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煙葉的烘烤過(guò)程是生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)煙葉的關(guān)鍵步驟，而烤煙的質(zhì)量與烘烤過(guò)程中的溫濕度環(huán)境有著(zhù)密切聯(lián)系。煙農使用酒精或煤油玻璃管溫度計，采用人工啟閉回風(fēng)門(mén)(用于排濕)和鼓風(fēng)機(控制火爐火勢)的傳統方法測出的溫度不準確，控制方法被動(dòng)，加之操作者連續5天以上的疲勞操作，使其成為制約煙葉烘烤質(zhì)量提高的瓶徑。因此，采用電子設備來(lái)控制烤房溫濕度的遠程測控技術(shù)已成為烤煙技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。本文介紹了一種基于虛擬儀器的烤煙房遠程智能測控系統來(lái)提高烤房?jì)葴貪穸瓤刂凭燃翱揪假|(zhì)量的設計方法，該系統具有反應靈敏，抗干擾能力強等優(yōu)點(diǎn)，可以大大減輕煙農的勞動(dòng)強度。 1 系統設計 烤煙房?jì)仍O有的鼓風(fēng)機和排風(fēng)扇可以分別調節室內的溫度和濕度。系統采用計算機中分時(shí)系統來(lái)給多任務(wù)的各個(gè)任務(wù)分配時(shí)間片的方法，來(lái)實(shí)現用一臺計算機和一個(gè)數據卡對多個(gè)烤煙房的溫度和濕度進(jìn)行檢測與控制。利用數據采集卡中的模擬多路開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現各個(gè)硬件數據通道之間的切換，以達到各個(gè)通道分時(shí)間片采樣和控制的目的。該設計方法適用于對時(shí)間變化不太敏感的參量的控制(如溫度和濕度等)，可以減少監控系統的復雜程度。并且還可以利用Remote Panel技術(shù)來(lái)實(shí)現測控系統的遠程通信，及網(wǎng)絡(luò )上的網(wǎng)絡(luò )上數據發(fā)布。該系統由硬件和軟件兩部分組成，其中硬件是基礎，軟件是核心。 2 硬件設計 該系統的硬件部分先將溫濕度信號轉換成電信號，并將調理后的數據傳人計算機，之后由采集卡輸出控制信號來(lái)對溫濕度控制器件進(jìn)行控制。系統的硬件由溫濕度傳感器，DAO卡(數據采集卡)、控制電路、鼓風(fēng)機及排風(fēng)扇組成。圖1所示為硬件結構框圖。 2.1溫濕度信號獲取 系統采用硅單晶溫度傳感器和相應的電路來(lái)捕獲溫度信號，并將溫度信號轉換成電壓信號。同時(shí)采用UD-08濕度傳感器和相應的電路來(lái)捕獲溫度信號，并將其濕度轉換成電壓信號。其組成框圖如圖2所示。 2.2控制電路 控制電路的工作原理是傳感器輸出的電信號經(jīng)放大、濾波后，再經(jīng)過(guò)數據采集卡進(jìn)入計算機，計算機根據實(shí)際溫濕度和系統的給定溫濕度求出偏差，利用PID控制算法求出系統的輸出控制信號，然后通過(guò)數據采集卡輸出控制信號，來(lái)控制繼電器的動(dòng)作．進(jìn)而控制鼓風(fēng)機和排風(fēng)扇工作，來(lái)調整烤房的溫度和濕度。 本系統使用NI公司的數據采集卡PCI-6024，此卡設計基于PCI總線(xiàn)，可支持單極性和雙極性模擬信號輸入，其信號輸入范圍分別為-5～+5 V和0～10 V。同時(shí)PCI-6024還可提供16路單端／8路差動(dòng)模擬輸入通道，2路獨立的D／A輸出通道，24線(xiàn)的TTL型數字I／O，3個(gè)16位定時(shí)計數器等多種功能模塊。利用NI公司提供的Measurement Automation軟件對其進(jìn)行簡(jiǎn)單的設置便可實(shí)現系統軟件與數據采集卡之間的通訊。 鼓風(fēng)機工作在220VAC電壓下，可用固態(tài)繼電器對它進(jìn)行控制。排風(fēng)扇的工作電壓是12VDC，用普通繼電器即可實(shí)現對它的控制。 