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煙葉的烘烤過程是生產優質煙葉的關鍵步驟，而烤煙的質量與烘烤過程中的溫濕度環境有著密切聯系。煙農使用酒精或煤油玻璃管溫度計，采用人工啟閉回風門(用于排濕)和鼓風機(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，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量提高的瓶徑。因此，采用電子設備來控制烤房溫濕度的遠程測控技術已成為烤煙技術發展的必然趨勢。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提高烤房內溫濕度控制精度及烤炯質量的設計方法，該系統具有反應靈敏，抗干擾能力強等優點，可以大大減輕煙農的勞動強度。 1 系統設計 烤煙房內設有的鼓風機和排風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系統來給多任務的各個任務分配時間片的方法，來實現用一臺計算機和一個數據卡對多個烤煙房的溫度和濕度進行檢測與控制。利用數據采集卡中的模擬多路開關來實現各個硬件數據通道之間的切換，以達到各個通道分時間片采樣和控制的目的。該設計方法適用于對時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技術來實現測控系統的遠程通信，及網絡上的網絡上數據發布。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對溫濕度控制器件進行控制。系統的硬件由溫濕度傳感器，DAO卡(數據采集卡)、控制電路、鼓風機及排風扇組成。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捕獲溫度信號，并將溫度信號轉換成電壓信號。同時采用UD-08濕度傳感器和相應的電路來捕獲溫度信號，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放大、濾波后，再經過數據采集卡進入計算機，計算機根據實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，然后通過數據采集卡輸出控制信號，來控制繼電器的動作．進而控制鼓風機和排風扇工作，來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，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PCI-6024還可提供16路單端／8路差動模擬輸入通道，2路獨立的D／A輸出通道，24線的TTL型數字I／O，3個16位定時計數器等多種功能模塊。利用NI公司提供的Measurement Automation軟件對其進行簡單的設置便可實現系統軟件與數據采集卡之間的通訊。 鼓風機工作在220VAC電壓下，可用固態繼電器對它進行控制。排風扇的工作電壓是12VDC，用普通繼電器即可實現對它的控制。 3 軟件設計 本測量系統采用LabVIEW7.0 Express作為控制軟件。LabVIEW程序稱為虛擬儀器程序，它是基于圖形化編程語言G的開發環境，是儀器控制與數據采集的編程平臺。LabVIEW程序是通過對數據采集卡的控制來采集數據的。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行分析處理，同時用所產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、實時顯示、數據存儲4個模塊，并把每個模塊編寫成一個子VI，讓各模塊分別完成確定的任務，然后通過主程序調用每個子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議來協調動作和通信，以及實現人機交互功能，該主控模塊提供有用戶接口，主控模塊可以通過調度各功能模塊來響應用戶指令。本系統提供了形象逼真的儀器軟面板，以方便用戶使用。 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實現。 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模塊打開數據采集設備；然后用AI Config.vi模塊來配置數據采集卡．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AI Start.vi啟動模入操作，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數、讀取數據在緩沖中的位置等，它的輸出是一個二維數組，其中每一列數據對應于通道列表中的一個通道；最后，通過AI Clear.vi模塊來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，經過PID處理后，把控制輸出量通過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放大、濾波后，再經過數據采集卡輸入計算機，計算機根據實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，然后通過數據采集卡輸出的控制信號來控制繼電器的動作，進而控制鼓風機和排風扇的工作，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：根據烤煙時的三階段烘烤要求，在不同階段，先由煙農在客戶端VI的前面板上發出相應的控制命令來設定溫濕度參數，然后系統對采集的數據利用PID控制算法進行處理，并通過數據采集卡產生相應的控制信號來控制相關繼電器的工作。PID是當前工業控制中應用最廣泛的算法。圖4是一個典型的PID控制系統的基本結構。這里將被控制的系統參數叫做過程變量(PV-Process variable)，將被控制的過程變量指定的理想值叫做設定點(SP-setpoint)。PID控制器先確定一個對被控系統的輸出量(U—output)，然后驅動過程變量使其逼近設定點。 以溫控為例，當溫度低于設定的閾值范圍時，控制器向數字I／O通道相應位寫入‘1’，控制繼電器隨既接通(鼓風機啟動)，溫度升高；反之，控制器向數字I／O通道相應位寫入‘0’，繼電器關閉(鼓風機停止)，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。經實踐，溫度的浮動范圍定為±2℃，濕度的浮動范圍定為±3.5％。 3.4狀態顯示模塊 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，以較為直觀的方式從視覺或聽覺上提示用戶。系統二通道數據狀態分析模塊程序如圖5所示。系統用InRange and Coerce.vi來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“正常”，否則為“報警”狀態，采集數據與狀態可同時顯示到前面板上。首先煙農在烤煙的三個階段的開始時預先設定溫濕度參量，然后由程序自動運用加減圖形代碼的運算得到溫濕度上下限，來隨時查看最后通過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將經過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網絡傳輸模塊 本系統采用LabVIEW的遠程面板(RemotePanel)技術，不需要任何編程，只需要在Lab-VIEW中設置幾個參數。該技術允許用戶直接在本地(Client端)計算機上打開并操作位于遠程(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網頁中并在網頁中直接操作它，操作極為簡單。 在LabVIEW中使用Remote Panel時需要完成在LabVIEW Web Server端的計算機上開啟Lab-VIEW Web Server服務和在Client端計算機上連接并運行Remote Panel兩個步驟。 目前，實現在Client端計算機進行RemotePanel操作的方式有兩種：一種是在LabVIEW環境中直接操作Remote Panel；另一種是利用網頁瀏覽器在網頁中直接操作Remote Panel。本系統應用第一種技術，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，來完成文件路徑和網絡設置。客戶機訪問權限設置，VIs訪問權限設置。之后就可以在Client端的IabVIEW環境中運行一個Remote Panel了。具體步驟如下： (1)在Web Server端打開要進行遠程運行的VI的前面板： (2)在Client端的LabVIEW環境中的菜單欄中選擇Operate→Connect to Remote Panel，然后在彈出Connect to Remote Panel對話框一欄輸入IP地址和所打開的VI的名字以及端口號。 (3)點擊Connect按鈕進行連接，Remote Panel就會出現在屏幕上，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行操作控制了。 4 結束語 本系統基于LabVIEW 7.0功能軟件，實現了用一臺計算機和一個數據采集卡對多個烤煙房的遠程監測與控制，從而提高了烤房內溫濕度測控精度及烤煙質量，減輕了煙農的勞動強度。故此，該系統的開發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。 |
