摘 要： 介紹了虛擬儀器的概念及其軟件開發(fā)平臺Labview的功能與特點。運用Labview開發(fā)實現(xiàn)球墨鑄管退火爐各段爐溫自動控制的虛擬儀器，闡明了該虛擬儀器的硬件、軟件設(shè)計原理及其應(yīng)用。 關(guān)鍵詞： Labview 溫控系統(tǒng) 虛擬儀器 我國球墨鑄管生產(chǎn)起步于20世紀80年代后期，球墨鑄管由于壁薄，較之連鑄灰鐵管可節(jié)省金屬53%左右，抗拉強度、延伸率與鋼管接近，而耐用腐蝕性大大優(yōu)于普通鋼管。因此，國際上廣泛將其應(yīng)用于輸水、石油、天燃氣等輸送工程，有較好的發(fā)展前景，現(xiàn)在國內(nèi)外大多采用冷模法生產(chǎn)球墨鑄管。冷模法生產(chǎn)的毛管硬而脆，必須進行高溫（>920℃）退火處理，以促進共晶滲碳體分解，形成以鐵素體為主體，含少量珠光體的組織，才能具有較高的延伸率，從而使球墨鑄鐵管的機械性能達到國際標準。 目前，球墨鑄鐵管退火處理設(shè)備有多種型式，永通鑄管公司采用60米長的臥式連續(xù)式退火爐，分為四個階段進行退火處理，即經(jīng)高溫石墨化退火后，冷卻至共析溫度（750℃左右）再保溫，以消除珠光體。所以整個退火曲線形成四段，分別為加熱段、保溫段、快冷段、緩冷段，圖1為國內(nèi)外一些鑄管生產(chǎn)常用的退火曲線。 [align=center] 圖1 離心球墨鑄鐵管退火曲線[/align] 溫度控制系統(tǒng)主要完成各階段對高爐煤氣、空氣的燃燒控制，對控制參數(shù)進行測量、顯示和調(diào)節(jié)。我公司的退火爐溫控系統(tǒng)主要完成對各段煤氣、空氣流量，溫度，爐內(nèi)壓力的檢測與調(diào)節(jié)。由于鑄管連續(xù)退火工藝較復(fù)雜，特別是溫度控制，對于不同產(chǎn)品，不同區(qū)段，退火溫度和時間要求不同，需要及時人工或自動調(diào)節(jié)，誤差要求在±20℃以內(nèi)。很顯然采用傳統(tǒng)儀表控制，儀表的數(shù)量和系統(tǒng)將是龐大的，且易出故障，維護工作量大。公司本著經(jīng)濟實用的原則,大膽采用自動化過程控制的新技術(shù)LABVIEW為平臺的數(shù)據(jù)采集溫度測控系統(tǒng)，以滿足鑄管生產(chǎn)的更高的要求。 1 虛擬儀器及Labview 虛擬儀器的概念是美國NI公司（National Instrument）在20世紀80年代中期提出來的。所謂虛擬儀器就是以計算機作為儀器統(tǒng)一的硬件平臺，充分利用計算機的運算、存儲、回放、調(diào)用、顯示及文件管理等智能化功能，同時把傳統(tǒng)儀器的專業(yè)化功能和面板控件軟件化，使之與計算機結(jié)合構(gòu)成一臺從外觀到功能都完全與傳統(tǒng)硬件儀器相同，同時又充分享用了計算機智能資源的全新儀器系統(tǒng)。與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器有許多優(yōu)點：對測試量的處理和計算可更復(fù)雜且處理速度更快，測試結(jié)果的表達方式更加豐富多樣，可以方便地存儲和交換測試數(shù)據(jù)，價格低，技術(shù)更新快。其最大特點就是把由儀器生產(chǎn)廠家定義儀器功能的方式轉(zhuǎn)變?yōu)橛捎脩糇约憾x儀器功能，滿足多種多樣的應(yīng)用需求。由于虛擬儀器的測試功能、面板控件都實現(xiàn)了軟件化，任何使用者都可通過修改虛擬儀器的軟件來改變它的功能和規(guī)模，這充分體現(xiàn)了軟件就是儀器的設(shè)計思想。 虛擬儀器的技術(shù)基礎(chǔ)是計算機技術(shù)，核心是計算機軟件技術(shù)。其中最有代表性的圖形化編程軟件是美國NI公司推出的Labview（laboratory virtual instrument engineering workbench即實驗室虛擬儀器工作平臺）。