基于LabVIEW的磨漿機綜合參數(shù)檢測系統(tǒng)設(shè)計

趙金星，楊世鳳

(天津科技大學(xué)電子信息與自動化學(xué)院，天津 300222)

基于LabVIEW的磨漿機綜合參數(shù)檢測系統(tǒng)設(shè)計

趙金星，楊世鳳

(天津科技大學(xué)電子信息與自動化學(xué)院，天津 300222)

基于虛擬儀器技術(shù)設(shè)計了磨漿機綜合參數(shù)檢測系統(tǒng)，可以采集磨漿機運行時的電壓、電流和紙漿重量等參數(shù)，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)存取、數(shù)據(jù)的圖形顯示及曲線擬合等功能，基于 LabSQL數(shù)據(jù)庫訪問工具包實現(xiàn)了對數(shù)據(jù)庫的查詢和修改.系統(tǒng)已經(jīng)投入運行，實踐表明，設(shè)備運行可靠且測試數(shù)據(jù)精確.

能耗；數(shù)據(jù)采集；單片機技術(shù)；曲線擬合

我國造紙行業(yè)的能耗高[1]，磨漿機的參數(shù)檢測可以為節(jié)能減排提供依據(jù).目前市場上流行的傳統(tǒng)的磨漿機電參數(shù)檢測儀，檢測方式大多數(shù)為電流、電壓和功率的分離檢測，并未結(jié)合其他非電參數(shù)的數(shù)據(jù)檢測，存在著檢測范圍小，功能相對單一、自動化程度較低[2-3]等缺點，不利于數(shù)據(jù)檢測后對于觀測節(jié)能效果的數(shù)據(jù)參考，另外，這些檢測系統(tǒng)并未預(yù)留數(shù)據(jù)通信接口，未實現(xiàn)數(shù)據(jù)的電子存儲，分析，管理等功能.

本文將虛擬儀器技術(shù)、LabSQL數(shù)據(jù)庫訪問技術(shù)、單片機技術(shù)與傳感技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)對造紙用磨漿機運行時的綜合參數(shù)檢測，完善了實驗數(shù)據(jù)存儲和交叉分析方法.

1 系統(tǒng)原理

系統(tǒng)采用LabVIEW虛擬儀器開發(fā)平臺搭建了檢測系統(tǒng)，上位機通過RS232串口與下位機ATmega16L單片機系統(tǒng)連接.單片機系統(tǒng)采集系統(tǒng)工作時的電參數(shù)和作用力并傳輸至上位機，上位機對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理.系統(tǒng)的主要測試參數(shù)為：時間、重量、電壓和電流.其中，時間參數(shù)由單片機時鐘提供；電參數(shù)的測量通過三相電參數(shù)采集模塊來實現(xiàn)；紙漿重量采用稱重傳感器測量.檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示.

單片機系統(tǒng)通過 SPI總線接口與電量采集模塊連接，加載過程中電壓、電流經(jīng)過互感器轉(zhuǎn)換后，通過電參數(shù)采集模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字量.同時，該模塊還可檢測功率[4].此外，利用連接在紙漿回收桶加載裝置上的稱重傳感器測量待測紙漿樣品的質(zhì)量，同時借助AD轉(zhuǎn)換芯片MAX1272對稱重傳感器輸出信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換.

采集的數(shù)據(jù)通過 RS232串口傳輸?shù)缴衔粰C進(jìn)行處理，求出磨漿機運行時所用電壓、電流、功率和所耗紙漿，并可以用波形圖表全面反映出磨漿機磨紙漿時的主要參數(shù).使用Access數(shù)據(jù)庫保存實驗數(shù)據(jù)，也便于進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析和處理.LabVIEW 與數(shù)據(jù)庫之間的交互和管理問題可通過數(shù)據(jù)庫訪問工具包LabSQL實現(xiàn).

圖1 綜合參數(shù)檢測系統(tǒng)框圖Fig.1 Structure chart of detection system

由于在磨漿機啟動運行時會有較大電流通過，因此設(shè)計了斷路器保護電路，用于保障系統(tǒng)的安全運行.此外，還設(shè)置了功率報警，當(dāng)功率超過設(shè)定值時報警顯示.

2 硬件設(shè)計

2.1 單片機選型

下位機控制芯片選用的是 ATmega16L[5]單片機.ATmega16L是基于增強的AVR RISC結(jié)構(gòu)的低功耗8位 CMOS微控制器.由于其先進(jìn)的指令集以及單時鐘周期指令執(zhí)行時間，從而可以緩解系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾，滿足檢測系統(tǒng)的要求.

