基于虛擬儀器的淀粉含水量在線測量系統(tǒng)

文/韓偉 儲健

玉米淀粉出料量的傳統(tǒng)的測量方法是把樣品送到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測量。這種測量方法的周期長，且測量精度極易受到環(huán)境的影響，根據(jù)離線測量儀器的測量結(jié)果很難作出及時的調(diào)節(jié)。國內(nèi)淀粉生產(chǎn)廠家在實(shí)際生產(chǎn)過程中，很少使用自動調(diào)節(jié)的方法，而是采用手動調(diào)節(jié)的方法，往往是通過有經(jīng)驗(yàn)的工人用手來判斷，這種測量方法比較直接，但是容易受到人的經(jīng)驗(yàn)因素的額影響。但國外對淀粉出料含水量的要求比較嚴(yán)格，生產(chǎn)線上配有在線測量儀器。在線水分測量儀器可實(shí)現(xiàn)高精度的在線實(shí)時測量，但儀器價格較高。隨著智能科學(xué)的發(fā)展，人工智能在各個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，同時神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的理論技術(shù)日益成熟，其非線性映射能力得到了廣大研究人員的認(rèn)可。

1 研究方案

1.1 研究背景

如今玉米淀粉被廣泛的應(yīng)用在各個領(lǐng)域內(nèi)，尤其體現(xiàn)在工業(yè)上的應(yīng)用，例如利用玉米淀粉制造工業(yè)酒精。玉米淀粉如果暴露在空氣中，是很容易吸收空氣中的水分，因此國家規(guī)定淀粉的含水量不得超過14%，含水量越低則其品質(zhì)就越好。在干燥的過程中，只需要加大通入干燥塔中的蒸汽流量并且提高蒸汽的溫度，就會得出含水量相對較低的淀粉，甚至可以達(dá)到含水量為0%的淀粉。但是，兼顧生產(chǎn)商的利益來講，如果在符合國家標(biāo)準(zhǔn)的情況下，淀粉的含水量越多，則生產(chǎn)商的利潤就越大。

由于在實(shí)際的生產(chǎn)中，會出現(xiàn)某些不確定的影響因素，使得淀粉在出料處的水分含量及其不穩(wěn)定，通過在實(shí)際的生產(chǎn)現(xiàn)場對某一條生產(chǎn)線的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，發(fā)現(xiàn)淀粉的含水量最低為2.00%，最高可以達(dá)到18.00%。生產(chǎn)商想要的含水量范圍在（11%，13%）之間，如果過高，則生產(chǎn)出來的淀粉是不合格的，如果過低，則利潤就會大打折扣。

圖1：電阻水分傳感器電路圖

本文基于在實(shí)際的生產(chǎn)中能夠滿足國家要求的前提下，對物料出口處的物料做出一個合理可行的測量方案，最大的考慮點(diǎn)是如何利用現(xiàn)有的智能算法去設(shè)計(jì)出一種可以代替干燥過程控制中閉環(huán)回路上的溫度傳感器，從而使物料的含水量穩(wěn)定在一個特定的范圍內(nèi)。目的是為了使生產(chǎn)出的淀粉既能夠滿足國家的標(biāo)準(zhǔn)，又能夠增加生產(chǎn)商的利潤。因此，研究設(shè)計(jì)出一套具有預(yù)測出料含水量的虛擬測量儀器的閉環(huán)控制系統(tǒng)，不僅僅能夠使淀粉的含水量相對的穩(wěn)定在特定的范圍內(nèi)，而且對于整個淀粉行業(yè)，甚至其它的行業(yè)都有著重要的意義。

1.2 虛擬儀器

虛擬儀器是現(xiàn)代儀器技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是在以計(jì)算機(jī)為核心的硬件平臺上,根據(jù)用戶對儀器的設(shè)計(jì)定義,用軟件實(shí)現(xiàn)虛擬控制面板設(shè)計(jì)和測試功能的一種計(jì)算機(jī)儀器系統(tǒng)。因此,虛擬儀器的實(shí)質(zhì)是利用計(jì)算機(jī)顯示器的顯示功能來模擬傳統(tǒng)儀器的控制面板,以多種形式表達(dá)輸出檢測結(jié)果;利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的軟件功能實(shí)現(xiàn)信號的運(yùn)算、分析、處理;利用I/O接口設(shè)備完成信號的采集與調(diào)理，從而完成各種測試功能的計(jì)算機(jī)測試系統(tǒng)。使用者通過鼠標(biāo)、鍵盤或觸摸屏來操作虛擬面板，就如同使用一臺專用測量儀器一樣,達(dá)到所需要的測量目的。因此，虛擬儀器的出現(xiàn),模糊了測量儀器與計(jì)算機(jī)的界限。

LabVIEW是一款開放式的虛擬儀器開放系統(tǒng)應(yīng)用軟件，集成了與滿足GPIB,VXI,RS-232協(xié)議的硬件及數(shù)據(jù)采集卡的全部功能。LabVIEW將創(chuàng)建用戶界面（稱為前面板）的工作自然地融合到開發(fā)周期當(dāng)中。LabVIEW的程序/子程序被稱為虛擬儀器（VI）。每個VI都有三個組成部分：程序框圖（Block Diagram）、前面板（Front Panel）和圖標(biāo)/連接器（Icon/Connector）。連接器是用來供其他的程序框圖調(diào)用本VI之用。程序員可以利用前面板上的控制控件將數(shù)據(jù)輸入正在運(yùn)行的VI，或者用顯示控件將運(yùn)算結(jié)果輸出。前面板還可以作為程序的接口：每個虛擬儀器（VI）既可以把前面板當(dāng)作用戶界面，作為一個程序來運(yùn)行；也可以作為一個節(jié)點(diǎn)放到另一個VI程序框圖中，通過連接器面板連接起來，而前面板則定義VI的輸入和輸出。這意味著每個VI，在作為子程序嵌入到一個大型的項(xiàng)目之前，都可以很方便地進(jìn)行測試。

