。
(3)小语言环境满足用户对仪器分析的特殊需要,可通过编程改变仪器的分析流程和对结果作特殊处理。
(4)自动故障诊断,实时监测仪器中各流路的压力、流量、温度、工作电压状态,并根据故障性质分别处理和报警。自动标准样品标定和基线自动调零,分析结果、谱峰数据、仪器状态的自动记录和保存,保证了仪器长期可靠运行,实现在线仪器的无人值守。
(5)智能技术的应用,在谱峰识别参数的确定和分析箱温度控制中均采用了智能处理,从而提高了仪器的分析精度。
(6)为DCS系统提供实时分析结果。仪器具有16个组分的趋势模拟输出和多路状态开关输出信号,后者为组分结果的超限报警和仪器状态信息;RS2485串口通信可向上位计算机发送谱图,分析结果,报警记录等。同时系统设置TCP/IP通信口,可适应过程控制中局域网通信的需要,也可按需要实现在公用网上的远程通信和仪器的远程诊断。
现有的工业色谱仪一般都将如历史谱图的处理、分析时序的设置、谱峰识别参数的确定等工作,由外接PC机离线完成,确定后的参数处理方法输入到仪器的控制器中执行。而本研究的一个重要特点是利用了嵌入式系统,将工业色谱仪使用中的所有工作都置于仪器上实现,并解决了运算工作量大、数据信息量多、智能处理要求高、CPU机时相对紧张等难题,使仪器在线分析的同时可调阅历史谱图,进行谱图显示、双谱图比较、谱峰重识别等工作。
3 PC /104系统配置
PC/104是嵌入式PC的机械电气标准,它秉承了PC机开放式总线结构的优点。结构标准化,自栈式模块化,体积小,高度紧凑,且具有良好的抗干扰和低功耗性能。工业色谱仪的嵌入式系统采用四块PC/104组件,即主模块、模拟量I/O模块、数字量I/O模块和实时钟模块[1],配以设计的信号调理模块和输入输出驱动模块,组成硬件系统,如图1所示。
系统为工业色谱仪提供16路高精度A/D转换、16路12位D/A转换、用于操作控制的98个开关量输入输出。在此只对主板及部分设计作介绍[2]。
3.1 PC /104主板及人机对话
PC/104测控系统主板采用主频300M的PⅡCPU,内存为64M,板内有两串一并接口和连接固态盘的接口;其图形处理器可直接支持LCD。该主板集成了10/100BaseT以太网接口,可提供与DCS系统的通讯;两个独立的看门狗系统,可通过编程分别实现短时和长时看门狗定时方式,为嵌入式系统的抗干扰复位和系统诊断提供支持。嵌入式系统的显示器采用平板式液晶彩色显示器,可实现800×600点阵显示。液晶显示器的背光电源回路由系统自动调节,使清晰度保持良好状态。利用主板提供标准的PC键盘接口,为工业色谱仪设计5×6矩阵薄膜仪表键盘,由行、列位的选择确定该键的代码并编制相应的键驱动程序。显示器和仪表键都镶在CX8800工业色谱仪壳体上方的电气箱表面。
3.2 具有FIFO的A /D转换
对于工业色谱仪来讲,A/D转换是保证谱峰测量精度的重要环节。由于仪器采用双炉结构,且要求高速、实时采样。每隔1ms就需对来自两个检测器的四路模拟信号(程控放大器前后的一二次信号)和其它12路检测信号进行一次循环采样;通过对40个采样值的平滑滤波,生成检测周期为40ms的谱峰数据。所选用的模块具有先进先出的FIFO存储栈结构,A/D转换后的数据自动存储在FIFO中,当FIFO达到预置深度时,则申请中断。在中断服务周期里,只将所采集的数据送入系统所设置的大容量缓冲区作为原始数据,其处理由实时任务程序完成。A/D转换的启动及多路转换由模块内的定时器自动控制,这样减少了高采样频率下的转换过程对CPU机时的占用;同时保证了谱峰信号采样周期的准确,峰高、峰面积保留时间等谱峰参数的测量 精度。
3.3 实时钟控制
每一独立通道在线多流路分析的工作流程以样品分析周期为基本周期,循环对选取的各流路的样品采样分析。设计中将分析周期内所需完成的各项操作定义为时间事件,由于工业色谱仪的工作特点,任务复杂,实时要求严格,仅仅利用主板上提供的定时器是不够的。所选用PC/104定时模块,含4块82C54用作时序控制的实时钟系统。其中,两块82C54分别作为两个通道的实时钟,由设置的事件时间实现对不同组分程控放大倍数的控制以及平衡阀、采样阀、流路切换阀的时序控制;实时钟的计时分度为0.1 s,最大分析周期为9 999 s。另两块则通过定时计数器的组合形成输出周期为1. 5 s脉宽调制器,用以驱动过零式固态继电器,分别控制两个分析箱和气化室的温度[3]。选用过零式控制模式可以减少移相可控硅形成的高次谐波对测量回路的影响。外置式实时钟的使用保证了仪器操作时序的准确,同时也减少时间事件所占用的CPU机时,实现实时事件与分析运算操作的平行运行。
3.4 系统外存的选用
