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

1、 基于LabVIEW和PXI平臺的智能型網(wǎng)絡(luò)化原料混合系統(tǒng) 作者：趙志巍1,何琴1,高玉礦2 職務(wù)：工程師 公司：1浙江求是科教設(shè)備有限公司2杭州鋼鐵集團公司 應(yīng)用領(lǐng)域：冶金工業(yè)挑戰(zhàn)：本系統(tǒng)的挑戰(zhàn)在于在冶金行業(yè)中，實現(xiàn)一個堅固的閉環(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，它能進行高精度監(jiān)測并具有比傳統(tǒng)PLC更快的響應(yīng)時間，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，借助控制設(shè)計工具

2、包的強大功能，并充分結(jié)合PXI硬件輸入輸出模塊，高效的實現(xiàn)了冶鐵原料混合系統(tǒng)的監(jiān)控。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。隨著計算機運算能力的不斷提高，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，使以前價格昂貴、功能相對獨立、體積龐大的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)使用的產(chǎn)品：LabVIEW PXI-1042 8槽3U PX

3、I機箱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 繼電器輸出模塊圖1二次料場原料混合車間TempVIEW的動態(tài)數(shù)據(jù)抽查界面顯示聯(lián)合X-Y數(shù)據(jù)分布圖。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現(xiàn)原來的功能。從系統(tǒng)組成框圖可知整個系統(tǒng)由測量傳感器，信

4、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)過運算由PLC的D/A擴展模塊輸出形成閉環(huán)控制，在PLC上擴展人機界面模塊用于監(jiān)控，擴展以太網(wǎng)模塊用于連接工業(yè)以太網(wǎng)。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、精度高、易于維護、擴展性好。同時，功能強大的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)組成圖2傳統(tǒng)系統(tǒng)的硬件組成框圖圖3新系統(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)

5、采集系統(tǒng)有很大的改變，主要有以下幾個方面：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)時間降低為五分之一，從而減少了項目所有者的綜合成本。2)集成度傳統(tǒng)系統(tǒng)由獨立的多套系統(tǒng)組成，每個系統(tǒng)都有相應(yīng)的計算機與控制軟件組成。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

6、算機取代先前多臺二、系統(tǒng)設(shè)計與實現(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)時間，降低了成本。也使得本系統(tǒng)擁有強大的靈活性，集成性和堅固性，能夠和現(xiàn)今絕大多數(shù)設(shè)備進行接口，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：一個車間有一臺PXI總線計算機，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)接口接入整個公司的工業(yè)以太網(wǎng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換和遠程控制命令的發(fā)送，從而實現(xiàn)企業(yè)總監(jiān)控臺對每個車間的生產(chǎn)情況進行實時的監(jiān)控

7、并生成報單存儲。計算機，使系統(tǒng)的集成度大大提高。原來的系統(tǒng)運行需要多人負責(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)互相獨立，實際使用中各系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)不能共享和調(diào)用。新的系統(tǒng)是在同一個軟件平臺和同一套PXI硬件系統(tǒng)上實現(xiàn)的，在軟件和硬件中可以解決以上問題，可操作性增強。4)可維護性系統(tǒng)的維修、升級和擴展是所有的系統(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責(zé)，這樣不僅價格高、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)，各模塊不僅價格低廉，而且

8、維修、升級可由多個廠家支持，延長了系統(tǒng)使用的生命周期。圖4系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖這樣就可以實現(xiàn)整個系統(tǒng)的閉環(huán)控制，給定和控制參數(shù)可以在上位機設(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。3、系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件開發(fā)是以LabVIEW 7.1為平臺，配合Control Design Toolkit工具包進行結(jié)構(gòu)模塊化設(shè)計,主要有以下功能:1)用戶可以自己定義系統(tǒng)界面的功能本系統(tǒng)實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)保存和查詢等功能。使用LabVIEW圖形化開發(fā)平臺大大縮短了開發(fā)的時間，而且為以后的界面的修改以及功能的增加提供了靈活、方便的解決方案。圖5為本系統(tǒng)的LabVIEW界

9、面。擇PXI-6052E采集卡實現(xiàn)多通道的采集，采樣時差對信號特征的影響很小。采集上來的信號在上位機做運算。使用LabVIEW 7.1為平臺，配合Control Design Toolkit工具包來實現(xiàn)轉(zhuǎn)速的PID算法。其中PID整定參數(shù)在上位機設(shè)定，運算后的控制參數(shù)通過PXI-6704 16位多通道模擬輸出卡輸出到電動機的驅(qū)動電路，從而實現(xiàn)主軸電動機的閉環(huán)控制。對于倉壁的壓力和主軸的溫度兩個模擬信號通過PXI-6052E采集卡上來后的數(shù)據(jù)在上位機與給定的參數(shù)進行比較來確定是否超過給定壓力和溫度，此數(shù)字信號通過SCXI-1166和SCXI-1366 繼電器輸出模塊來控制啟動倉壁振動器和冷卻泵工

10、作。2、系統(tǒng)硬件設(shè)計關(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行隔離放大和濾波，利用自帶的熱敏電阻和IC敏感器進行冷端補償，信號調(diào)整后使之變成適合采集卡量程的電壓信號，同時對采集卡進行高壓隔離保護。2)數(shù)據(jù)采集和控制對于本系統(tǒng)中的溫度、壓力和轉(zhuǎn)速都屬于是緩變的參數(shù)，所以我們選圖5 本系統(tǒng)的LabVIEW界面圖7 PID控制器部分LabVIEW程序圖6 智能PID控制器LabVIEW程序界面2)數(shù)據(jù)采集功

11、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奖阌脩舻拈_發(fā)，快速實現(xiàn)數(shù)據(jù)的連續(xù)采樣和存盤。3)PID算法實現(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個分量之和。U=Kce+(1/t)e*dt+Td *de/dt其中e是測量值與給定值之間的偏差；Ti是積分時間；Td是微分時間；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8 基于TCP/IP的以太網(wǎng)程序4)以太網(wǎng)的實現(xiàn)LabVIEW 7.1為我們提供

12、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。 三、總結(jié)與展望本設(shè)計借助計算機的強大功能采用了目前技術(shù)先進的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，所以大能的情況下，總體價格只是原來的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，功能更強大。用戶可以方便的設(shè)計自己的應(yīng)用界面。隨著計算機技術(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。參考文獻1 雷振山.LabVIEW 7 Express 實用技術(shù)教程.中國鐵道出版社.20042 楊樂平，李海濤，趙勇，楊磊，安雪瑩. LabVIEW高級程序設(shè)計.清華大學(xué)出版社.2003.3 Measurement and Automation Catalog .2006.