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

挑戰：

本系統的挑戰在于在冶金行業(yè)中，實(shí)現一個(gè)堅固的閉環(huán)控制系統，該系統用于冶鐵原料混合的規格監測和控制，它能進(jìn)行高精度監測并具有比傳統PLC更快的響應時(shí)間，可保證全天連續工作，并且最大限度地減少了人工操作。

應用方案：

采用NI公司的PXI模塊化儀器架構和虛擬儀器技術(shù)，使用LabVIEW開(kāi)發(fā)平臺配合控制設計工具包等產(chǎn)品開(kāi)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。本系統利用LabVIEW易學(xué)易用的特點(diǎn)，借助控制設計工具包的強大功能，并充分結合PXI硬件輸入輸出模塊，高效的實(shí)現了冶鐵原料混合系統的監控。

使用的產(chǎn)品：

LabVIEW  
PXI-1042    8槽3U PXI機箱
PXI-8186    2.2GHz Pentium 4-M 嵌入式控制器
PXI-6052E   E系列多功能數據采集卡
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)中現有的原料混合系統存在的精度低、性能差，控制復雜等問(wèn)題，這將直接影響到最終成品的含鐵量。因此提出了基于LabVIEW虛擬儀器軟件設計平臺和帶有PXI總線(xiàn)接口的數據采集卡組成的智能型網(wǎng)絡(luò )化料場(chǎng)原料混合系統，該系統改善了原有系統不足,降低了成本，縮短開(kāi)發(fā)周期，提高生產(chǎn)效率。

圖1二次料場(chǎng)原料混合車(chē)間

隨著(zhù)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(xiàn)平臺的模塊化數據采集卡功能增強，使以前價(jià)格昂貴、功能相對獨立、體積龐大的數據采集系統被基于PCI、PXI總線(xiàn)平臺的模塊化設備所取代。新一代的監控系統與以前的系統相比，系統總體成本大大降低、體積小、功能強、精度高、易于維護、擴展性好。同時(shí)，功能強大的LabVIEW軟件使系統的開(kāi)發(fā)更簡(jiǎn)單高效。

正文：

一、傳統與新一代控制系統的比較

1、系統組成

從系統組成框圖可知整個(gè)系統由測量傳感器，信號隔離調整，數據采集，數據處理分析部分組成。傳統系統中轉速、溫度、壓力信號經(jīng)過(guò)傳感器輸入到PLC的A/D模塊中，經(jīng)過(guò)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控，擴展以太網(wǎng)模塊用于連接工業(yè)以太網(wǎng)。新系統在原來(lái)傳感器和驅動(dòng)部分不變的基礎上引入了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(shí)現原來(lái)的功能。

圖2傳統系統的硬件組成框圖

2、新舊系統的比較 

新舊系統在測量參數、線(xiàn)路方面沒(méi)有改變，但數據采集系統有很大的改變，主要有以下幾個(gè)方面：

1)控制精度與成本
傳統的設備使用PLC控制，對于PLC的典型系統，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，我們把該系統的循環(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(kāi)發(fā)環(huán)境和靈活的硬件，我們把系統的開(kāi)發(fā)時(shí)間降低為五分之一，從而減少了項目所有者的綜合成本。

圖3新系統的硬件組成框圖

2)集成度
傳統系統由獨立的多套系統組成，每個(gè)系統都有相應的計算機與控制軟件組成。新的系統是基于PXI總線(xiàn)的模塊化儀器，傳統體積較龐大的采集器由體積很小的采集模塊代替，使用一臺內嵌式計算機取代先前多臺計算機，使系統的集成度大大提高。原來(lái)的系統運行需要多人負責操縱和監視，而新的系統只需要一人即可完成所有工作。

3)操作性
由于傳統中各部分是從不同廠(chǎng)家購置的，所以各分系統互相獨立，實(shí)際使用中各系統之間的數據不能共享和調用。新的系統是在同一個(gè)軟件平臺和同一套PXI硬件系統上實(shí)現的，在軟件和硬件中可以解決以上問(wèn)題，可操作性增強。