2.2 傳感器

稱重傳感器選用 CTS型拉壓式測力傳感器，量程 200,kg，空載輸出電壓 0.1,mV，經(jīng)變送器放大后輸出電壓為－5V～+5V.系統(tǒng)測量電量為三相工業(yè)用電，傳感器選用山東力創(chuàng)科技有限公司的 EDA9033系列智能三相電參數(shù)采集模塊，內(nèi)含互感器，電壓測量范圍為 50,V、100,V、250,V、500,V，電流測量范圍為1,A、5,A、10,A、20,A.

2.3 A/D轉(zhuǎn)換器

A/D轉(zhuǎn)換器用于對稱重傳感器輸出信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換.采用 MAX1272，其為帶故障保護的 12位A/D轉(zhuǎn)換器，具有軟件可選的輸入范圍.

2.4 顯示模塊

顯示模塊選用了128×64點陣的矩陣式液晶顯示器 LCD12864，用于在線顯示系統(tǒng)各種運行時狀態(tài)，并實時監(jiān)控與上位機的連接狀態(tài).液晶與微控制器之間采用并口方式連接，從而加快了數(shù)據(jù)的傳輸速率.

3 軟件設(shè)計

軟件包括上位機軟件和下位機數(shù)據(jù)采集程序.

3.1 下位機程序設(shè)計

下位機程序主要包括主程序、定時中斷程序、液晶驅(qū)動程序及串口通信程序，主要完成測量信號的采集[6]，利用定時中斷來完成對上位機數(shù)據(jù)的傳輸.在此過程中需要設(shè)置數(shù)據(jù)通訊的相關(guān)參數(shù)，如波特率、數(shù)據(jù)傳輸位等，同時將檢測數(shù)據(jù)送液晶顯示.所用開發(fā)環(huán)境為 ImageCraft公司開發(fā)的 ICC-AVR.下位機數(shù)據(jù)采集流程見圖2.

圖2 數(shù)據(jù)采集流程圖Fig.2 Flow chart of data acquisition

3.2 上位機主界面設(shè)計

上位機的開發(fā)平臺采用LabVIEW8.2虛擬儀器開發(fā)環(huán)境，用圖形化編程取代書寫繁瑣的程序代碼，可有效縮減研發(fā)周期[7].上位機軟件主界面如圖3所示.

圖3 上位機軟件主界面Fig.3 Software interface of the host computer

上位機監(jiān)控界面主要是完成磨漿機綜合參數(shù)的采集、傳輸、接收、處理、顯示、存儲、報警等功能，由四部分組成：一是系統(tǒng)初始化，主要用來完成串口通信的緩沖區(qū)設(shè)置，并對下位機的運行狀況進(jìn)行檢查以及時間、采樣點數(shù)、采樣時間等參數(shù)的設(shè)置；二是數(shù)據(jù)操作，主要包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)包的處理、耗能監(jiān)測、曲線擬合、數(shù)據(jù)分析；三是報警值的設(shè)置以及報警時的相關(guān)處理；四是數(shù)據(jù)庫管理模塊，包括數(shù)據(jù)庫的文件存取、報表生成等功能.圖4為上位機軟件功能框圖.

圖4 上位機軟件功能框圖Fig.4 Function diagram of the host computer software

3.3 功耗計算

為了精確計算磨漿機單位時間內(nèi)所耗電能與所磨紙漿的多少，從而表征磨漿機的電能利用率，設(shè)計了功耗計算功能.通過選取主界面中生成的數(shù)據(jù)曲線段，然后將選取的曲線段的起點和終點的采集點坐標(biāo)值分別填入界面中的起點和終點文本框內(nèi)，系統(tǒng)會自動計算出單位時間內(nèi)消耗紙漿質(zhì)量以及所消耗的電能.具體實現(xiàn)如下：

系統(tǒng)選取在主界面上生成的是數(shù)據(jù)曲線為功率(W)－時間(s)以及紙漿增重(kg)－時間(s).其中，縱坐標(biāo)分別為功率和增重質(zhì)量，橫坐標(biāo)為時間，設(shè)起始點為a，終點為b，在a和b之間的功率－時間曲線為f(x)，則有

式中：xi和 xj為相鄰兩點的橫坐標(biāo)；wi為磨漿機在這兩點間功耗；而f(x)則是通過 LabVIEW 的曲線擬合函數(shù)由采樣數(shù)據(jù)擬合而成.曲線擬合可采用線性擬合、多項式擬合、指數(shù)擬合等擬合方法，本文采用了線性擬合和多項式擬合兩種擬合方法，以便于數(shù)據(jù)的對比分析，線性擬合函數(shù)為 f(x) = 1101.78 + 0.18x；二次多項式曲線擬合函數(shù)為 f(x) =?0.1x2+ 1.07 x+1100.60.基于LabVIEW的曲線擬合流程和面板分別如圖5和圖 6所示.對于相同時間內(nèi)所消耗紙漿則直接從波形圖中讀取曲線的縱坐標(biāo)即可.

