新疆天文臺26米射電望遠鏡壓縮機 壓力監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)*

陳 勇，段雪峰，閆 浩，李 健，項斌斌， 馬 軍，李笑飛，劉 烽，曹 亮

(1. 中國科學院新疆天文臺，新疆 烏魯木齊 830011；2. 中國科學院射電天文重點實驗室，江蘇 南京 210008； 3. 新疆微波技術(shù)重點實驗室，新疆 烏魯木齊 830011)

新疆天文臺南山基地26 m射電望遠鏡建成于1993年12月，2015年天線口徑升級改造為26 m。望遠鏡參加了歐洲甚長基線干涉網(wǎng)(European VLBI Network, EVN)、國際VLBI測地網(wǎng)(International VLBI Service for Geodesy and Astrometry, IVS)、俄羅斯低頻VLBI網(wǎng)(Low Frequency VLBI Network, LFVN)、東亞VLBI網(wǎng)等多個國際合作組織，承擔著國家攀登計劃、大科學工程、國家自然科學基金、中國科學院基礎(chǔ)研究重點項目以及多項單天線國際合作天文觀測研究任務(wù)，開展了脈沖星觀測、分子譜線、活動星系核、日間快速光變現(xiàn)象(Intra-Day Variability, IDV)等多項課題[1]。

26 m射電望遠鏡投入使用的接收機共有4臺[2]，為了觀測微弱的射電信號[3]，4臺接收機均為制冷低噪聲接收機，使用氦氣壓縮機制冷。壓縮機通過氦氣管為制冷頭提供260～280 PSI的高壓氦氣，氦氣在制冷頭中膨脹，通過氦氣管返回壓縮機，回氣壓力范圍為50～100 PSI。

天線在觀測中不停地轉(zhuǎn)動，氦氣管的一部分和天線一起運動，時間長了氦氣管因為破損而漏氣，如果沒有及時發(fā)現(xiàn)，壓縮機因壓力過低而停機，氦氣管甚至會因為氣壓過低進入空氣。這時就必須停止觀測，等接收機杜瓦回暖，重新給杜瓦抽真空、制冷。如果氦氣管中進入空氣還需要置換氦氣管中的氣體，嚴重影響正常的觀測計劃。

壓縮機在正常運行過程中需要不定時的維護，如壓縮機壓力過低時需要補充氦氣，壓縮機運行一定時間后需要更換吸附器和氦氣管，這些正常維護工作都需要記錄。為了掌握壓縮機的運行狀況，更好地為天文觀測服務(wù)，本文設(shè)計和開發(fā)了一套壓縮機壓力監(jiān)控軟件[4-8]。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 需求分析

1.1.1 壓縮機壓力監(jiān)控及維護管理

軟件能夠?qū)崟r分析、處理數(shù)據(jù)采集端接收的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)壓縮機壓力實時監(jiān)控。當壓縮機壓力出現(xiàn)異常或與數(shù)據(jù)采集端通訊異常時，系統(tǒng)及時給相關(guān)人員發(fā)送郵件，提醒用戶處理壓縮機壓力異常情況。

1.1.2 方便查詢

軟件系統(tǒng)不僅記錄壓縮機的壓力值，同時也記錄壓縮機的運行、維護數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)都保存在數(shù)據(jù)庫中。軟件系統(tǒng)必須很方便地查詢這些數(shù)據(jù)，才能對壓縮機的運行狀態(tài)做出正確的判斷。軟件系統(tǒng)不僅可以在主界面查詢接收機的運行數(shù)據(jù)，還可以在各功能界面中查詢。

1.1.3 與壓縮機壓力傳感器靈活配對

26 m射電望遠鏡現(xiàn)有兩臺壓縮機，每臺壓縮機需要一根高壓氦氣管和一根低壓氦氣管，兩臺壓縮機共需4根氦氣管，實際有6根氦氣管可供使用，其中4根在使用，兩根備用。因為氦氣管的損壞具有不確定性，需根據(jù)實際情況更換，所以不確定哪根氦氣管用于哪臺壓縮機，在更換氦氣管后軟件需要方便地和實際使用的氦氣管配對。

