陳 勇，段雪峰，閆 浩，李 健，項(xiàng)斌斌， 馬 軍，李笑飛，劉 烽，曹 亮

(1. 中國(guó)科學(xué)院新疆天文臺(tái)，新疆 烏魯木齊 830011；2. 中國(guó)科學(xué)院射電天文重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210008； 3. 新疆微波技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 烏魯木齊 830011)

新疆天文臺(tái)南山基地26 m射電望遠(yuǎn)鏡建成于1993年12月，2015年天線口徑升級(jí)改造為26 m。望遠(yuǎn)鏡參加了歐洲甚長(zhǎng)基線干涉網(wǎng)(European VLBI Network, EVN)、國(guó)際VLBI測(cè)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(gè)國(guó)際合作組織，承擔(dān)著國(guó)家攀登計(jì)劃、大科學(xué)工程、國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)科學(xué)院基礎(chǔ)研究重點(diǎn)項(xiàng)目以及多項(xiàng)單天線國(guó)際合作天文觀測(cè)研究任務(wù)，開(kāi)展了脈沖星觀測(cè)、分子譜線、活動(dòng)星系核、日間快速光變現(xiàn)象(Intra-Day Variability, IDV)等多項(xiàng)課題[1]。

26 m射電望遠(yuǎn)鏡投入使用的接收機(jī)共有4臺(tái)[2]，為了觀測(cè)微弱的射電信號(hào)[3]，4臺(tái)接收機(jī)均為制冷低噪聲接收機(jī)，使用氦氣壓縮機(jī)制冷。壓縮機(jī)通過(guò)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(guò)氦氣管返回壓縮機(jī)，回氣壓力范圍為50～100 PSI。

天線在觀測(cè)中不停地轉(zhuǎn)動(dòng)，氦氣管的一部分和天線一起運(yùn)動(dòng)，時(shí)間長(zhǎng)了氦氣管因?yàn)槠茡p而漏氣，如果沒(méi)有及時(shí)發(fā)現(xiàn)，壓縮機(jī)因壓力過(guò)低而停機(jī)，氦氣管甚至?xí)驗(yàn)闅鈮哼^(guò)低進(jìn)入空氣。這時(shí)就必須停止觀測(cè)，等接收機(jī)杜瓦回暖，重新給杜瓦抽真空、制冷。如果氦氣管中進(jìn)入空氣還需要置換氦氣管中的氣體，嚴(yán)重影響正常的觀測(cè)計(jì)劃。

壓縮機(jī)在正常運(yùn)行過(guò)程中需要不定時(shí)的維護(hù)，如壓縮機(jī)壓力過(guò)低時(shí)需要補(bǔ)充氦氣，壓縮機(jī)運(yùn)行一定時(shí)間后需要更換吸附器和氦氣管，這些正常維護(hù)工作都需要記錄。為了掌握壓縮機(jī)的運(yùn)行狀況，更好地為天文觀測(cè)服務(wù)，本文設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)了一套壓縮機(jī)壓力監(jiān)控軟件[4-8]。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 需求分析

1.1.1 壓縮機(jī)壓力監(jiān)控及維護(hù)管理

軟件能夠?qū)崟r(shí)分析、處理數(shù)據(jù)采集端接收的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)壓力實(shí)時(shí)監(jiān)控。當(dāng)壓縮機(jī)壓力出現(xiàn)異常或與數(shù)據(jù)采集端通訊異常時(shí)，系統(tǒng)及時(shí)給相關(guān)人員發(fā)送郵件，提醒用戶處理壓縮機(jī)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(jī)的壓力值，同時(shí)也記錄壓縮機(jī)的運(yùn)行、維護(hù)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)都保存在數(shù)據(jù)庫(kù)中。軟件系統(tǒng)必須很方便地查詢這些數(shù)據(jù)，才能對(duì)壓縮機(jī)的運(yùn)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(jī)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，還可以在各功能界面中查詢。

1.1.3 與壓縮機(jī)壓力傳感器靈活配對(duì)

26 m射電望遠(yuǎn)鏡現(xiàn)有兩臺(tái)壓縮機(jī)，每臺(tái)壓縮機(jī)需要一根高壓氦氣管和一根低壓氦氣管，兩臺(tái)壓縮機(jī)共需4根氦氣管，實(shí)際有6根氦氣管可供使用，其中4根在使用，兩根備用。因?yàn)楹夤艿膿p壞具有不確定性，需根據(jù)實(shí)際情況更換，所以不確定哪根氦氣管用于哪臺(tái)壓縮機(jī)，在更換氦氣管后軟件需要方便地和實(shí)際使用的氦氣管配對(duì)。

