虛擬儀器在織造車間環(huán)境測控中的應(yīng)用

王嘉瑋

（西北工業(yè)大學(xué)航空學(xué)院陜西西安710072）

1 引言

在紡織生產(chǎn)過程中，根據(jù)棉、麻、毛等各類纖維以及設(shè)計工藝的特點，需要特定的工藝環(huán)境。織造車間的工藝生產(chǎn)環(huán)境，主要包括溫度、濕度、塵埃的濃度和光線照度。織造車間的溫濕度要根據(jù)紗線種類來設(shè)定，一般控制在23℃－30℃之間，相對濕度必須控制在70%RH－80%RH之間。合理控制濕度能夠使紗線的強力增強，斷頭率下降，降低工作環(huán)境的飛毛現(xiàn)象，消除靜電、加濕除塵，能夠改善織物質(zhì)量，提高產(chǎn)品成品率及質(zhì)量。而高濕度環(huán)境會降低工人的舒適度，環(huán)境測控系統(tǒng)應(yīng)在保證工藝環(huán)境的同時，兼顧操作工人的舒適度環(huán)境。

現(xiàn)代化織造車間環(huán)境使用的大型設(shè)備主要是空調(diào)或風(fēng)機等溫度調(diào)節(jié)設(shè)備、加濕器或濕簾風(fēng)機等濕度調(diào)節(jié)設(shè)備、排風(fēng)除塵設(shè)備和燈光照明設(shè)備。不同織造品種對環(huán)境要求會有所不同，環(huán)境的調(diào)節(jié)可以單獨使用一種設(shè)備或幾種設(shè)備配合使用，如降溫濕簾風(fēng)機既可以實現(xiàn)降溫還可達到加濕效果。應(yīng)用先進的環(huán)境檢測與控制方法，利用虛擬器對車間的大型耗能設(shè)備實時調(diào)節(jié)和控制，可以在保證工藝要求、提高產(chǎn)品質(zhì)量、保證工人健康的同時降低能源消耗。

虛擬儀器技術(shù)是美國國家儀器公司（NI）提出的虛擬測量儀器（VI）概念，“軟件即是儀器”是虛擬儀器理念的核心思想?；陔娔X或工作站、軟件和I/O部件來構(gòu)建虛擬儀器，I/O部件可以是獨立儀器、模塊化儀器、數(shù)據(jù)采集板（DAQ）或傳感器。虛擬儀器技術(shù)本質(zhì)上是一個集成的軟硬件概念，NI的虛擬儀器軟件平臺為所有的I/O設(shè)備提供了標準的接口，用戶可以自由組合計算機平臺、硬件和軟件，軟件主要由面板控制、數(shù)據(jù)分析處理、儀器驅(qū)動、通用I/O接口等軟件。

2 系統(tǒng)主要測控對象

本系統(tǒng)主要環(huán)境條件包括溫度、濕度、塵埃濃度和光照度等環(huán)境條件。利用虛擬儀器設(shè)定環(huán)境參數(shù)的理想值，根據(jù)實時檢測數(shù)據(jù)大小和變化，按預(yù)先設(shè)定的方式驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)，達到改善環(huán)境的目的。也可設(shè)定每種參數(shù)的上下限值，實現(xiàn)超限告警。

織造車間的溫度、濕度要根據(jù)紗線種類來設(shè)定。溫度的調(diào)節(jié)包括保溫、加溫和降溫，通過改變空調(diào)或濕簾風(fēng)機的數(shù)量或通風(fēng)量來實現(xiàn)。濕度的調(diào)節(jié)包括保濕、加濕和除濕，通過改變濕簾風(fēng)機或加濕器數(shù)量、噴霧量來實現(xiàn)，必要時可以利用空調(diào)的除濕功能完成。車間灰塵濃度應(yīng)低于國家標準，又要考慮節(jié)約能源的原則，通過控制除塵設(shè)備排風(fēng)量的大小實現(xiàn)排風(fēng)和除塵，當(dāng)檢測到濃度超標時，應(yīng)加大排風(fēng)量，也可以根據(jù)紗線的品種設(shè)定開機數(shù)量或風(fēng)量大小?？棽架囬g屬于精細加工，需要比較高的照度，工位照度一般不低于500LUX，織布對顏色有一定的標準要求，應(yīng)采用高顯色指數(shù)的光源。選用多大功率，要根據(jù)安裝高度和布燈密度來確定，光照強度應(yīng)根據(jù)晝夜和環(huán)境光強的變化，利用傳感器檢測是否達到標準，燈管排列根據(jù)具體情況間隔排列，分成幾組，便于控制開關(guān)，根據(jù)光照強度實時地調(diào)整開燈的數(shù)量為全亮、部分亮或全滅幾種模式。

3 測控系統(tǒng)的設(shè)計

3.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

車間環(huán)境的測控系統(tǒng)的硬件，包括環(huán)境參數(shù)檢測系統(tǒng)和環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)兩部分，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

3.2 系統(tǒng)硬件選擇

計算機是整個測控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)管理、控制決策的中心。用于信號檢測的傳感器實現(xiàn)環(huán)境因子的數(shù)據(jù)的采集并傳送給數(shù)據(jù)采集板，然后將采集到的數(shù)據(jù)進行A/D轉(zhuǎn)換，傳送給計算機進行分析處理。計算機輸出的控制指令通過D/A轉(zhuǎn)換，輸出給控制執(zhí)行部分，執(zhí)行機構(gòu)根據(jù)控制結(jié)果完成相應(yīng)的動作，最終使車間環(huán)境參數(shù)達到理想的狀態(tài)。