4)可維護性
系統的維修、升級和擴展是所有的系統所面臨的共同問(wèn)題。原來(lái)的系統各廠(chǎng)家都有自己的定義，系統的維修升級只能由原廠(chǎng)家負責，這樣不僅價(jià)格高、周期長(cháng)而且有些廠(chǎng)家由于各種原因停產(chǎn)，和可能造成系統的報廢。新的基于PXI總線(xiàn)是開(kāi)放的標準系統，各模塊不僅價(jià)格低廉，而且維修、升級可由多個(gè)廠(chǎng)家支持，延長(cháng)了系統使用的生命周期。

二、系統設計與實(shí)現

在比較了各種可用于這種復雜應用的平臺后，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(kāi)發(fā)時(shí)間，降低了成本。也使得本系統擁有強大的靈活性，集成性和堅固性，能夠和現今絕大多數設備進(jìn)行接口，可以在不淘汰現有生產(chǎn)設備的情況下引入這一先進(jìn)的系統。

1、系統網(wǎng)絡(luò )結構

系統網(wǎng)絡(luò )結構圖如圖4所示：一個(gè)車(chē)間有一臺PXI總線(xiàn)計算機，可根據具體的控制對象的數量配合相應數量的PXI數據采集卡，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)現數據的交換和遠程控制命令的發(fā)送，從而實(shí)現企業(yè)總監控臺對每個(gè)車(chē)間的生產(chǎn)情況進(jìn)行實(shí)時(shí)的監控并生成報單存儲。

圖4系統結構圖

擇PXI-6052E采集卡實(shí)現多通道的采集，采樣時(shí)差對信號特征的影響很小。采集上來(lái)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(lái)實(shí)現轉速這樣就可以實(shí)現整個(gè)系統的閉環(huán)控制，給定和控制參數可以在上位機設定，這樣對于不同的配料可以方便的設定相應的參數從而使此系統方便的適用于不同配料的混合。

2、系統硬件設計關(guān)鍵

1)信號調理
本系統要對轉速和熱電耦型號（mV級）、壓力變送器的4-20mA電流信號進(jìn)行調理。我們選擇NI公司的信號調理（SCXI）模塊，其可與PXI緊密結合，提供高通道數、多種類(lèi)型信號的調理。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)行冷端補償，信號調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。

2)數據采集功能
利用LabVIEW中提供的數據采集PAC模塊以及NI公司提供的眾多程序實(shí)例，方便用戶(hù)的開(kāi)發(fā)，快速實(shí)現數據的連續采樣和存盤(pán)。

圖5 本系統的LabVIEW界面 

3)PID算法實(shí)現
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，與積分導數成正比且為這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。LabVIEW中內置了PID等控制算法的VI，以次為基礎可以快速的開(kāi)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
LabVIEW 7.1為我們提供了豐富的例子供用戶(hù)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(lái)稍加修改就可以用于我們的系統，如圖8所示。 

圖8 基于TCP/IP的以太網(wǎng)程序
 
三、總結與展望

本設計借助計算機的強大功能采用了目前技術(shù)先進(jìn)的PXI總線(xiàn)硬件平臺，使用模塊化的數據采集卡，大縮短了系統的開(kāi)發(fā)周期，降低了系統的綜合成本，提高了系統的靈活性和控制的準確性。在完成相同功這里特別要提到的是LabVIEW 7.1圖形化編程語(yǔ)言，在LabVIEW平臺上開(kāi)發(fā)出的智能型網(wǎng)絡(luò )化原料混合系統。該系統已經(jīng)成功地應用于鋼廠(chǎng)原料混合系統。由于使用了NI公司的虛擬儀器技術(shù)，簡(jiǎn)化了原來(lái)的硬件設計，所以大能的情況下，總體價(jià)格只是原來(lái)的1/2，而且體積也大大減少?？傊?，虛擬儀器技術(shù)使現代的測量系統更靈活，更緊湊，功能更強大。用戶(hù)可以方便的設計自己的應用界面。隨著(zhù)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(huì )在各領(lǐng)域中發(fā)揮更重要的作用。

參考文獻

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