1.1.4 軟件界面簡潔

軟件界面簡潔，各項功能在后臺完成，用戶只需要簡單的培訓(xùn)就可以熟練使用。

1.2 總體設(shè)計

壓縮機壓力監(jiān)控系統(tǒng)采用分層設(shè)計和開發(fā)，分為數(shù)據(jù)采集與傳輸層、數(shù)據(jù)處理與查詢層、數(shù)據(jù)顯示與應(yīng)用層以及數(shù)據(jù)庫層，壓縮機壓力監(jiān)控系統(tǒng)總體框架如圖1。

圖1 壓縮機壓力監(jiān)控系統(tǒng)總體框架

1.2.1 數(shù)據(jù)采集與傳輸層

數(shù)據(jù)采集與傳輸層主要為硬件部分，壓力傳感器采集壓縮機的壓力并使用樹莓派通過TCP/IP將壓力數(shù)據(jù)傳輸?shù)絻?nèi)網(wǎng)。

1.2.2 數(shù)據(jù)處理與查詢層

數(shù)據(jù)處理與查詢層接收數(shù)據(jù)采集與傳輸層傳來的壓力數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)處理，所有的查詢工作也在這層完成，因此，這一層是軟件的核心層。

1.2.3 數(shù)據(jù)顯示與應(yīng)用層

數(shù)據(jù)顯示與應(yīng)用層是軟件的界面，壓縮機的壓力數(shù)據(jù)及壓縮機房的溫度數(shù)據(jù)在這層顯示，用戶在這層與軟件交互，完成基本資料錄入、查詢、報警等操作。

1.2.4 數(shù)據(jù)庫層

數(shù)據(jù)庫層是數(shù)據(jù)存儲的核心，壓縮機的基本資料、壓力數(shù)據(jù)和歷史維護記錄存儲在數(shù)據(jù)庫中，供軟件調(diào)用、查詢。

2 系統(tǒng)模塊

因為多路壓縮機壓力數(shù)據(jù)具有相似性，為了提高代碼的重用性，軟件系統(tǒng)所有的功能采用模塊化的形式實現(xiàn)，每個模塊提供特定的功能，模塊之間通過接口通訊。所有模塊可以被應(yīng)用程序重復(fù)調(diào)用，既可以有效減少代碼量又方便軟件的維護。軟件將一些常用的功能封裝在一個類中作為父類，在其它使用這些功能的地方作為子類繼承父類。軟件界面的許多操作及界面形式非常相似，這是因為它們繼承了相同的父類。

2.1 增加、修改、刪除、保存類

增加、修改、刪除、保存功能是軟件系統(tǒng)常用的功能，這些功能主要涉及數(shù)據(jù)庫的操作，需要將界面中的數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫中的字段對應(yīng)，在界面完成對數(shù)據(jù)庫的操作。軟件的界面都用到這些操作，因此將這些功能做成一個父類。在這個類中，每項指令執(zhí)行之前先檢查數(shù)據(jù)的完整性及必錄字段是否為空、指令是否符合要求、是否滿足對數(shù)據(jù)庫的操作要求，只有符合要求的指令才能執(zhí)行，不符合要求的指令提示出錯。

2.2 查詢類

強大的查詢功能是軟件系統(tǒng)的一大特色，為了了解壓縮機的工作情況，需要查詢壓縮機的歷史工作記錄。在查詢類中，軟件系統(tǒng)先檢查查詢界面出現(xiàn)的查詢選項，再檢查用戶在查詢選項的輸入值是否符合要求。軟件根據(jù)用戶選擇的查詢選項的數(shù)據(jù)類型將查詢項歸類，然后根據(jù)查詢需求生成查詢數(shù)據(jù)庫需要的SQL語句。軟件的許多界面有查詢功能，因此，將查詢功能專門作為一個類封裝，在查詢界面繼承查詢類，這樣只需要極少的代碼就可以完成復(fù)雜的查詢。

