基于LabVIEW的苛化器溫度控制系統(tǒng)設(shè)計

王聰慧，宋振繼，李國棟

（1.陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 咸陽 712000；2.秦川機(jī)床工具集團(tuán)股份公司，陜西 寶雞 721009；3.羅克韋爾自動化（中國）有限公司，陜西 西安 710000）

在造紙工業(yè)中，苛化影響著堿回收成品工段運(yùn)行效果的好壞[1]。其中溫度是非常重要的參數(shù)，它直接影響著苛化反應(yīng)的速度及苛化度。若溫度比較低，那么苛化速度就會下降，不利于進(jìn)行苛化反應(yīng)；若溫度比較高，那么氫氧化鈣的溶解度降低，從而導(dǎo)致碳酸鈣的溶解度增加而達(dá)不到苛化反應(yīng)要求的苛化度[2]。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，由于苛化器溫度采用的測溫元件和測量方式不同，大多采用PLC來進(jìn)行控制，但是這種方式對溫度的控制精度不高[3]。為了提高控制精度，本文基于LabVIEW 和性能優(yōu)良的數(shù)據(jù)采集模塊，設(shè)計了苛化器溫度控制系統(tǒng)，系統(tǒng)不僅結(jié)構(gòu)簡單，而且人機(jī)界面直觀且操作靈活方便，同時數(shù)據(jù)運(yùn)算和數(shù)據(jù)處理能力較強(qiáng)，提高了苛化器溫度的控制精度。

1 苛化原理及工藝流程

堿回收工段中，苛化就是讓綠液與石灰進(jìn)行反應(yīng)，使碳酸鈉轉(zhuǎn)變?yōu)闅溲趸c（因?yàn)樘妓徕c對蒸煮過程不起活性作用），反應(yīng)過程中會產(chǎn)生三種物質(zhì)，沉渣白泥、濃白液和稀白液。在反應(yīng)過程中生成的沉渣白泥，經(jīng)過過濾澄清和去除殘堿后則被運(yùn)出廠外，反應(yīng)后產(chǎn)生的濃白液，送去化漿車間作為蒸煮使用的藥液，而產(chǎn)生的稀白液送去燃燒工段使用。

苛化工段的主要工作過程為：蒸發(fā)工段產(chǎn)生的黑液在燃燒工作經(jīng)過燃燒后，產(chǎn)生的溶融物溶于溫水或稀白液中形成綠液。首先利用綠液澄清器將綠液進(jìn)行澄清，然后送往綠液貯存槽，由綠液泵將槽中的綠液抽到加熱器中進(jìn)行加熱，接著進(jìn)入消化器，綠液和石灰在消化器中經(jīng)過消化反應(yīng)后，形成的乳液進(jìn)入三臺串聯(lián)的苛化器發(fā)生苛化反應(yīng)，在此過程中通過控制苛化器溫度來提高苛化反應(yīng)效率。苛化工藝部分流程如圖1所示。

圖1 苛化工藝流程

2 控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 苛化器溫度控制系統(tǒng)原理

根據(jù)苛化的工作過程，本文設(shè)計的苛化器溫度控制原理圖如圖2所示。

圖2 苛化器溫度控制原理圖

圖2中，被控對象為苛化器溫度（即工藝中進(jìn)氣管蒸汽溫度），通過溫度變送器（鉑熱電阻）對溫度進(jìn)行實(shí)時測量，同時把輸出4～20mA 的標(biāo)準(zhǔn)電信號送到數(shù)據(jù)采集卡的模擬量輸入通道中，由LabVIEW 進(jìn)行讀取后，把輸入采集卡中反饋過來的實(shí)時測量值與程序中給定的初始設(shè)定值進(jìn)行比較，LabVIEW 程序根據(jù)結(jié)果調(diào)用PID 模塊來處理、計算出實(shí)時控制量之后輸出給控制加熱的功率調(diào)整器，再由功率調(diào)整器輸出控制加熱管加熱能量大小，來調(diào)節(jié)進(jìn)氣管蒸汽溫度，從而控制苛化器的溫度。

2.2 系統(tǒng)仿真平臺硬件結(jié)構(gòu)

本文中苛化器溫度控制系統(tǒng)是基于實(shí)驗(yàn)室仿真平臺來設(shè)計的，使用過程控制實(shí)訓(xùn)裝置進(jìn)行，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示，由溫度變送器、加熱管、數(shù)據(jù)采集卡、水箱等組成，本設(shè)計中不需要控制器，實(shí)際上通過獨(dú)立的數(shù)據(jù)采集模塊采集數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)通過LabVIEW虛擬平臺來處理和控制。

圖3 系統(tǒng)仿真平臺硬件結(jié)構(gòu)

2.3 數(shù)據(jù)采集單元

本設(shè)計中選用的數(shù)據(jù)采集單元是NI公司開發(fā)的，型號為USB-6221的數(shù)據(jù)采集卡，它是一種高性能M系列多功能數(shù)據(jù)采集模塊[4]，如圖4所示。它具有以下特點(diǎn)：