3 軟件設計 本測量系統采用LabVIEW7.0 Express作為控制軟件。LabVIEW程序稱(chēng)為虛擬儀器程序，它是基于圖形化編程語(yǔ)言G的開(kāi)發(fā)環(huán)境，是儀器控制與數據采集的編程平臺。LabVIEW程序是通過(guò)對數據采集卡的控制來(lái)采集數據的。電壓模擬信號被數據采集卡采集后輸人計算機，用PID算法對采集到的數據進(jìn)行分析處理，同時(shí)用所產(chǎn)生的控制信號將處理后的數據送人輸出通道。系統的采集狀態(tài)由前面板顯示，所采集出的溫濕度數據以文件形式保存。以模塊化的編程思想將系統分成數據采集、系統控制、實(shí)時(shí)顯示、數據存儲4個(gè)模塊，并把每個(gè)模塊編寫(xiě)成一個(gè)子VI，讓各模塊分別完成確定的任務(wù)，然后通過(guò)主程序調用每個(gè)子VI。 3.1主控模塊 主控模塊可以使各模塊之間按照系統的框架協(xié)議來(lái)協(xié)調動(dòng)作和通信，以及實(shí)現人機交互功能，該主控模塊提供有用戶(hù)接口，主控模塊可以通過(guò)調度各功能模塊來(lái)響應用戶(hù)指令。本系統提供了形象逼真的儀器軟面板，以方便用戶(hù)使用。 3.2數據采集模塊 數據采集模塊的功能就是將溫度信號轉化為數字量并傳遞到計算機。NI公司的數據采集卡的數據采集功能可以由LabVIEW提供的模入模塊中的中級模入函數組合起來(lái)實(shí)現。 圖3是使用中級模入設計的數據采集程序框圖。該程序先用Device Open.vi模塊打開(kāi)數據采集設備；然后用AI Config.vi模塊來(lái)配置數據采集卡．選擇模擬量輸入通道，指定輸入信號的范圍(調節硬件增益)，設置采集數據所占用計算機緩沖區的大小及設置掃描間隔：再通過(guò)AI Start.vi啟動(dòng)模入操作，其作用主要是控制數據采集速率和要獲得的掃描數，這里將Number of scans to acquire(獲得的掃描數)輸入端口值設置為“0”即可選擇連續采集模式，直到清除模入操作為止(如果設置為“-1”則只要緩沖區滿(mǎn)就停止掃描)；AI Read.vi的作用是從AI Config分配的緩沖中讀取數據，它能控制每次讀取的點(diǎn)數、讀取數據在緩沖中的位置等，它的輸出是一個(gè)二維數組，其中每一列數據對應于通道列表中的一個(gè)通道；最后，通過(guò)AI Clear.vi模塊來(lái)清除模入操作和計算機中分配的緩沖，并釋放所有數據采集的資源。 系統把采集到的數據送到PID控制器的輸入端口，經(jīng)過(guò)PID處理后，把控制輸出量通過(guò)數據采集卡的輸出通道輸出。 3.3 系統控制模塊 控制電路的工作原理是把傳感器輸出的電信號經(jīng)放大、濾波后，再經(jīng)過(guò)數據采集卡輸入計算機，計算機根據實(shí)際溫濕度和系統的給定溫濕度度求出偏差，并利用PID控制算法求出系統的輸出控制信號，然后通過(guò)數據采集卡輸出的控制信號來(lái)控制繼電器的動(dòng)作，進(jìn)而控制鼓風(fēng)機和排風(fēng)扇的工作，最終達到調整烤煙房的溫度和濕度之目的。 該模塊的基本思路是：根據烤煙時(shí)的三階段烘烤要求，在不同階段，先由煙農在客戶(hù)端VI的前面板上發(fā)出相應的控制命令來(lái)設定溫濕度參數，然后系統對采集的數據利用PID控制算法進(jìn)行處理，并通過(guò)數據采集卡產(chǎn)生相應的控制信號來(lái)控制相關(guān)繼電器的工作。PID是當前工業(yè)控制中應用最廣泛的算法。圖4是一個(gè)典型的PID控制系統的基本結構。這里將被控制的系統參數叫做過(guò)程變量(PV-Process variable)，將被控制的過(guò)程變量指定的理想值叫做設定點(diǎn)(SP-setpoint)。PID控制器先確定一個(gè)對被控系統的輸出量(U—output)，然后驅動(dòng)過(guò)程變量使其逼近設定點(diǎn)。 