基于PXI平臺的通用火化機質量檢測系統設計

史 峰, 何曉鳳

(1.民政部一零一研究所，北京 100070; 2.廣西生態工程職業技術學院，廣西 柳州 545004)

0 引言

火化機是我國促進殯葬改革，推行火葬的重要裝備，是完成遺體火化功能的核心設備。通過對火化機的質量檢測和能力評定，可以淘汰落后的技術及產能，提升殯葬行業科技創新及新裝備轉化能力，促進殯葬行業向節能環保方向轉變，實現行業的可持續發展及“綠色殯葬”的人文理念。

現有的火化機一般采用外圍組件互連(PLC,peripheral component interconnection)控制，其狀態監測也由PLC控制系統代勞，監測項目有限，并無獨立的第三方檢測系統[1-4]。當前火化機質檢工作均采用傳統儀表進行，檢測方式為單儀表對應單項檢測項目，數據采用手工記錄，檢測方式落后。隨著火化機同步檢測和處理的數據量日趨增加，信號采集的響應速度也要求越來越快，但是檢測的參數類型卻日益分散，傳統檢測方式已不能滿足火化機質檢工作的需要。因此，研制可采集大容量多種類數據、快速響應、數據處理及存儲自動化的獨立第三方集成質量檢測系統的需求越來越迫切。

火化機質量檢測系統面對的被測對象待檢數據種類繁多、被測對象現有型號不一致、未來還有可能新增型號。因此，質量檢測系統需具備通用性和擴展性，其基礎平臺的選擇尤為重要。檢測系統作為測試領域的集成系統，其基礎平臺目前成熟應用的有PLC、PCI、面向儀器系統的VME總線擴展(VXI,VMEbus extensions for instrumentation)以及面向儀器系統的PCI擴展(PXI,PCI extensions for instrumentation)。由于檢測系統通用性和擴展性的需求，并考慮成本因素，高性價比的PXI平臺無疑是最佳選擇。PXI平臺于1998年正式推出，隨后便得到迅速普及和廣泛應用[5-7]。目前，PXI平臺被廣泛應用于航空航天、鐵路、汽車、電站等領域的測試中[8-12]，并在國產化自主可控方面取得了較大的進展[13-14]。

本文將基于PXI平臺設計通用的火化機質量檢測系統，首先根據多型號兼容性和后續可擴展性的要求進行系統結構設計，在此基礎上根據系統結構原理和數據采集需求進行系統硬件設計，隨后進行系統軟件設計以實現系統功能。系統設計完成并實現后，進行實際現場的檢測，并與現有經過計量認證的檢測儀器進行比對，驗證本系統的有效性和準確性。

1 系統結構及原理

文獻[15-18]規范了火化機及火葬場的技術標準和檢測標準，根據標準對火化機及其排放的要求，本系統主要參數設計如下：

1)溫度檢測內容：主燃室溫度、再燃室溫度和表面溫度，測量范圍：0～1 000 ℃，檢測誤差：不大于1.5%；

2)壓差檢測內容：主燃室負壓，測量范圍：-200～+200 Pa，檢測誤差：不大于1.5%；

3)流量檢測內容：耗油量，測量范圍：，0～100 L，檢測誤差：不大于1.5%；

4)噪聲檢測內容：環境噪聲，測量范圍：0～100 dB，檢測誤差：不大于2%；

5)氣體檢測內容：含氧量和污染物濃度，測量范圍：含氧量(0～25%)、一氧化碳(0～2 000 ppm)、二氧化硫(0～100 ppm)、氮氧化物(0～500 ppm)，檢測誤差：不大于5%；

6)系統應具備擴展性，通過添加軟硬件配置可較簡單的增加新檢測項目。

由于檢測系統的傳感器較多，信號類型繁雜，同時考慮到殯儀館的特殊環境，檢測人員應盡量遠離現場。因此在物理結構上，采用分級管理的原則：傳感器負責底層數據感知，現場檢測負責采集傳感器數據，另采用車載檢測模式負責數據處理與分析，以此實現高效率移動檢測。檢測系統結構如圖1所示。