工业色谱仪对测控系统外存的要求:一是存储量大;二是存储频繁。以10min分析周期为例,每一分析周期的谱峰数据约含30 K字节信息,按保存300个历史谱图计算,双通道全流路分析约需要400M左右的外存空间。为适应仪器可靠工作的需要,系统每隔一定时间就对两通道所采集处理的谱峰数据进行一次文件存盘,同时仪器的状态信息也都需周期性保存,因此对外存的存取频率高。采用便携式电脑的硬盘,容量大但频繁存取极易造成磁道损坏;固态电子盘存取特性好,体积小,但大容量价格高,在数据存取期间掉电易造成数据丢失和存储信息的破坏。综合分析选用512M固态盘作为外存,同时增加掉电检测和掉电保护,确保系统软件和数据的安全。
4 软件系统设计
PC/104采用PC结构,软件资源丰富,这给软件系统的设计带来很大方便。测控软件在DOS环境下基于C++语言开发,软件系统采用模块设计,以时间事件的实时处理为中心,对多重任务按权重实行分时处理。软件模块主要包括参数设置、谱峰处理、时序控制、状态监测及人机交互页面等。
4.1 DOS系统的选用
由于外存空间的限制,操作系统采用DOS系统,与W indows比较,加大了界面设计工作量,且失去了众多软件支持。但DOS系统在硬件处理及实时运行方面可很好地满足工业色谱仪操作的需要,且DOS系统占用的常驻内存容量小,适用于嵌入式结构。另外,基于C++语言设计的功能模块具有较好的可移植性,在操作系统改变后仍可使用,这也为系统的升级换代作了准备。为充分利用PC/104提供的64M内存空间,系统通过BIOS调用,实现对扩展内存的控制使用。对当前谱峰数据采用分块传送,由常规内存转入扩展内存中保存,使得常规内存始终有足够空间用于运算处理;另外历史谱峰数据的显示和调用时也由外存直接存入扩展内存区。这样,当前分析周期的谱峰数据和历史数据均在内存读取,可依据需要进行转屏和分屏显示及处理,从而实现快速显示处理[4]。
4.2 数据结构和文件格式
良好的数据结构对于软件系统至关重要,它表征了相互之间存在一种或多种特定关系的数据元素的集合。本系统的数据结构采用线性链表,包括组分链表、时间事件链表,流路链表、选项链表和参数链表等。以组分链表为例,节点中存储分析样品中各组分的信息,如该组分的组分名、保留时间、分析结果、组分浓度等,图2为该链表类型及所存内容。
仪器分析的谱峰数据和状态信息以文件形式存储在固态盘中,因此规划了文件结构。对于每一分析周期的谱峰数据及该流路分析的组分链表信息存储为一个谱图文件,文件头则包含该分析周期通道、流路号、分析周期、时间事件信息及存储的数据块数和有效数据个数。规格化文件不仅方便本系统的调用,也为过程控制的DCS系统或上位计算机的数据通讯提供方便。研究中已为上位机传输仪器的数据信息设计了处理程序软件,可将分析数据转换为W indows下的ODBC数据格式。
4.3 智能谱峰处理技术
谱峰识别与处理是色谱分析的关键,工业色谱仪与实验室色谱仪相比较,需要在线长期运行,因此其谱峰识别参数的确定对分析结果准确性影响较大。本仪器的谱峰识别参数共设最小峰宽、最小峰高、峰斜率设定、平滑化系数、噪声水平及保留时间[5]。谱峰识别时各组分峰靠保留时间及其窗口时间来判定,与一般工业色谱仪不同,本系统中对组分峰的出峰时间和结束时间没有设置,而是由门限斜率确定。这样在峰面积测定时,可减少拖尾峰及不同浓度含量测定时的误差。平滑化参数用于减少谱峰曲线波动对分析的影响,噪声水平参数则消除由各种磁电干扰形成的尖脉冲对谱峰的误判。以上识别参数可由用户依据分析状况和经验由页面输入;由于该参数对谱峰识别影响大,软件设计了参数的自整定功能,可由用户在页面菜单选择,动通过在线对标准样品的重复分析,取若干组数据进行优化识别处理,自动寻求最佳的一组参数作为在线运行时的识别参数。
工业现场的干扰可造成谱峰曲线上的凹凸区,影响峰时间参数的确定和峰面积积分的准确。图3为平滑处理后的谱峰,A、B处的小峰谷可使峰开始和结束时间判定出错,当组分峰较小或是负峰时影响尤大。为此设计中采取峰特征数据移位判断以减少误判。下面给出的是拖尾峰处理的示范程序,图4是经处理后的峰识别结果。图中方框数据为光标所在谱峰的时间参数及其峰值。
if(PeakMax&&! negative&&((fData<=(PKIn2
fo->Peaks[PKInfo-> iPeakNum]. PeakStart. fVolt
+temp))
||((g[0]>=(-Para->Threshold) /2)&&
(g[1]>=(-Para->Threshold) /2)&&(g[2]>
=(-Para->Threshold) /2 ))
{ //判断正峰在该点符合峰结束条件。g
