基于LabVIEW和PXI平臺的智能型網(wǎng)絡(luò)化原料混合系統(tǒng)

挑戰(zhàn)：

本系統(tǒng)的挑戰(zhàn)在于在冶金行業(yè)中，實(shí)現(xiàn)一個(gè)堅(jiān)固的閉環(huán)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)用于冶鐵原料混合的規(guī)格監(jiān)測和控制，它能進(jìn)行高精度監(jiān)測并具有比傳統(tǒng)PLC更快的響應(yīng)時(shí)間，可保證全天連續(xù)工作，并且最大限度地減少了人工操作。

應(yīng)用方案：

采用NI公司的PXI模塊化儀器架構(gòu)和虛擬儀器技術(shù)，使用LabVIEW開發(fā)平臺配合控制設(shè)計(jì)工具包等產(chǎn)品開發(fā)了一套基于工業(yè)以太網(wǎng)的智能型冶鐵原料混合系統(tǒng)。本系統(tǒng)利用LabVIEW易學(xué)易用的特點(diǎn)，借助控制設(shè)計(jì)工具包的強(qiáng)大功能，并充分結(jié)合PXI硬件輸入輸出模塊，高效的實(shí)現(xiàn)了冶鐵原料混合系統(tǒng)的監(jiān)控。

使用的產(chǎn)品：

LabVIEW  
PXI-1042    8槽3U PXI機(jī)箱
PXI-8186    2.2GHz Pentium 4-M 嵌入式控制器
PXI-6052E   E系列多功能數(shù)據(jù)采集卡
PXI-6704   16位模擬量輸出卡
SCXI-1125  8通道電壓隔離衰減模塊
SCXI-1166   繼電器輸出模塊

介紹

該文分析了在冶金行業(yè)中現(xiàn)有的原料混合系統(tǒng)存在的精度低、性能差，控制復(fù)雜等問題，這將直接影響到最終成品的含鐵量。因此提出了基于LabVIEW虛擬儀器軟件設(shè)計(jì)平臺和帶有PXI總線接口的數(shù)據(jù)采集卡組成的智能型網(wǎng)絡(luò)化料場原料混合系統(tǒng)，該系統(tǒng)改善了原有系統(tǒng)不足,降低了成本，縮短開發(fā)周期，提高生產(chǎn)效率。

圖1二次料場原料混合車間

隨著計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力的不斷提高，虛擬儀器技術(shù)的飛速發(fā)展，基于PCI、PXI總線平臺的模塊化數(shù)據(jù)采集卡功能增強(qiáng)，使以前價(jià)格昂貴、功能相對獨(dú)立、體積龐大的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)被基于PCI、PXI總線平臺的模塊化設(shè)備所取代。新一代的監(jiān)控系統(tǒng)與以前的系統(tǒng)相比，系統(tǒng)總體成本大大降低、體積小、功能強(qiáng)、精度高、易于維護(hù)、擴(kuò)展性好。同時(shí)，功能強(qiáng)大的LabVIEW軟件使系統(tǒng)的開發(fā)更簡單高效。

正文：

一、傳統(tǒng)與新一代控制系統(tǒng)的比較

1、系統(tǒng)組成

從系統(tǒng)組成框圖可知整個(gè)系統(tǒng)由測量傳感器，信號隔離調(diào)整，數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)處理分析部分組成。傳統(tǒng)系統(tǒng)中轉(zhuǎn)速、溫度、壓力信號經(jīng)過傳感器輸入到PLC的A/D模塊中，經(jīng)過運(yùn)算由PLC的D/A擴(kuò)展模塊輸出形成閉環(huán)控制，在PLC上擴(kuò)展人機(jī)界面模塊用于監(jiān)控，擴(kuò)展以太網(wǎng)模塊用于連接工業(yè)以太網(wǎng)。新系統(tǒng)在原來傳感器和驅(qū)動部分不變的基礎(chǔ)上引入了PXI-6052E采集卡用于采集A/D信號，PXI-6704和PXI-1166分別輸出模擬量和數(shù)字量形成閉環(huán)控制。由于PXI背板具有人機(jī)接口和以太網(wǎng)接口，所以可以在較少的硬件條件方便的實(shí)現(xiàn)原來的功能。