圖5 曲線擬合程序圖Fig.5 Program flowchart of curve fitting

圖6 曲線擬合前面板圖Fig.6 Software interface of curve fitting

同時，在程序中還設(shè)置了簡單的數(shù)據(jù)提取功能，可以求取采集數(shù)據(jù)的最大值、最小值及平均值，為用戶提供參考.

3.4 數(shù)據(jù)庫管理

為了更好地實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的顯示、查詢、統(tǒng)計、報表分析等功能，系統(tǒng)采用 Access數(shù)據(jù)庫存儲數(shù)據(jù)，采用LabSQL實現(xiàn)對 Access數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)交互和管理.LabSQL是專門為LabVIEW設(shè)計的多數(shù)據(jù)庫、跨平臺的開源數(shù)據(jù)庫訪問工具包，支持 Windows 操作系統(tǒng)中任何基于 ODBC連接的數(shù)據(jù)庫.LabSQL利用 Microsoft ADO以及 SQL(結(jié)構(gòu)化查詢語言)語言來完成數(shù)據(jù)庫的訪問，將復(fù)雜的底層ADO及SQL封裝成一系列的LabSQL VIs，便于軟件的模塊設(shè)計[8].

訪問數(shù)據(jù)庫的具體實現(xiàn)如下：首先創(chuàng)建 Access數(shù)據(jù)庫，并在操作系統(tǒng)的 ODBC數(shù)據(jù)源中創(chuàng)建一個DSN(data source name，數(shù)據(jù)源名)，LabSQL 與Access數(shù)據(jù)庫之間的連接就是建立在 DSN 基礎(chǔ)之上的[9]，然后 LabSQL就可以利用創(chuàng)建的 DSN來訪問與之關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)庫了.用戶通過不同的 SQL命令可以實現(xiàn)不同的數(shù)據(jù)庫操作，包括查詢?nèi)繑?shù)據(jù)記錄、按條件查詢數(shù)據(jù)、添加記錄、刪除記錄等.如使用ADO Recordset Get.String.vi逐個獲取SQL查詢語句返回的記錄集中的條目，可以比較不同時間段內(nèi)磨漿機運行時功率的不同.訪問結(jié)束后，斷開記錄集，斷開數(shù)據(jù)庫.

由于對電量的檢測要求很高的實時性，無法與數(shù)據(jù)庫讀寫完全同步，所以系統(tǒng)運行時先將采集到的數(shù)據(jù)存入內(nèi)存中，每間隔1 min把暫存數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)庫中，完成對采集數(shù)據(jù)的存儲操作.

4 結(jié) 語

檢測系統(tǒng)中實現(xiàn)了包括數(shù)據(jù)實時采集、液晶顯示、串口通訊、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分析、報警、曲線擬合、歷史數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)曲線操作、報表生成等功能，可以用于對磨漿機的用電監(jiān)測、集中抄表和數(shù)據(jù)統(tǒng)計等方面的科學(xué)管理，進(jìn)而提高了用電管理的工作效率，對節(jié)省電能，緩解用電矛盾起到了很好的參考作用，目前已經(jīng)初步應(yīng)用于中國造紙研究院，運行情況穩(wěn)定.

虛擬儀器技術(shù)的引入，突破了傳統(tǒng)儀器在數(shù)據(jù)處理、顯示、存儲等方面的限制，大大增強了傳統(tǒng)儀器的功能.由于虛擬儀器的硬、軟件都具有開放性，可重復(fù)使用及互換性等特點，而且具有良好的人機交互界面，為用電設(shè)備的耗能檢測提供了一種較好的研究手段.

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Design of Mill’s Overall Parameters Detecting System Based on LabVIEW

ZHAO Jin-xing，YANG Shi-feng
(College of Electronic Information and Automation，Tianjin University of Science & Technology，Tianjin 300222，China)

The overall parameters detecting instrument were designed based on LabVIEW. The parameters of voltage，electrical current and pulp consumption，etc can be dectected and transfered to upper monitor for data access，graphic display and curve fitting. Furthermore，using the LabSQL database query tools package，database query and modification of the reserving detected data were realized. Running practice show that the experimental data are precise whilst the device can run stably.

energy expenditure；data acquisition；chip technology；curve fitting

TP216

A

1672-6510(2010)01-0054-04

2009-07-08；

2009-09-30

趙金星（1984—）男，天津人，碩士研究生；通信作者：楊世鳳，教授，yangsf@tust.edu.cn.