圖1 系統結構圖

圖1中，實線方框內為本系統實現內容，系統由現場檢測子系統和車載檢測子系統組成。現場檢測子系統包含PXI平臺現場檢測機、檢測電纜、傳感器等，現場檢測機作為下位機配置多類型PXI數據采集卡用于連接各傳感器進行數據采集，并通過無線網絡將數據傳輸到外部車載檢測子系統。車載檢測子系統包含PXI平臺車載檢測機及打印機等附屬設備，車載檢測機通過替換PXI板卡可實現與現場檢測機的互備份，車載檢測機接收到原始數據后進行運算、分析、以及數據保存、查詢和回放等操作，并通過移動網絡將現場數據送至遠程數據中心作為火化機研發的基礎數據。現場檢測完成后，車載檢測機可直接打印檢測報告。

2 系統硬件設計

通用火化機質量檢測系統的硬件主要由車載檢測子系統和現場檢測子系統兩大部分組成，兩部分核心設備均為PXI平臺。PXI總線設備具有開放性和模塊化的特點，能滿足本系統基于外圍組件互聯的要求，便于整合各傳感器之間的信號以及系統未來隨著檢測項目增加后的擴展應用。其中：現場檢測子系統主要包含由PXI平臺和數據采集PXI板卡組成的現場檢測機以及相關傳感器等，車載檢測子系統包含由PXI平臺和附屬PXI板卡組成的車載檢測機以及檢測報告打印設備等。硬件架構設計如圖2所示。

圖2 硬件架構總體設計

2.1 現場檢測子系統硬件設計

現場檢測子系統主要包含由PXI平臺和數據采集PXI板卡組成的現場檢測機以及相關傳感器等。現場檢測機PXI平臺采用PXI-9106機箱，為6槽結構便攜式PXI機箱，具備通用PXI功能。機箱采用一體化結構設計，適用于本檢測系統的現場應用場合。基于PXI平臺配置接口提供內部供電、信號匹配電路等與前端傳感器完成對現場電壓、電流、熱電偶等信號的采集。現場檢測機配置如表1所示。

表1 現場檢測機硬件配置

根據目前的應用需求，現場檢測參數硬件配置如表2所示。

表2 現場檢測參數硬件配置

火化機的主燃室、再燃室和表面溫度采用普通K分度熱電偶來測量。結合本系統在現場檢測機上采用的PXI-3281熱電偶板卡，將檢測熱電偶接入板卡外接的恒溫接線盒上，通過接線盒中靠近接線端子位置的冷端補償熱敏電阻，可以更精確的取得冷端補償溫度。電壓信號送至現場檢測機中，再結合冷端補償溫度信號計算獲得檢測溫度數據。

火化機主燃室負壓指的是火化機主燃室工作時的壓力與環境中大氣的壓力差，采用壓差計測量。在檢測中，通過火化機主燃室開設的檢測孔來獲得其內部高溫氣體的壓強，經過U型不銹鋼管降溫后接入壓差變送器的高壓端，壓差計的低壓端暴露在空氣中，與大氣壓力一致。壓差計兩端的壓力差值轉換為4～20 mA電流信號。現場安裝時，壓差計的電流模擬信號通過電纜與現場檢測的I-V信號轉換盒連接并轉為電壓信號，再輸入PXI-3364多功能數據采集卡中進行計算獲得主燃室壓差。火化機的耗油量采用流量計檢測，也為4～20 mA信號，因此也可采用上述原理采集至現場檢測機中。

單具遺體的火化時間是衡量火化機工作效率的指標。原有檢測方式是在爐門關閉后依靠秒表來手工測量整個火化時間。在本系統中，通過PXI-3305開關量板卡檢測火化機爐門的行程開關信號作為起始時間，用控制器的時鐘來直接測量火化遺體的時間。同理，燃燒器啟停信號也可通過開關量板卡采集。

環境噪聲采用噪聲儀檢測，污染物濃度采用煙氣傳感器檢測，兩者均采用MODBUS總線協議傳輸數據，因此可通過PXI-6200串口卡配置為RS485模式進行數據通訊，現場檢測機通過配置具體的通訊協議即可采集相關傳感器的數據。

2.2 車載檢測子系統設計

車載檢測子系統包含PXI平臺車載檢測機及打印機等附屬設備，PXI平臺采用PXI-9108機箱，為寬溫版8槽PXI機箱，提供1個系統槽和7個PXI外圍卡槽。機箱符合PXI觸發總線、星形觸發、PXI局部總線和10 MHz參考時鐘要求，機箱工作溫度-20～+70 ℃，可滿足車載工作環境下的檢測應用。現場檢測子系統完成數據采集后，通過無線網絡將數據傳輸到外部車載檢測機中，車載檢測機接收到數據后實時顯示火化機檢測參數曲線，進行數據保存及查詢等操作，并通過移動網絡將數據發送至遠程數據中心。車載檢測機在本系統中不僅作為上位機對數據進行分析和處理，同時還具備其他的功能。通過配置示波器信號源卡，可在現場檢測設備故障時提供現場故障診斷和信號分析；配置可編程電阻負載卡，可對全系統實施阻抗匹配與校調；配置高精度時間同步器，作為系統的時鐘源，為系統提供精準的時域信號基準。車載檢測機具體配置如表3所示。