當(dāng)前流行的PC機基本能保證系統(tǒng)的正常運行。溫度檢測采用WB型熱電阻溫度變送器，其感溫元件PT100鉑熱電阻，在0℃—100℃內(nèi)性質(zhì)穩(wěn)定。濕度傳感器采用的是JWSL型高分子濕敏電容式濕度變送器，其濕敏元件為HS15高分子感濕探頭，可測量20—100%RH，具有線性好、精度高、響應(yīng)快等優(yōu)點。本系統(tǒng)采用國產(chǎn)FM-GZ光照度變送器對光照進行測量，在0～200Klux將光照強度轉(zhuǎn)換為標準的電流或電壓信號輸出。粉塵濃度檢測應(yīng)用GCG1000粉塵濃度傳感器，測量快速準確、靈敏度高、性能穩(wěn)定，可直接顯示并輸出粉塵濃度，信號輸出為頻率信號。執(zhí)行機構(gòu)可通過固態(tài)繼電器控制相關(guān)設(shè)備的開關(guān)數(shù)量，或根據(jù)驅(qū)動電流大小控制輸出功率。

虛擬儀器系統(tǒng)中，I/O接口設(shè)備主要是數(shù)據(jù)采集板，系統(tǒng)使用NI公司的數(shù)據(jù)采集卡PCI-6024E，支持單極性和雙極性模擬信號輸入，其信號輸入范圍分別為-5—+5V和0—10V，還提供16路單端／8路差動模擬輸入通道，2路獨立的D／A輸出通道等多種功能模塊，利用軟件對其進行簡單的設(shè)置便可實現(xiàn)系統(tǒng)軟件與數(shù)據(jù)采集卡之間的通訊。

3.3 軟件開發(fā)環(huán)境

本系統(tǒng)采用的LavWindows/CVI 8.0是NI公司推出的交互式C語言開發(fā)平臺，可通過模塊化方式對C語言進行編輯、編譯、連接和調(diào)試。主要應(yīng)用在各種測試、控制、故障分析及信息處理軟件的開發(fā)。它的集成化開發(fā)環(huán)境、交互式編程方法、函數(shù)面板和豐富的庫函數(shù)大大增強了語言的功能，可在多操作系統(tǒng)下運行，方便用戶開發(fā)和調(diào)試虛擬儀器系統(tǒng)。

3.4 系統(tǒng)軟件總體設(shè)計

系統(tǒng)軟件由六大模塊組成：參數(shù)設(shè)置模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)分析和處理模塊、控制輸出模塊、數(shù)據(jù)管理模塊。軟件主要完成了信號檢測、采集數(shù)據(jù)的處理和執(zhí)行機構(gòu)的驅(qū)動。系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖

4 系統(tǒng)實現(xiàn)的主要功能

4.1 參數(shù)設(shè)置

操作人員首先登陸進入測控系統(tǒng)，登陸界面如圖3所示，登陸后進入?yún)?shù)設(shè)置界面，如圖4所示。根據(jù)環(huán)境參數(shù)的要求不同，輸入或調(diào)整溫度、濕度等環(huán)境參數(shù)，作為控制參數(shù)向數(shù)據(jù)采集控制模塊發(fā)送，參數(shù)設(shè)置功能用于設(shè)定人為要求的環(huán)境參數(shù)的適宜數(shù)值。

圖3 用戶密碼驗證

圖4 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置

4.2 數(shù)據(jù)采集與存儲

數(shù)據(jù)采集界面如圖5所示，主要實現(xiàn)多通道數(shù)據(jù)同步采集、實時顯示以及數(shù)據(jù)存儲功能。以動態(tài)曲線或表格的形式顯示環(huán)境參數(shù)的實時變化，同時根據(jù)設(shè)定的報警值，進行報警，實現(xiàn)環(huán)境實時顯示。

圖5 數(shù)據(jù)采集/存儲界面

4.3 數(shù)據(jù)處理

在計算機測控系統(tǒng)中，模擬量經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后變?yōu)閿?shù)字量送計算機，數(shù)字量在進行顯示、報警和控制之前，還必須根據(jù)需要進行數(shù)字濾波、標度變換、數(shù)值計算、邏輯判斷等處理，以滿足系統(tǒng)的不同需要。

4.4 控制輸出

控制輸出界面如圖6所示，主要是實現(xiàn)車間內(nèi)各環(huán)境參數(shù)的調(diào)控。根據(jù)計算機的數(shù)據(jù)顯示和報警信號，可以在執(zhí)行機構(gòu)界面進行操作以達到車間適宜的工作環(huán)境。

圖6 控制輸出界面

4.5 數(shù)據(jù)管理

本系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的存儲以8小時為單位，將采集到的24小時的實時檢測數(shù)據(jù)以文件的形式進行數(shù)據(jù)的存儲，可以方便實現(xiàn)文件操作，實現(xiàn)分析、統(tǒng)計和打印。

5 結(jié)束語

本課題研究了車間環(huán)境參數(shù)的自動檢測與控制系統(tǒng)，給出了簡單友好的操作界面。系統(tǒng)以計算機為中心，應(yīng)用虛擬儀器技術(shù)、傳感器檢測技術(shù)和計算機控制技術(shù)相結(jié)合，能夠?qū)崿F(xiàn)車間環(huán)境參數(shù)的實時監(jiān)測和車間環(huán)境的智能調(diào)節(jié)，在實現(xiàn)保證工藝要求、提高產(chǎn)品質(zhì)量、改善工作環(huán)境的同時，還能合理降低能源消耗。

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