基于LabVIEW的磨漿機(jī)綜合參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

趙金星，楊世鳳

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

基于LabVIEW的磨漿機(jī)綜合參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

趙金星，楊世鳳

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

基于虛擬儀器技術(shù)設(shè)計(jì)了磨漿機(jī)綜合參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)，可以采集磨漿機(jī)運(yùn)行時(shí)的電壓、電流和紙漿重量等參數(shù)，實(shí)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(kù)訪問工具包實(shí)現(xiàn)了對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的查詢和修改.系統(tǒng)已經(jīng)投入運(yùn)行，實(shí)踐表明，設(shè)備運(yùn)行可靠且測(cè)試數(shù)據(jù)精確.

能耗；數(shù)據(jù)采集；單片機(jī)技術(shù)；曲線擬合

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

本文將虛擬儀器技術(shù)、LabSQL數(shù)據(jù)庫(kù)訪問技術(shù)、單片機(jī)技術(shù)與傳感技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)造紙用磨漿機(jī)運(yùn)行時(shí)的綜合參數(shù)檢測(cè)，完善了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(tái)搭建了檢測(cè)系統(tǒng)，上位機(jī)通過RS232串口與下位機(jī)ATmega16L單片機(jī)系統(tǒng)連接.單片機(jī)系統(tǒng)采集系統(tǒng)工作時(shí)的電參數(shù)和作用力并傳輸至上位機(jī)，上位機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理.系統(tǒng)的主要測(cè)試參數(shù)為：時(shí)間、重量、電壓和電流.其中，時(shí)間參數(shù)由單片機(jī)時(shí)鐘提供；電參數(shù)的測(cè)量通過三相電參數(shù)采集模塊來實(shí)現(xiàn)；紙漿重量采用稱重傳感器測(cè)量.檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示.

單片機(jī)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(shí)，該模塊還可檢測(cè)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(cè)量待測(cè)紙漿樣品的質(zhì)量，同時(shí)借助AD轉(zhuǎn)換芯片MAX1272對(duì)稱重傳感器輸出信號(hào)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(jī)進(jìn)行處理，求出磨漿機(jī)運(yùn)行時(shí)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(jī)磨紙漿時(shí)的主要參數(shù).使用Access數(shù)據(jù)庫(kù)保存實(shí)驗(yàn)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(kù)之間的交互和管理問題可通過數(shù)據(jù)庫(kù)訪問工具包LabSQL實(shí)現(xiàn).

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

由于在磨漿機(jī)啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)會(huì)有較大電流通過，因此設(shè)計(jì)了斷路器保護(hù)電路，用于保障系統(tǒng)的安全運(yùn)行.此外，還設(shè)置了功率報(bào)警，當(dāng)功率超過設(shè)定值時(shí)報(bào)警顯示.

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)選型

下位機(jī)控制芯片選用的是 ATmega16L[5]單片機(jī).ATmega16L是基于增強(qiáng)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(shí)鐘周期指令執(zhí)行時(shí)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(cè)系統(tǒng)的要求.

2.2 傳感器

稱重傳感器選用 CTS型拉壓式測(cè)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(cè)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(cè)量范圍為 50,V、100,V、250,V、500,V，電流測(cè)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(duì)稱重傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換.采用 MAX1272，其為帶故障保護(hù)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(diǎn)陣的矩陣式液晶顯示器 LCD12864，用于在線顯示系統(tǒng)各種運(yùn)行時(shí)狀態(tài)，并實(shí)時(shí)監(jiān)控與上位機(jī)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(jì)

軟件包括上位機(jī)軟件和下位機(jī)數(shù)據(jù)采集程序.

3.1 下位機(jī)程序設(shè)計(jì)

下位機(jī)程序主要包括主程序、定時(shí)中斷程序、液晶驅(qū)動(dòng)程序及串口通信程序，主要完成測(cè)量信號(hào)的采集[6]，利用定時(shí)中斷來完成對(duì)上位機(jī)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(shí)將檢測(cè)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(jī)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(jī)主界面設(shè)計(jì)

上位機(jī)的開發(fā)平臺(tái)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(jī)軟件主界面如圖3所示.

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

上位機(jī)監(jiān)控界面主要是完成磨漿機(jī)綜合參數(shù)的采集、傳輸、接收、處理、顯示、存儲(chǔ)、報(bào)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(duì)下位機(jī)的運(yùn)行狀況進(jìn)行檢查以及時(shí)間、采樣點(diǎn)數(shù)、采樣時(shí)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(cè)、曲線擬合、數(shù)據(jù)分析；三是報(bào)警值的設(shè)置以及報(bào)警時(shí)的相關(guān)處理；四是數(shù)據(jù)庫(kù)管理模塊，包括數(shù)據(jù)庫(kù)的文件存取、報(bào)表生成等功能.圖4為上位機(jī)軟件功能框圖.