表3 車載檢測機硬件配置

3 系統軟件設計

為達到火化機數據采集通用性和擴展性的需求，同時考慮到基于PXI的硬件平臺，采用LabVIEW作為開發通用火化機質量檢測系統軟件的平臺。LabVIEW是一個適合儀器測量測試人員使用的圖形化開發環境，經常與PXI硬件搭配使用。軟件自帶的組件，能讓開發者靈活搭建系統架構并且快速實現模塊功能，縮短了檢測系統開發的周期，易于實現檢測系統的功能。

根據通用火化機檢測系統的需求和硬件架構，對通用火化機檢測系統軟件提出如下需求：

1)驅動PXI板卡實現對各信號類型傳感器的數據采集；

2)現場檢測機和車載檢測機的軟件通用，采用軟開關進行功能切換；

3)具備通訊功能，通過無線網絡進行現場檢測機和車載檢測機的通訊，通過移動網絡與公網連接向服務器發送相關數據；

4)具備數據采集、數據分析、數據存儲和人機交互等功能。

根據軟件的功能需求，可劃分為數據采集模塊、數據庫模塊、局域網通訊模塊、公網通訊模塊、人機交互模塊和任務調度模塊。軟件總體框架如圖3所示。

圖3 軟件總體框架

數據采集模塊主要負責傳感器數據的采集，同時兼容熱電偶、電壓、電流、開關量、數字量、總線通訊等信號的接入；數據庫模塊用于存儲檢測系統采集的傳感器數據以及系統用戶管理數據；局域網通訊模塊用于系統上下位機之間的通訊和數據傳輸；公網通訊模塊用于向遠程服務器發送檢測信息；人機交互模塊包括用戶登錄及權限管理、檢測任務用戶操作、數據分析等人機友好界面；以上所有模塊均由任務調度模塊進行調度，實現合理的資源配置和調用。

3.1 數據采集模塊設計

數據采集模塊的軟件流程如圖4所示。當系統進入開始狀態時，程序進入初始化狀態，依照端口啟動各數據采集的PXI板卡，采樣系統處于待命狀態，并循環檢測爐門的狀態。以爐門關閉作為系統檢測開始的指令，系統進入采樣狀態，若爐門關閉指令未執行，則系統繼續保持待命。采樣開始后，板卡依次檢測各端口的信號值，并將數值送入板卡緩存中，系統按照設定的采樣率從板卡緩存中調用端口值。采樣數據依時間先后順序，放入存儲區，直至手動下達檢測停止指令。檢測停止后，系統關閉板卡，并停止數據采集。

圖4 數據采集軟件模塊流程圖

3.2 數據庫模塊設計

本系統軟件數據庫主要用于采集數據和用戶管理數據的存儲，根據需求采用SQL數據庫進行數據的存儲，并設計采集數據庫和用戶數據庫分別存儲采集的數據和用戶數據。

采集數據庫包含任務數據表和采集數據表，任務數據表主要用于記錄任務的時間和狀態等，具體數據表設計如表4所示。

表4 任務數據表具體設計

采集數據表用于記錄采集到的傳感器數據，與任務關聯，具體數據表設計如表5所示。

表5 采集數據表具體設計

軟件使用SQL語言操作數據庫，并將任務數據表的增刪改與采集數據表的增刪改等操作封裝為統一模塊，便于任務調度模塊進行調度。

3.3 局域網通訊模塊設計

局域網通訊模塊用于局域網內上下位機的通訊，本系統軟件將局域網的通訊劃分為通訊連接、數據發送、數據接收等三大模塊，供任務調度模塊調用。通過模塊的自定義調用，可實現上位機、下位機、單機等角色的軟切換，實現一套多用。

本系統軟件上下位機通訊選用TCP通訊模式，實現可靠的連接。而由于TCP連接的建立必須要知道服務器的IP地址，在現場使用時頗為不便。因此，本機創新性的采用UDP+TCP聯合模式進行連接的建立，以上位機為服務器，利用UDP廣播功能查找服務器IP，確定IP后利用TCP建立連接，實現上下位機智能識別連接。局域網通訊流程如圖5所示。