[]为曲线斜率
lSearchEnd=lPointNum-12; //trace for2
word
if( i
…. //判断是否为拖尾峰,若是执行移
位判断
k=Para->NoiseLeve*l 25+;i
g[3]=ReadBuffer(pChrBu,f k);
g[3]=(g[3]-fData) /Para->
NoiseLeve;l
g[4]=ReadBuffer(pChrBu,f k+25)+
Para->Excursion-g[3];
k=i-Para->NoiseLeve*l 25;
if(k<0)k=0;
g[5]=(fData-ReadBuffer(pChrBu,f
k))* 25/( i-k);
g[5]=g[5]* g[3]; //从该处向前移
位以判断是否为曲线的凹凸区, g[5]为拐点标志
if( i
if ((g[4]>=-(Para->Thresh2
old/2)&&(g[5]>=0)
||(g[1]>g[2]&&g[0]>=g
[1]&&g[3]>0&&g[4]>0)
||(g[5]<0&& g[4]>=g[3]
)) //拖尾存在有效重叠峰
{ //该点符合移位判断条件,确定为
峰结束点
PKInfo->Peaks[PKInfo->iPeak2
Num].PeakEnd. lNum=end;
PKInfo->Peaks[PKInfo->iPeak2
Num].PeakEnd. fVolt=ReadBuffer(pChrBu,f end);
//reallocate the peakmax point
(PKInfo->iPeakNum)++;
PeakMax=0;
}
else end=0; //放弃该点,继续寻找峰
结束点
}
具有智能处理后的工业色谱仪在标准样气重复性试验和现场运行中,分析结果准确,重复性好;在参数确定和仪器使用方面也为用户带来了方便。
4.4 小语言环境
系统的小语言环境由文本编辑器与解释执行器两部分组成,采用BASIC语言编程,提供算术运算、逻辑运算及谱峰、文件处理指令80条。编好的程序可在分析周期的时间事件中直接运行;也可在非运行时在编辑页面直接运行,以完成谱峰计算和硬件性能测试等操作。图5为一段程序示例,例程为在线时将当前流路的第2组分峰与第3组分峰面积合并计算,计算的浓度值送入组分列表;计算第1组分H2和第4组分N2的浓度比并取名为H2∶N2,送组分列表的第五项中保存。
4.5 抗干扰措施
系统采取软硬件结合的抗干扰措施。除在电源滤波、配置功能板电路设计上采取抗干扰措施外,还利用PC/104主板上设置的看门狗电路对软件系统的运行实时监控。当系统运行时,由于干扰造成程序“跑飞”时,由硬件定时器触发的自诊断程序,判断干扰的影响程度,来决定程序的重入口。对由于数据信息错误造成且不影响当前周期有效组分峰处理的干扰,则恢复程序继续运行,并作容错处理;若干扰造成当前分析周期的信息的大量丢失,则放弃当前分析周期,重新进入该分析周期。这种处理也适用于正常工作时,电源的短暂掉电。若干扰造成内存驻留程序和自诊断程序的破坏,就必须进行系统复位。以上情况均记录在报警文档中备查。这样,可以保证不带备用机的嵌入式系统长期在线的正常运行。
5 结 论
用于高性能工业色谱仪的PC/104系统,结构紧凑、空间体积小、抗干扰性能好。由于在数据采集和实时钟等方面均使用硬件资源,减少了对CPU机时的占用,使在线系统能在仪器上直接完成各种功能。智能技术、自诊断和自动标定的应用,使工业色谱仪具有较好的智能化功能,并将通常要求较高的谱峰识别参数确定等工作得以简单实现。操作页面上丰富的帮助菜单和操作提示,极大地方便了用户的使用。嵌入式系统的应用研究较大提高了国产工业色谱仪的数据通信和网络化功能,为过程的DCS系统提供实时可靠的组分含量数据,从而实现生产过程 的直接质量控制,提高经济效益。该项研究也为PC/104在其它大型科学仪器上的应用积累了经验。
[参考文献]
[1] 邹逢尖.微型计算机接口原理与技术[M].国防科技大学出版社, 1999.
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[3] Anon. PC/104 Module UNItes Embedded I/O[M]. Cahner Pub2lishingCo,2001.
[4] 赵亚琴,程明霄. PC/104系统数据存取技术在工业色谱仪中的应用[J].微计算机信息, 2002, 29(10).
[5] 程明霄,张 利.用于工业色谱仪数据处理及传输的单片机装置[J].化工自动化及仪表, 2002, (1).