（1）在高速采樣頻率下數(shù)據(jù)處理的精度高；

（2）專門針對有限的移動應(yīng)用或空間應(yīng)用而設(shè)計，即插即用；

（3）與上位機(jī)通過USB 口進(jìn)行直接連接，安裝方便；

（4）DI/DO（其中8 路時鐘同步）24 個，AI（16 位）16個，AO（16位）2個，32位計數(shù)器2個。

圖4 數(shù)據(jù)采集模塊

通過數(shù)據(jù)采集卡向PC 機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，接收PC機(jī)中程序的下達(dá)的輸出指令，同時向PC機(jī)輸入過程檢測數(shù)據(jù)。

2.4 系統(tǒng)硬件接線

根據(jù)控制原理可知，檢測的實(shí)時溫度信號通過溫度變送器接入數(shù)據(jù)采集卡USB6221中，由LabVIEW 中設(shè)計的程序進(jìn)行PID 控制結(jié)果輸出，然后再通過數(shù)據(jù)采集卡模擬量輸出來控制功率調(diào)整器，因此仿真系統(tǒng)硬件接線如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)硬件接線

2.5 系統(tǒng)程序設(shè)計

由于本設(shè)計中不需要控制器，所有的控制功能都是基于LabVIEW來實(shí)現(xiàn)，根據(jù)LabVIEW的特點(diǎn)系統(tǒng)程序的內(nèi)容主要分為三部分：

（1）數(shù)據(jù)的二次處理：由于LabVIEW 可以與RS-232C、RS-485、數(shù)據(jù)采集卡等硬件協(xié)議兼容，可以進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)采集[5]，因此當(dāng)系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集卡把實(shí)時測量處理后的溫度信號通過通信端口送入PC 機(jī)后，LabVIEW軟件中需要利用數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示及數(shù)據(jù)存儲等標(biāo)準(zhǔn)庫函數(shù)對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行二次處理，因供程序內(nèi)部使用。

（2）PID 控制：在算法實(shí)現(xiàn)方面，對于苛化器溫度的控制，由于其實(shí)際工藝要求不是非常高，我們采用離散型PID 控制算法，就能達(dá)到滿意的控制效果，利用PID 控制器的輸出u（k）來控制功率調(diào)整器，從而實(shí)現(xiàn)對苛化器溫度的控制。LabVIEW 指令庫中有已開發(fā)的PID 程序模塊，因此在編寫時不需要單獨(dú)編寫PID 程序，通過調(diào)用LabVIEW提供的PID模塊，進(jìn)行參數(shù)設(shè)定與整定就可以實(shí)現(xiàn)控制。

（3）人機(jī)界面：LabVIEW 提供了用戶界面功能，與其他畫面組態(tài)軟件功能相似，內(nèi)置有多種控件和圖形元件庫[6]。因此設(shè)計人機(jī)界面時，根據(jù)用戶使用要求，在LabVIEW 前面板中調(diào)用圖庫中元件和功能控件[7]，就可以方便地創(chuàng)建用戶靜態(tài)畫面，畫面的動態(tài)功能則需要通過編程控制來實(shí)現(xiàn)，因此當(dāng)接收到數(shù)據(jù)采集卡發(fā)來的狀態(tài)信息和數(shù)據(jù)時，用戶界面中可以更新數(shù)據(jù)，實(shí)時顯示溫度變化情況，并能在畫面窗口中修改PID參數(shù)。

基于LabVIEW 溫度控制程序把一個完整的主程序分為若干個小的程序或模塊，通過使用數(shù)據(jù)流編程方式建立程序的執(zhí)行順序[8]，基于PID控制的程序如圖6所示。

圖6 基于PID模塊的溫度控制程序

3 基于LabVIEW的苛化器溫度控制系統(tǒng)仿真調(diào)試

利用LabVIEW 軟件除了可以編寫程序，還可以通過創(chuàng)建用戶界面直接監(jiān)控控制對象[9-10]，為本文設(shè)計系統(tǒng)的監(jiān)控畫面中不僅可以直接進(jìn)行PID 參數(shù)設(shè)定，還可以通過溫度實(shí)時變化曲線查看控制效果。如圖7 所示，經(jīng)過反復(fù)整定后，當(dāng)KC=8.0，Ti=0.16，Td=0 時，監(jiān)控曲線顯示系統(tǒng)很穩(wěn)定，與設(shè)定值基本一致。

圖7 基于LabVIEW的控制系統(tǒng)監(jiān)控界面

4 結(jié) 論

本文基于LabVIEW 的苛化器溫度控制仿真系統(tǒng)比傳統(tǒng)的PLC 或者單片機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，程序設(shè)計模塊化，適應(yīng)性強(qiáng)，易于實(shí)現(xiàn)實(shí)時控制。此外通過驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)本文設(shè)計的系統(tǒng)在階躍擾動的情況下，也能達(dá)到比較好的控制效果。