2.3 數(shù)據(jù)庫模塊

數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)按照關(guān)系型數(shù)據(jù)庫模型設(shè)計，嚴格遵循數(shù)據(jù)庫實體完整性規(guī)則，軟件通過SQL語句訪問數(shù)據(jù)庫。根據(jù)數(shù)據(jù)功能和內(nèi)容的不同將數(shù)據(jù)分別存儲在多個數(shù)據(jù)表中，各數(shù)據(jù)表之間通過唯一的主鍵值關(guān)聯(lián)，這樣既體現(xiàn)了冗余最小原則又保證數(shù)據(jù)庫具有極強的可擴展性。數(shù)據(jù)庫模塊除了保存壓縮機的壓力數(shù)據(jù)和壓縮機房的溫度數(shù)據(jù)外，還保存其它和軟件系統(tǒng)相關(guān)的數(shù)據(jù)，如壓縮機的基本數(shù)據(jù)、操作人員信息和壓縮機維護數(shù)據(jù)等。

2.4 數(shù)據(jù)處理模塊

軟件接收的壓力數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)處理模塊中處理，因為壓縮機和氦氣管號沒有一一對應(yīng)，為了能夠準確查詢壓縮機的歷史信息，數(shù)據(jù)庫使用了6個數(shù)據(jù)表存儲壓縮機的數(shù)據(jù)，6個數(shù)據(jù)表分別對應(yīng)6個壓力傳感器。6個數(shù)據(jù)表的結(jié)構(gòu)一樣，對它們的操作也相同。因此將處理數(shù)據(jù)的函數(shù)做成模塊，處理每路壓力數(shù)據(jù)時可以調(diào)用函數(shù)模塊，不必為每路壓力數(shù)據(jù)重復(fù)寫一段函數(shù)，既有效減少了代碼量，也容易修改代碼，而且未來如果添加新的氦氣管，修改程序也非常方便。數(shù)據(jù)處理模塊判斷接收到的壓力數(shù)據(jù)是否正常，壓縮機是否漏氣、是否在加氣，如果壓縮機壓力過低，數(shù)據(jù)處理模塊會發(fā)送郵件提醒用戶加氣。

2.5 通訊模塊

軟件通過TCP/IP的方式與數(shù)據(jù)采集端通訊，在通訊模塊中設(shè)置數(shù)據(jù)采集端的IP地址，軟件自動連接到數(shù)據(jù)采集端。通訊模塊通過定時器每秒向數(shù)據(jù)采集端請求一次數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集端接到指令后將壓縮機當前的壓力值和壓縮機房的溫度值發(fā)送給通訊模塊，通訊模塊自動判斷與數(shù)據(jù)采集端的通訊是否正常，出現(xiàn)異常時通過郵件報警。

2.6 報警模塊

壓縮機的壓力超過閾值、低于閾值、壓力上升過快或下降過快都會觸發(fā)報警，軟件和數(shù)據(jù)采集端通訊異常時也會報警。報警時，軟件發(fā)送郵件提醒相關(guān)人員處理報警信息，同時在主界面用聲光報警的方式提醒操作人員。

2.7 報表模塊

壓縮機壓力日報表是壓縮機運行、維護的重要組成部分，每日生成日報表的功能由報表模塊自動完成，不需要做任何操作。過了零點，報表模塊自動從數(shù)據(jù)庫查詢上一個工作日所有正在運行的壓縮機的壓力值，并將壓力日報表以PDF的格式保存到指定路徑，然后通過郵件將壓力日報表發(fā)送給相關(guān)人員。

2.8 郵件模塊

郵件是軟件和操作人員交互的一種方式，通過郵件將壓縮機的相關(guān)信息傳遞給工作人員，可以有效減少工作量。壓縮機報警、壓縮機運行時間到達指定維護時間、軟件和下位機通訊異常、報表模塊生成日報表后郵件模塊都會給相關(guān)人員發(fā)送郵件。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

軟件系統(tǒng)不但是壓縮機的壓力監(jiān)控系統(tǒng)，同時也是壓縮機運行、維護、管理系統(tǒng)。軟件最重要的功能是壓縮機系統(tǒng)漏氣時能夠及時報警。壓縮機的高壓和低壓在一定范圍內(nèi)動態(tài)變化，數(shù)據(jù)采集端實時采集壓縮機的壓力，因此，來自數(shù)據(jù)采集端的數(shù)據(jù)也在一個較大的范圍內(nèi)變化。軟件必須能夠正確判斷數(shù)據(jù)的變化是否正常。壓縮機壓力報警的原因很多，主要有氦氣管的壓力低于正常值，氦氣管的壓力高于正常值，氦氣管漏氣，壓縮機和氦氣管加氣等。