它是世界上第一個采用圖形化編程技術(shù)的面向儀器的32位編譯型程序開發(fā)系統(tǒng)，它的目標就是簡化程序的開發(fā)工作，提高編程效率，讓科學家和工程技術(shù)人員充分利用計算機的資源和強大功能，快速簡捷地完成自己的工作任務(wù)，它被稱為科學家與工程師的語言。Labview使用了所見即所得的可視化技術(shù)建立人機界面，提供了許多儀器面板中的控制對象，如表頭、旋鈕、開關(guān)及坐標平面圖等。用戶可以通過使用編輯器將控制對象改變?yōu)檫m合自己工作領(lǐng)域的控制對象。 Labview提供了多種強有力的工具箱和函數(shù)庫，并集成了很多儀器硬件庫。Labview具有可移植性，支持多種操作系統(tǒng)，在任何一個平臺上開發(fā)的Labview應(yīng)用程序可直接移植到其它平臺上。 2 退火爐溫控系統(tǒng)的虛擬儀器的建立及應(yīng)用 2.1儀表檢測優(yōu)化設(shè)計 高爐煤氣流量的檢測通常采用孔板進行檢測，經(jīng)過兩年的應(yīng)用發(fā)現(xiàn)孔板在高爐煤氣流量的檢測中的缺點越來越明顯了，不能滿足退火爐生產(chǎn)的工藝要求，由于高爐煤氣成分的復(fù)雜性導致孔板和導壓管被堵塞，檢測的精度大打拆扣，維護量也急劇上升。為此選用新一代專利產(chǎn)品智能靶式流量計，它具備孔板的所有優(yōu)點，傳感器不與介質(zhì)接觸，通過力學桿杠原理測量煤氣的流速，易粘易腐介質(zhì)不影響測量性能，可大大提高流量檢測的可靠性和精確度。 溫度檢測將K型熱電偶改為S型熱電偶，使其檢測溫度可達1300℃，大大提高了熱電偶的使用壽命。 緩冷段原來由鼓風機直接向緩冷一段和二段鼓風，風量大小通過調(diào)節(jié)鼓風管道上執(zhí)行器調(diào)節(jié)閥門開度來調(diào)節(jié)的，在實際生產(chǎn)中常因為電機發(fā)熱而燒毀，兩臺GT50型執(zhí)行器維護量也逐漸上升。為此經(jīng)認真分析原因和技術(shù)分析決定采用變頻器直接驅(qū)動鼓風電機調(diào)節(jié)風量的大小，這樣不僅可節(jié)能電能消耗，而且減少了調(diào)節(jié)閥的維護量。 2.2　虛擬儀器軟件設(shè)計 軟件設(shè)計由兩部分組成：前面板和流程圖。在前面板，輸入用輸入控件（Control）來實現(xiàn)，程序運行的結(jié)果由輸出控件（Indicator）來完成。流程圖是完成程序功能的圖形化源代碼，通過它對信號數(shù)據(jù)的輸入和輸出進行指定，完成對信號采集及分析處理功能的控制。采用Labview8.0開發(fā)的虛擬儀器，可以同時對退火曲線的各個加熱區(qū)的溫度、壓力、流量等進行實時檢測。面板中間具有4個數(shù)值顯示窗口和4個圖形顯示窗口，分別顯示數(shù)據(jù)。為了準確讀取數(shù)據(jù)，設(shè)計兩種讀取方式：用鼠標讀??；在顯示屏上放一個游標，利用鍵盤控制。系統(tǒng)設(shè)置采樣點數(shù)，采樣頻率等。通道選擇按鈕表示內(nèi)存通道，與讀數(shù)通道相對應(yīng)，每個通道都可以放一組由外設(shè)端口或從數(shù)據(jù)文件中讀出的原始信號數(shù)據(jù)。存儲數(shù)據(jù)命令按鈕與顯示屏相對應(yīng)，按下它就表示要把顯示屏上的數(shù)據(jù)存儲起來。存儲方式有兩種：存儲在文件里或通過打印機打印。存儲數(shù)據(jù)可以多種方式顯示：如柱型圖，三維立體圖，直方圖等。通過數(shù)據(jù)分析庫（按鈕）能夠?qū)λ鶞y數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計、回歸、分析（調(diào)用函數(shù)等）。使用幫助菜單（按鈕）熟悉和了解儀器的功能、操作等。按下退出按鈕后，將關(guān)閉虛擬儀器。 