圖2傳統(tǒng)系統(tǒng)的硬件組成框圖

2、新舊系統(tǒng)的比較 

新舊系統(tǒng)在測量參數(shù)、線路方面沒有改變，但數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)有很大的改變，主要有以下幾個(gè)方面：

1)控制精度與成本
傳統(tǒng)的設(shè)備使用PLC控制，對于PLC的典型系統(tǒng)，它的控制循環(huán)的速率為100到500ms。而使用基于PXI的控制系統(tǒng)，我們把該系統(tǒng)的循環(huán)時(shí)間降低到50ms，提高了靈活性，并改善了產(chǎn)品質(zhì)量從而提高了我們輸出的質(zhì)量。我們也利用PXI背板對測量進(jìn)行同步。最后，由于利用了單一的開發(fā)環(huán)境和靈活的硬件，我們把系統(tǒng)的開發(fā)時(shí)間降低為五分之一，從而減少了項(xiàng)目所有者的綜合成本。

圖3新系統(tǒng)的硬件組成框圖

2)集成度
傳統(tǒng)系統(tǒng)由獨(dú)立的多套系統(tǒng)組成，每個(gè)系統(tǒng)都有相應(yīng)的計(jì)算機(jī)與控制軟件組成。新的系統(tǒng)是基于PXI總線的模塊化儀器，傳統(tǒng)體積較龐大的采集器由體積很小的采集模塊代替，使用一臺內(nèi)嵌式計(jì)算機(jī)取代先前多臺計(jì)算機(jī)，使系統(tǒng)的集成度大大提高。原來的系統(tǒng)運(yùn)行需要多人負(fù)責(zé)操縱和監(jiān)視，而新的系統(tǒng)只需要一人即可完成所有工作。

3)操作性
由于傳統(tǒng)中各部分是從不同廠家購置的，所以各分系統(tǒng)互相獨(dú)立，實(shí)際使用中各系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)不能共享和調(diào)用。新的系統(tǒng)是在同一個(gè)軟件平臺和同一套PXI硬件系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)的，在軟件和硬件中可以解決以上問題，可操作性增強(qiáng)。

4)可維護(hù)性
系統(tǒng)的維修、升級和擴(kuò)展是所有的系統(tǒng)所面臨的共同問題。原來的系統(tǒng)各廠家都有自己的定義，系統(tǒng)的維修升級只能由原廠家負(fù)責(zé)，這樣不僅價(jià)格高、周期長而且有些廠家由于各種原因停產(chǎn)，和可能造成系統(tǒng)的報(bào)廢。新的基于PXI總線是開放的標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)，各模塊不僅價(jià)格低廉，而且維修、升級可由多個(gè)廠家支持，延長了系統(tǒng)使用的生命周期。

二、系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

在比較了各種可用于這種復(fù)雜應(yīng)用的平臺后，我們選擇了NI PAC平臺和LabVIEW 7.1以及PXI硬件。利用NI的PAC產(chǎn)品，我們不僅縮短了開發(fā)時(shí)間，降低了成本。也使得本系統(tǒng)擁有強(qiáng)大的靈活性，集成性和堅(jiān)固性，能夠和現(xiàn)今絕大多數(shù)設(shè)備進(jìn)行接口，可以在不淘汰現(xiàn)有生產(chǎn)設(shè)備的情況下引入這一先進(jìn)的系統(tǒng)。

1、系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如圖4所示：一個(gè)車間有一臺PXI總線計(jì)算機(jī)，可根據(jù)具體的控制對象的數(shù)量配合相應(yīng)數(shù)量的PXI數(shù)據(jù)采集卡，由PXI背板的網(wǎng)絡(luò)接口接入整個(gè)公司的工業(yè)以太網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換和遠(yuǎn)程控制命令的發(fā)送，從而實(shí)現(xiàn)企業(yè)總監(jiān)控臺對每個(gè)車間的生產(chǎn)情況進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控并生成報(bào)單存儲。