圖5 局域網通訊流程圖

3.4 公網通訊模塊設計

公網通訊模塊用于向遠程服務器發送檢測數據，本系統軟件采用TCP/IP方式與遠程服務器建立通訊連接，并向其發送數據。公網通訊模塊采用標準接口封裝，供任務調度模塊進行調度。公網通訊使用時，須由用戶輸入公網IP和端口號，用于通訊的連接。公網通訊流程如圖6所示。

圖6 公網通訊流程圖

3.5 人機交互模塊設計

人機交互模塊主要指用戶操作界面，包含主界面、在線監測界面、歷史數據界面、用戶管理界面、通訊設置界面、關于界面等。

主界面主要為系統展示和用戶登錄界面，采用簡潔大方的設計樣式；在線監測界面可實時顯示接收的數據；歷史數據界面主要進行歷史數據查詢、分析、導出等操作；用戶管理界面對用戶進行增刪改及權限設置等管理；通訊設置界面可對通訊參數進行設置；關于界面為本系統軟件版權聲明。軟件主界面如圖7所示。

圖7 軟件主界面圖

進入軟件主界面后，輸入用戶名、密碼，選擇運行模式，即可登錄。軟件登錄后，默認顯示在線監測界面，具體如圖8所示。

圖8 軟件默認運行界面圖

出于篇幅考慮，不再一一展示軟件界面。至此，系統軟件設計完成，通用火化機質量檢測系統通過運行其軟件，即可執行火化機質量檢測任務。

4 實驗結果與分析

本系統研制完成后，為驗證其用于火化機質量檢測的有效性和準確性，首先在某計量檢測中心進行詳細的計量檢測，然后又將檢測系統安裝于某殯儀館進行現場測試。

計量檢測中，由于計量檢測中心的計量設備限制，僅能對溫度、壓差和氣體濃度進行檢測，耗油量和噪聲暫時無法檢測。由于主燃室溫度、再燃室溫度和表面溫度原理相同，本次檢測僅將主燃室溫度作為溫度檢測項進行檢測。各項參數的具體檢測方案如下：

1)溫度檢測：將計量熱電偶(1級精度)與本系統溫度傳感器同時放置于溫箱中，調節溫箱至指定溫度，穩定后計算本系統溫度測量值相對于計量熱電偶測量值的誤差；

2)壓差檢測：將計量壓力表(0.02級精度)與本系統壓差傳感器同時安裝于標準壓力發生器上，調節壓力發生器至指定壓強，穩定后計算本系統壓差測量值相對于計量壓力表測量值的誤差；

3)氣體濃度檢測：制備指定濃度的氣體標準物質(誤差不大于3%)，使用本系統氣體傳感器進行測量，計算本系統測量值相對于氣體制備值的誤差。

計量檢測的檢測結果如表6所示，其中實際值指計量儀器測量值或氣體制備值。

表6 計量檢測結果

從計量檢測的檢測結果可以看出，本系統各參數測量值相對于計量儀器的誤差均滿足系統設計參數的要求，驗證了本系統的準確性。

在某殯儀館現場測試中，將本單位原有在用檢測儀器作為比對儀器與本系統同時安裝于火化機相應位置中，對比兩者的偏差。由于被測火化機沒有再燃室，因此檢測項目中沒有再燃室溫度檢測項。比對儀器檢定/校準證書均在有效期內，儀器精度均能達到計量認證的要求。

現場測試完成后，將本系統測量值與比對儀器測量值進行對比，計算本系統測量值相對于比對儀器的誤差，結果如表7所示。

表7 現場測試實驗結果

從殯儀館現場測試結果可以看出，本系統各參數測量值相對于比對儀器的誤差均在系統設計要求范圍內，驗證了本系統的有效性。為保證測量精度長期穩定，本系統將定期送至計量單位檢定和校準，檢定和校準結果作為本系統各參數測量的修正值使用。

5 結束語

本文結合檢測活動的需求設計系統方案，搭建以PXI總線技術為基礎的硬件平臺，對主要設備進行選型。在硬件設備的基礎上，搭建以LabVIEW為開發工具的系統軟件，通過設計軟件架構，編制功能模塊，建立數據庫及管理模式等工作，最終完成了基于PXI平臺的通用火化機質量檢測系統的設計。本系統研制完成后，可建立火化機長期有效的數字化檢測平臺，檢測活動獲得的數據可作為火化機新產品設計及研發的基礎。