以溫控為例，當溫度低于設定的閾值范圍時(shí)，控制器向數字I／O通道相應位寫(xiě)入‘1’，控制繼電器隨既接通(鼓風(fēng)機啟動(dòng))，溫度升高；反之，控制器向數字I／O通道相應位寫(xiě)入‘0’，繼電器關(guān)閉(鼓風(fēng)機停止)，溫度降低。如此反復，從而使溫度值穩定在設定值的閾值范圍內。經(jīng)實(shí)踐，溫度的浮動(dòng)范圍定為±2℃，濕度的浮動(dòng)范圍定為±3.5％。 3.4狀態(tài)顯示模塊 溫濕度報警模塊完成的主要工作是規定所采集的溫濕度信號的范圍及相對應的狀態(tài)，以較為直觀(guān)的方式從視覺(jué)或聽(tīng)覺(jué)上提示用戶(hù)。系統二通道數據狀態(tài)分析模塊程序如圖5所示。系統用InRange and Coerce.vi來(lái)判定所采集數據的范圍，使用Select.vi對判定結果作出選擇，如果采集數據在規定范圍內則顯示“正�！�，否則為“報警”狀態(tài)，采集數據與狀態(tài)可同時(shí)顯示到前面板上。首先煙農在烤煙的三個(gè)階段的開(kāi)始時(shí)預先設定溫濕度參量，然后由程序自動(dòng)運用加減圖形代碼的運算得到溫濕度上下限，來(lái)隨時(shí)查看最后通過(guò)前面板的顯示數據和狀況。 3.5數據存儲模塊 該模塊調用LabV IEW中Write Characters ToFile。VI將經(jīng)過(guò)處理的溫濕度值存入指定的文件中，便于以后分析研究。 3.6網(wǎng)絡(luò )傳輸模塊 本系統采用LabVIEW的遠程面板(RemotePanel)技術(shù)，不需要任何編程，只需要在Lab-VIEW中設置幾個(gè)參數。該技術(shù)允許用戶(hù)直接在本地(Client端)計算機上打開(kāi)并操作位于遠程(Web Server)計算機上的VI的前面板，甚至可以將LabVIEW的前面板窗口嵌入到一個(gè)網(wǎng)頁(yè)中并在網(wǎng)頁(yè)中直接操作它，操作極為簡(jiǎn)單。 在LabVIEW中使用Remote Panel時(shí)需要完成在LabVIEW Web Server端的計算機上開(kāi)啟Lab-VIEW Web Server服務(wù)和在Client端計算機上連接并運行Remote Panel兩個(gè)步驟。 目前，實(shí)現在Client端計算機進(jìn)行RemotePanel操作的方式有兩種：一種是在LabVIEW環(huán)境中直接操作Remote Panel；另一種是利用網(wǎng)頁(yè)瀏覽器在網(wǎng)頁(yè)中直接操作Remote Panel。本系統應用第一種技術(shù)，在Client端使用Remote Panel之前，首先要在Server計算機上運行LabVIEW，并配置Web Server，來(lái)完成文件路徑和網(wǎng)絡(luò )設置�？蛻�(hù)機訪(fǎng)問(wèn)權限設置，VIs訪(fǎng)問(wèn)權限設置。之后就可以在Client端的IabVIEW環(huán)境中運行一個(gè)Remote Panel了。具體步驟如下： (1)在Web Server端打開(kāi)要進(jìn)行遠程運行的VI的前面板： (2)在Client端的LabVIEW環(huán)境中的菜單欄中選擇Operate→Connect to Remote Panel，然后在彈出Connect to Remote Panel對話(huà)框一欄輸入IP地址和所打開(kāi)的VI的名字以及端口號。 (3)點(diǎn)擊Connect按鈕進(jìn)行連接，Remote Panel就會(huì )出現在屏幕上，但是Client端的前面板和WebServer端的前面板是不同的，在Client端的前面板就可以進(jìn)行操作控制了。 4 結束語(yǔ) 本系統基于LabVIEW 7.0功能軟件，實(shí)現了用一臺計算機和一個(gè)數據采集卡對多個(gè)烤煙房的遠程監測與控制，從而提高了烤房?jì)葴貪穸葴y控精度及烤煙質(zhì)量，減輕了煙農的勞動(dòng)強度。故此，該系統的開(kāi)發(fā)與應用將大大克服傳統的基于單片機監控系統的硬件結構復雜、軟件編程麻煩等缺點(diǎn)。 |