圖4系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

擇PXI-6052E采集卡實(shí)現(xiàn)多通道的采集，采樣時(shí)差對信號特征的影響很小。采集上來的信號在上位機(jī)做運(yùn)算。使用LabVIEW  7.1為平臺，配合Control Design Toolkit工具包來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速這樣就可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的閉環(huán)控制，給定和控制參數(shù)可以在上位機(jī)設(shè)定，這樣對于不同的配料可以方便的設(shè)定相應(yīng)的參數(shù)從而使此系統(tǒng)方便的適用于不同配料的混合。

2、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)關(guān)鍵

1)信號調(diào)理
本系統(tǒng)要對轉(zhuǎn)速和熱電耦型號（mV級）、壓力變送器的4-20mA電流信號進(jìn)行調(diào)理。我們選擇NI公司的信號調(diào)理（SCXI）模塊，其可與PXI緊密結(jié)合，提供高通道數(shù)、多種類型信號的調(diào)理。采用SCXI-1125模塊對熱電耦信號進(jìn)行隔離放大和濾波，利用自帶的熱敏電阻和IC敏感器進(jìn)行冷端補(bǔ)償，信號調(diào)整后使之變成適合采集卡量程的電壓信號，同時(shí)對采集卡進(jìn)行高壓隔離保護(hù)。

2)數(shù)據(jù)采集功能
利用LabVIEW中提供的數(shù)據(jù)采集PAC模塊以及NI公司提供的眾多程序?qū)嵗?，方便用戶的開發(fā)，快速實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的連續(xù)采樣和存盤。

圖5 本系統(tǒng)的LabVIEW界面 

3)PID算法實(shí)現(xiàn)
PID的基本算法為控制器的輸出和控制器的輸入（誤差）成正比，與積分導(dǎo)數(shù)成正比且為這3個(gè)分量之和。U=Kc[e+(1/t)∫e*dt+Td *de/dt]其中e是測量值與給定值之間的偏差；Ti是積分時(shí)間；Td是微分時(shí)間；Kc是控制器的放大系數(shù)。LabVIEW中內(nèi)置了PID等控制算法的VI，以次為基礎(chǔ)可以快速的開發(fā)智能PID的控制。圖6，7是智能PID控制器部分LabVIEW程序。

圖6 智能PID控制器LabVIEW程序界面

圖7 PID控制器部分LabVIEW程序 
   
4)以太網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)
LabVIEW 7.1為我們提供了豐富的例子供用戶參考和使用，在以太網(wǎng)方面LabVIEW基于TCP/IP協(xié)議的例子只要拿來稍加修改就可以用于我們的系統(tǒng)，如圖8所示。 

圖8 基于TCP/IP的以太網(wǎng)程序
 
三、總結(jié)與展望

本設(shè)計(jì)借助計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大功能采用了目前技術(shù)先進(jìn)的PXI總線硬件平臺，使用模塊化的數(shù)據(jù)采集卡，大縮短了系統(tǒng)的開發(fā)周期，降低了系統(tǒng)的綜合成本，提高了系統(tǒng)的靈活性和控制的準(zhǔn)確性。在完成相同功這里特別要提到的是LabVIEW 7.1圖形化編程語言，在LabVIEW平臺上開發(fā)出的智能型網(wǎng)絡(luò)化原料混合系統(tǒng)。該系統(tǒng)已經(jīng)成功地應(yīng)用于鋼廠原料混合系統(tǒng)。由于使用了NI公司的虛擬儀器技術(shù)，簡化了原來的硬件設(shè)計(jì)，所以大能的情況下，總體價(jià)格只是原來的1/2，而且體積也大大減少?？傊?，虛擬儀器技術(shù)使現(xiàn)代的測量系統(tǒng)更靈活，更緊湊，功能更強(qiáng)大。用戶可以方便的設(shè)計(jì)自己的應(yīng)用界面。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和測控技術(shù)的發(fā)展，虛擬儀器技術(shù)也會在各領(lǐng)域中發(fā)揮更重要的作用。

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