壓縮機壓力監(jiān)控流程如圖2。軟件接收壓力數(shù)據(jù)后，首先判斷壓力數(shù)據(jù)屬于高壓氦氣管、低壓氦氣管還是備份氦氣管，然后在相應(yīng)的壓縮機及氦氣管顯示框中顯示壓力數(shù)據(jù)，軟件系統(tǒng)將接收的壓力值與預(yù)定閾值比較，壓力值高于閾值時啟動高壓報警，低于閾值時啟動低壓報警。

圖2 壓縮機壓力監(jiān)控流程圖Fig.2 The flowchart of the compressor pressure monitoring software

如果壓力值小于最小值寄存器中的數(shù)值，可能是壓縮機漏氣，因為壓縮機有兩根氦氣管，當一根氦氣管漏氣時，另外一根氦氣管的壓力變低，兩根氦氣管的壓力變化趨勢一致。軟件調(diào)用數(shù)據(jù)庫中最近10 h的數(shù)據(jù)，通過算法判斷一臺壓縮機的兩根氦氣管都符合漏氣特征時發(fā)出漏氣報警。如果壓力值大于最大值寄存器中的數(shù)值，軟件調(diào)用數(shù)據(jù)庫中最近10 h的數(shù)據(jù)，通過算法判斷壓縮機是否在加氣，如果是加氣也報警。

只要接收的數(shù)據(jù)觸發(fā)報警,這個數(shù)據(jù)就保存在數(shù)據(jù)庫中，同時系統(tǒng)給相關(guān)人員發(fā)送郵件。沒有觸發(fā)報警的數(shù)據(jù)，如果滿足條件就放入最小值寄存器或者最大值寄存器，存放在最小值寄存器中的數(shù)據(jù)每隔1 h存儲到數(shù)據(jù)庫。

4 用戶界面

軟件界面友好，大部分功能在后臺自動運行，需要用戶操作的地方很少。軟件功能較多，如果將所有功能放在一個界面顯得很雜亂。因此根據(jù)功能的不同，將界面分成主界面和各功能界面，主界面只顯示壓縮機的壓力和壓縮機房的溫度，其他操作根據(jù)功能的不同在各功能界面顯示。

4.1 主界面

在主界面的編輯框顯示正在使用的壓縮機壓力和壓縮機房溫度的實時值，用圖表的形式顯示24 h的數(shù)據(jù)，用戶對壓縮機的運行狀況一目了然。在主界面還可以方便地查詢壓縮機的運行狀況，壓縮機壓力監(jiān)控主界面如圖3。

4.2 功能界面

軟件系統(tǒng)的其它操作需要登錄系統(tǒng)后在功能界面中進行。輸入正確的用戶名和密碼就可以登錄軟件系統(tǒng)，登錄后可以進行如報警處理，壓縮機、氦氣管、數(shù)據(jù)采集端口匹配，系統(tǒng)查詢，壓縮機維護，系統(tǒng)設(shè)置，數(shù)據(jù)采集端IP地址設(shè)置，操作人員基本信息，報表收件人和報警收件人設(shè)置等操作。

5 總結(jié)和展望

新疆天文臺南山觀測基地26 m射電望遠鏡壓縮機壓力監(jiān)控系統(tǒng)軟件已經(jīng)制作完成，軟件系統(tǒng)具有功能強大、操作簡單、界面友好、可進行各種組合條件查詢、可擴展性強等優(yōu)點。

望遠鏡除了壓縮機壓力外，接收機低噪聲放大器的工作狀態(tài)，接收機杜瓦的真空度以及制冷溫度，接收機制冷機的驅(qū)動電源，接收機的中頻功率等都需要監(jiān)控，下一步的工作需要逐步將這些功能添加到軟件系統(tǒng)，使軟件不但滿足當前26 m射電望遠鏡的需求，也可以滿足將來奇臺110 m口徑射電望遠鏡(QiTai Radio Telescope, QTT)[9]的需求。