作為虛擬儀器的主流開發(fā)語言，優(yōu)秀的圖形語言開發(fā)環(huán)境使LabVIEW不僅包括了開發(fā)虛擬儀器面板的各種對象和進行信號分析的豐富的函數(shù)，而且提供了外掛的PID控制工具包，使用戶可以將虛擬儀器拓展到工業(yè)自動控制領(lǐng)域?？紤]到應(yīng)用客戶所具有系統(tǒng)的特點：對象比較簡單，非線性程度不高，大多數(shù)不具有時變性和模糊不確定性，而且設(shè)備的投資成本要求較低，比較適合采用常規(guī)PID控制，故選擇常規(guī)的PID控制算式?？紤]到在生產(chǎn)過程中，如計算機出現(xiàn)故障，導致煤氣、空氣閥門自動關(guān)閉，可能導致整爐的鑄管判廢，故本方案采用增量式PID控制算法對退火爐溫度進行自動控制，且該控制算法不會引起執(zhí)行機構(gòu)位置的大幅度變化，能夠根據(jù)溫度的變化自動調(diào)節(jié)閥門的開度大小，有效的保證了鑄管生產(chǎn)的連續(xù)性和系統(tǒng)的可靠性。如圖2為增量式PID控制系統(tǒng)框圖。應(yīng)用LabVIEW 提供的功能軟件實現(xiàn)PID控制功能的程序如圖3所示。 [align=center] 圖 2 增量式PID控制系統(tǒng)框圖 圖3 PID控制功能程序流程圖[/align] 2.4　虛擬儀器的硬件結(jié)構(gòu) 虛擬儀器的硬件平臺主要包括用于數(shù)據(jù)采集、信號分析處理和信號輸出顯示等硬件。由于從傳感器直接得到的信號很微弱，因此選用了美國Burr Brown公司專門用于數(shù)據(jù)采集、具有高精度及強抗干擾能力的精密隔離儀表放大器作為信號處理單元的主放大器。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用美國Iotech WaveBook/512 Data Acquisition System，其主要性能指標為：采樣頻率，1MHz;通道數(shù)，8；A/D精度，±0.025%；抗混濾波器；FIFO緩沖器，64 k。 3、優(yōu)化設(shè)計后的熱處理曲線及應(yīng)用效果 退火爐的升溫速度和保溫狀態(tài)是靠調(diào)節(jié)煤氣、空氣的流量來實現(xiàn)的，經(jīng)過系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計，最大升溫速度由40℃/h提高到50℃/h，各段爐溫的控制精度由原來的80℃提高到20℃，自從正常運行以來，儀表檢測精度提高，運行穩(wěn)定，尚未發(fā)生故障。系統(tǒng)保留了手動和自動控制兩套方案，在電腦出故障的情況下仍可采用手動操作，并可隨時進行手動和自動的無擾切換。熱處理實測曲線如圖4所示。 [align=center] 圖4 熱處理實測曲線圖[/align] 4 結(jié)束語 　 虛擬儀器是電子技術(shù)和計算機技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，它是工業(yè)檢測與控制的具有最佳性價比的高效率解決方案。通過采用Labview對退火爐溫度控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計，解決了系統(tǒng)在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的各種問題，使系統(tǒng)的故障率大大降低，儀表檢測參數(shù)準確度提高，既保障了生產(chǎn)的連續(xù)性，又提高的產(chǎn)品的合格率，經(jīng)初步核算，產(chǎn)品的合格率由97.9%提高到98.8%,僅一個月的經(jīng)濟效益可達80多萬元。 5、參考文獻 [1] 李楊，鄭瑩娜，朱錚濤.圖形化編程語言Labview環(huán)境及其開放性 .計算機工程 [2] 梁海宏，趙海順等 60x7.5m蓄熱式退火爐的系統(tǒng)優(yōu)化.鑄造