2 系統(tǒng)組成

2.1 整體構(gòu)成

基于虛擬儀器的淀粉含水量在線測量系統(tǒng)硬件由一個電阻水分傳感器，一個電容水分傳感器，溫濕度傳感器，NI USB-6008數(shù)據(jù)采集卡，電子鹵素水分測定儀和便攜式計(jì)算機(jī)組成。系統(tǒng)由傳感器獲得數(shù)據(jù)，送到具有8路模擬輸入，2路模擬輸出，12路數(shù)字I/O，32位計(jì)數(shù)器的數(shù)據(jù)采集卡NI USB-6008進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。采集到的數(shù)據(jù)傳到裝有LabVIEW軟件的便攜式計(jì)算機(jī)，這臺計(jì)算機(jī)可以對多個測量端的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時處理和監(jiān)控。電子鹵素水分測定儀可以進(jìn)行離線數(shù)據(jù)比對，用于檢測在線測量的淀粉含水量是否達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 電阻水分傳感器

電阻水分傳感器的主要原理是淀粉的電阻大小變化會隨其含水量的變化而變化，通常意義的電阻法測水分，是將被測物質(zhì)放置在兩個電極之間夾緊，或者將兩個電極插入相應(yīng)的介質(zhì)中，通過檢測相應(yīng)被夾物質(zhì)的電阻值來換算出介質(zhì)的含水量。本文所采用傳感器的由一根長度為30厘米的電極和一個將電阻值轉(zhuǎn)換為電壓值的電路板組成，電路板的電路組成如圖1所示。

圖2：電容水分傳感器電路圖

電阻水分傳感器的電路由15V的電源供電，輸出范圍調(diào)整為0V-5V，分別對應(yīng)的淀粉電阻值為2KΩ-1MΩ。這個阻值范圍包含了淀粉干燥和淀粉含水量極高的情況，滿足淀粉含水量在線測量的量程范圍。

2.3 電容水分傳感器

電容水分傳感器應(yīng)用的原理是一般水分帶有的介電常數(shù)遠(yuǎn)大于干燥的糧食的介電常數(shù)，因此，當(dāng)?shù)矸壑械乃趾堪l(fā)生變化時，其介電常數(shù)也會發(fā)生相應(yīng)的較為明顯的變化，這樣就引起電容量發(fā)生相應(yīng)的變化。本文所用的電容傳感器由2片長為24厘米，寬為7厘米，厚度為0.5厘米的紫銅片，固定于絕緣板上，間隔距離為25厘米，接有專門設(shè)計(jì)的電路，電路如圖2所示。

電容水分傳感器的電路由15V的電源供電，輸出范圍調(diào)整為0V-5V，分別對應(yīng)的淀粉電容值為30PF-1000PF。這個電容值的范圍包含了淀粉干燥和淀粉含水量極高的情況，滿足淀粉含水量在線測量的量程范圍。

2.4 系統(tǒng)界面

在LabVIEW軟件中進(jìn)行數(shù)據(jù)采集卡所采集回來的數(shù)據(jù)的篩選，篩選后的數(shù)據(jù)隨機(jī)分為兩個部分，一部分是訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)，一部分是測試樣本數(shù)據(jù)，用于訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練，是指每個輸出節(jié)點(diǎn)的誤差，以某種形式進(jìn)行逐層反傳，誤差是隨機(jī)分?jǐn)偨o各層上的每個節(jié)點(diǎn)，于是每層上的節(jié)點(diǎn)都會存在有誤差信號，而這些誤差信號就是修正各單元權(quán)值的依據(jù)。權(quán)值修正完以后，再次進(jìn)行正向傳播，實(shí)際輸出值與期望值之間的誤差會再次進(jìn)行回傳，反復(fù)進(jìn)行，直至誤差小于一定的范圍，停止誤差回傳，這個過程就被稱為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練。利用NI公司所提供的DAQ設(shè)備硬件進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理，得出如圖3所示的系統(tǒng)界面。

圖3：系統(tǒng)界面

系統(tǒng)界面包含了檢測時間，可以顯示檢測到的淀粉電阻值，淀粉電容值，環(huán)境溫濕度，以及淀粉含水量等，所檢測到的數(shù)據(jù)可以保存到指定文件夾，通過配置不同的物理通道，可以選擇不同的檢測量。

3 結(jié)束語

糧食問題越來越受到人們的重視，而糧食相關(guān)產(chǎn)品的存儲問題也接踵而來，如何能在滿足國家相關(guān)規(guī)定的前提下，保證淀粉生產(chǎn)的效益是亟待解決的問題。本文在對國內(nèi)外淀粉含水量測定方法充分調(diào)研的基礎(chǔ)上，建立了基于虛擬儀器的淀粉含水量在線測量系統(tǒng)，用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的擬合能力，對淀粉溫濕度與含水量之間的關(guān)系進(jìn)行擬合，代替測量儀器。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該系統(tǒng)達(dá)到了對淀粉含水量的在線測量要求，對淀粉生產(chǎn)商以及類似需要檢測水分的食品生產(chǎn)商具有重要的意義。