1.1.4 軟件界面簡(jiǎn)潔

軟件界面簡(jiǎn)潔，各項(xiàng)功能在后臺(tái)完成，用戶只需要簡(jiǎn)單的培訓(xùn)就可以熟練使用。

1.2 總體設(shè)計(jì)

壓縮機(jī)壓力監(jiān)控系統(tǒng)采用分層設(shè)計(jì)和開(kāi)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(kù)層，壓縮機(jī)壓力監(jiān)控系統(tǒng)總體框架如圖1。

圖1 壓縮機(jī)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(jī)的壓力并使用樹(shù)莓派通過(guò)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(lái)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(jī)的壓力數(shù)據(jù)及壓縮機(jī)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(bào)警等操作。

1.2.4 數(shù)據(jù)庫(kù)層

數(shù)據(jù)庫(kù)層是數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的核心，壓縮機(jī)的基本資料、壓力數(shù)據(jù)和歷史維護(hù)記錄存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中，供軟件調(diào)用、查詢。

2 系統(tǒng)模塊

因?yàn)槎嗦穳嚎s機(jī)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(shí)現(xiàn)，每個(gè)模塊提供特定的功能，模塊之間通過(guò)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(hù)。軟件將一些常用的功能封裝在一個(gè)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?yàn)樗鼈兝^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(kù)的操作，需要將界面中的數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫(kù)中的字段對(duì)應(yīng)，在界面完成對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)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(gè)父類。在這個(gè)類中，每項(xiàng)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(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)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(cuò)。

2.2 查詢類

強(qiáng)大的查詢功能是軟件系統(tǒng)的一大特色，為了了解壓縮機(jī)的工作情況，需要查詢壓縮機(jī)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(xiàng)，再檢查用戶在查詢選項(xiàng)的輸入值是否符合要求。軟件根據(jù)用戶選擇的查詢選項(xiàng)的數(shù)據(jù)類型將查詢項(xiàng)歸類，然后根據(jù)查詢需求生成查詢數(shù)據(jù)庫(kù)需要的SQL語(yǔ)句。軟件的許多界面有查詢功能，因此，將查詢功能專門(mén)作為一個(gè)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(kù)模塊

數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)按照關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)模型設(shè)計(jì)，嚴(yán)格遵循數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)體完整性規(guī)則，軟件通過(guò)SQL語(yǔ)句訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)。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(chǔ)在多個(gè)數(shù)據(jù)表中，各數(shù)據(jù)表之間通過(guò)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(kù)具有極強(qiáng)的可擴(kuò)展性。數(shù)據(jù)庫(kù)模塊除了保存壓縮機(jī)的壓力數(shù)據(jù)和壓縮機(jī)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(jī)的基本數(shù)據(jù)、操作人員信息和壓縮機(jī)維護(hù)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?yàn)閴嚎s機(jī)和氦氣管號(hào)沒(méi)有一一對(duì)應(yīng)，為了能夠準(zhǔn)確查詢壓縮機(jī)的歷史信息，數(shù)據(jù)庫(kù)使用了6個(gè)數(shù)據(jù)表存儲(chǔ)壓縮機(jī)的數(shù)據(jù)，6個(gè)數(shù)據(jù)表分別對(duì)應(yīng)6個(gè)壓力傳感器。6個(gè)數(shù)據(jù)表的結(jié)構(gòu)一樣，對(duì)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(shí)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(xiě)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(lái)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(jī)是否漏氣、是否在加氣，如果壓縮機(jī)壓力過(guò)低，數(shù)據(jù)處理模塊會(huì)發(fā)送郵件提醒用戶加氣。

2.5 通訊模塊

軟件通過(guò)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(dòng)連接到數(shù)據(jù)采集端。通訊模塊通過(guò)定時(shí)器每秒向數(shù)據(jù)采集端請(qǐng)求一次數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集端接到指令后將壓縮機(jī)當(dāng)前的壓力值和壓縮機(jī)房的溫度值發(fā)送給通訊模塊，通訊模塊自動(dòng)判斷與數(shù)據(jù)采集端的通訊是否正常，出現(xiàn)異常時(shí)通過(guò)郵件報(bào)警。