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

3.3 功耗計(jì)算

為了精確計(jì)算磨漿機(jī)單位時(shí)間內(nèi)所耗電能與所磨紙漿的多少，從而表征磨漿機(jī)的電能利用率，設(shè)計(jì)了功耗計(jì)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(diǎn)和終點(diǎn)的采集點(diǎn)坐標(biāo)值分別填入界面中的起點(diǎn)和終點(diǎn)文本框內(nèi)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)計(jì)算出單位時(shí)間內(nèi)消耗紙漿質(zhì)量以及所消耗的電能.具體實(shí)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(shí)間(s)以及紙漿增重(kg)－時(shí)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(shí)間，設(shè)起始點(diǎn)為a，終點(diǎn)為b，在a和b之間的功率－時(shí)間曲線為f(x)，則有

式中：xi和 xj為相鄰兩點(diǎn)的橫坐標(biāo)；wi為磨漿機(jī)在這兩點(diǎn)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(xiàng)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(xiàng)式擬合兩種擬合方法，以便于數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，線性擬合函數(shù)為 f(x) = 1101.78 + 0.18x；二次多項(xiàng)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(duì)于相同時(shí)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(shí)，在程序中還設(shè)置了簡(jiǎn)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(kù)管理

為了更好地實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的顯示、查詢、統(tǒng)計(jì)、報(bào)表分析等功能，系統(tǒng)采用 Access數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，采用LabSQL實(shí)現(xiàn)對(duì) Access數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)交互和管理.LabSQL是專門為L(zhǎng)abVIEW設(shè)計(jì)的多數(shù)據(jù)庫(kù)、跨平臺(tái)的開源數(shù)據(jù)庫(kù)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(kù).LabSQL利用 Microsoft ADO以及 SQL(結(jié)構(gòu)化查詢語(yǔ)言)語(yǔ)言來完成數(shù)據(jù)庫(kù)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(jì)[8].

訪問數(shù)據(jù)庫(kù)的具體實(shí)現(xiàn)如下：首先創(chuàng)建 Access數(shù)據(jù)庫(kù)，并在操作系統(tǒng)的 ODBC數(shù)據(jù)源中創(chuàng)建一個(gè)DSN(data source name，數(shù)據(jù)源名)，LabSQL 與Access數(shù)據(jù)庫(kù)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(kù)了.用戶通過不同的 SQL命令可以實(shí)現(xiàn)不同的數(shù)據(jù)庫(kù)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(gè)獲取SQL查詢語(yǔ)句返回的記錄集中的條目，可以比較不同時(shí)間段內(nèi)磨漿機(jī)運(yùn)行時(shí)功率的不同.訪問結(jié)束后，斷開記錄集，斷開數(shù)據(jù)庫(kù).

由于對(duì)電量的檢測(cè)要求很高的實(shí)時(shí)性，無法與數(shù)據(jù)庫(kù)讀寫完全同步，所以系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)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(kù)中，完成對(duì)采集數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)操作.

4 結(jié) 語(yǔ)

檢測(cè)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了包括數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、液晶顯示、串口通訊、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分析、報(bào)警、曲線擬合、歷史數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)曲線操作、報(bào)表生成等功能，可以用于對(duì)磨漿機(jī)的用電監(jiān)測(cè)、集中抄表和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)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(duì)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(guó)造紙研究院，運(yùn)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(chǔ)等方面的限制，大大增強(qiáng)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(diǎn)，而且具有良好的人機(jī)交互界面，為用電設(shè)備的耗能檢測(cè)提供了一種較好的研究手段.

［1］國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì). 造紙產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策[J]. 中華紙業(yè)，2007，28(11)：6–11.

［2］趙繼民，楊世鳳，李軍超. 基于CS5460A的三相電參數(shù)檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)[J]. 天津科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，23(4)：69–75.

［3］段啟平，賀成才. 一種基于 ARM7的高精度實(shí)時(shí)變壓器監(jiān)控系統(tǒng)的研制[J]. 華中電力，2007，20(5)：66– 69.

［4］付家才. 單片機(jī)控制工程實(shí)踐技術(shù)[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

［5］張軍. AVR單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)典型實(shí)例[M]. 北京：中國(guó)電力出版社，2005.

［6］金春林，邱慧芳. AVR系列單片機(jī) C語(yǔ)言編程與應(yīng)用實(shí)例[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，2003：319-321.

［7］Robert H Bishop. Learning with LabVIEW7 Express[M]. Beijing：Publishing House of Electronics Industry，2005.

［8］李波，張龍. 用LabSQL實(shí)現(xiàn) LabVIEW中數(shù)據(jù)庫(kù)的訪問[J]. 自動(dòng)化行業(yè)應(yīng)用，2004(6)：121–123.

［9］唐波，潘紅兵，趙以順，等. LabVIEW 環(huán)境下基于 ADO技術(shù)和 SQL語(yǔ)言的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)[J]. 儀器儀表學(xué)報(bào)，2007(4)：227–229.

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.