2.6 報(bào)警模塊

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

2.7 報(bào)表模塊

壓縮機(jī)壓力日?qǐng)?bào)表是壓縮機(jī)運(yùn)行、維護(hù)的重要組成部分，每日生成日?qǐng)?bào)表的功能由報(bào)表模塊自動(dòng)完成，不需要做任何操作。過(guò)了零點(diǎn)，報(bào)表模塊自動(dòng)從數(shù)據(jù)庫(kù)查詢上一個(gè)工作日所有正在運(yùn)行的壓縮機(jī)的壓力值，并將壓力日?qǐng)?bào)表以PDF的格式保存到指定路徑，然后通過(guò)郵件將壓力日?qǐng)?bào)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(guò)郵件將壓縮機(jī)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(jī)報(bào)警、壓縮機(jī)運(yùn)行時(shí)間到達(dá)指定維護(hù)時(shí)間、軟件和下位機(jī)通訊異常、報(bào)表模塊生成日?qǐng)?bào)表后郵件模塊都會(huì)給相關(guān)人員發(fā)送郵件。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

軟件系統(tǒng)不但是壓縮機(jī)的壓力監(jiān)控系統(tǒng)，同時(shí)也是壓縮機(jī)運(yùn)行、維護(hù)、管理系統(tǒng)。軟件最重要的功能是壓縮機(jī)系統(tǒng)漏氣時(shí)能夠及時(shí)報(bào)警。壓縮機(jī)的高壓和低壓在一定范圍內(nèi)動(dòng)態(tài)變化，數(shù)據(jù)采集端實(shí)時(shí)采集壓縮機(jī)的壓力，因此，來(lái)自數(shù)據(jù)采集端的數(shù)據(jù)也在一個(gè)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(jī)壓力報(bào)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(jī)和氦氣管加氣等。

壓縮機(jī)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(jī)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(shí)啟動(dòng)高壓報(bào)警，低于閾值時(shí)啟動(dòng)低壓報(bào)警。

圖2 壓縮機(jī)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(jī)漏氣，因?yàn)閴嚎s機(jī)有兩根氦氣管，當(dāng)一根氦氣管漏氣時(shí)，另外一根氦氣管的壓力變低，兩根氦氣管的壓力變化趨勢(shì)一致。軟件調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)中最近10 h的數(shù)據(jù)，通過(guò)算法判斷一臺(tái)壓縮機(jī)的兩根氦氣管都符合漏氣特征時(shí)發(fā)出漏氣報(bào)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(kù)中最近10 h的數(shù)據(jù)，通過(guò)算法判斷壓縮機(jī)是否在加氣，如果是加氣也報(bào)警。

只要接收的數(shù)據(jù)觸發(fā)報(bào)警,這個(gè)數(shù)據(jù)就保存在數(shù)據(jù)庫(kù)中，同時(shí)系統(tǒng)給相關(guān)人員發(fā)送郵件。沒(méi)有觸發(fā)報(bào)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(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)。

4 用戶界面

軟件界面友好，大部分功能在后臺(tái)自動(dòng)運(yùn)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(gè)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(jī)的壓力和壓縮機(jī)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(jī)壓力和壓縮機(jī)房溫度的實(shí)時(shí)值，用圖表的形式顯示24 h的數(shù)據(jù)，用戶對(duì)壓縮機(jī)的運(yùn)行狀況一目了然。在主界面還可以方便地查詢壓縮機(jī)的運(yùn)行狀況，壓縮機(jī)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(jìn)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(jìn)行如報(bào)警處理，壓縮機(jī)、氦氣管、數(shù)據(jù)采集端口匹配，系統(tǒng)查詢，壓縮機(jī)維護(hù)，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(bào)表收件人和報(bào)警收件人設(shè)置等操作。

5 總結(jié)和展望

新疆天文臺(tái)南山觀測(cè)基地26 m射電望遠(yuǎn)鏡壓縮機(jī)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(qiáng)大、操作簡(jiǎn)單、界面友好、可進(jìn)行各種組合條件查詢、可擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

望遠(yuǎn)鏡除了壓縮機(jī)壓力外，接收機(jī)低噪聲放大器的工作狀態(tài)，接收機(jī)杜瓦的真空度以及制冷溫度，接收機(jī)制冷機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源，接收機(jī)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(dāng)前26 m射電望遠(yuǎn)鏡的需求，也可以滿足將來(lái)奇臺(tái)110 m口徑射電望遠(yuǎn)鏡(QiTai Radio Telescope, QTT)[9]的需求。