摘 要：介紹了基于虛擬儀器技術(shù)的自動煤質(zhì)工業(yè)分析儀的研制過程。闡述了該煤質(zhì)分析儀的軟、硬件結(jié)構(gòu)及工作流程。其中硬件部分主要包括各種傳感器、模擬及開關(guān)量采集板卡、分析天平、加熱裝置等。軟件選用LabVIEW作為開發(fā)平臺，開發(fā)了一套完整的集分析過程監(jiān)視、自動或手動控制、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)庫管理等功能與一體的自動煤質(zhì)工業(yè)分析軟件。最后，詳細(xì)敘述了該煤質(zhì)工業(yè)分析儀在分析實(shí)驗(yàn)過程中的軟、硬件工作流程，并對該分析儀的特點(diǎn)和優(yōu)勢進(jìn)行了總結(jié)。 關(guān)鍵詞：自動煤質(zhì)工業(yè)分析儀 虛擬儀器 LabVIEW 1 前言 　　火電廠發(fā)電成本中燃煤費(fèi)用約占70%，煤質(zhì)監(jiān)督管理工作直接關(guān)系到電廠的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。全國煤炭市場放開以后，電廠燃煤中國家統(tǒng)配煤的比例逐漸下降，小窯煤的比例增加，煤質(zhì)多變的現(xiàn)象在全國各電廠普遍存在。而隨著廠網(wǎng)的分開，降低發(fā)電成本成為燃煤電廠的首要任務(wù)。為提高鍋爐的燃燒效率，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)、管理自動化，發(fā)電廠有必要準(zhǔn)確檢測煤質(zhì)指標(biāo)，以便調(diào)整鍋爐的加氧量，及時調(diào)整鍋爐的熱效率，并長期穩(wěn)定地維持其效率。 　　隨著信息科學(xué)的不斷發(fā)展，對信號采集、數(shù)據(jù)處理、控制操作等的技術(shù)要求越來越高，傳統(tǒng)的測試分析儀器已越來越不能滿足時代的要求，特別是在較為復(fù)雜、測試參數(shù)較多的場所，其多方面的局限性也就更為突出。電子技術(shù)的迅速發(fā)展從客觀上要求測試分析儀器向自動化、智能化和柔性化方向發(fā)展，同時也為測試分析儀器的發(fā)展提供了技術(shù)支持。 　　目前已有的煤質(zhì)分析儀在擴(kuò)展性、技術(shù)更新、可重用性以及可配置性等方面都有很多不足，一旦設(shè)備開發(fā)完成，就很難對其進(jìn)行改進(jìn)。這些局限性決定了此類設(shè)備將被操作更方便、功能更靈活、輸出結(jié)果更準(zhǔn)確、直觀的自動化分析儀器所代替。 　　在基于以PC機(jī)為硬件核心的自動煤質(zhì)工業(yè)分析儀的設(shè)計(jì)與開發(fā)中引入虛擬儀器技術(shù)，可以方便、快速地組成一套綜合性能的分析儀器。利用LabVIEW所提供的圖形編程環(huán)境，針對不同的測試分析對象，編寫功能單一的測試虛擬面板，每個面板相當(dāng)于一臺功能單一的測試分析儀，然后把每個面板作為子面板調(diào)用，即可組成一臺可測多種參數(shù)的綜合分析儀器。雖然編程思路與通用編程語言相似，但虛擬儀器技術(shù)的特點(diǎn)決定了虛擬儀器在操作方便性、界面友好性等方面的突出特點(diǎn)，而且在開發(fā)時效上周期更短。通過虛擬儀器技術(shù)的引入，可以加快我國在測試分析儀器方面發(fā)展，縮短與國外的差距。 2 自動煤質(zhì)工業(yè)分析硬件設(shè)計(jì) 　　自動煤質(zhì)工業(yè)分析儀的硬件要完成的功能包括模擬量輸入信號的采集、數(shù)字開關(guān)量信號的讀取與控制、計(jì)算機(jī)與分析天平的通訊及稱量數(shù)據(jù)的傳送和計(jì)算、結(jié)果輸出等幾個部分。 　　其中，模擬量輸入信號的采集、數(shù)字開關(guān)量信號的讀取與控制采用的板卡采用了北京阿爾泰公司生產(chǎn)的USB2010數(shù)據(jù)采集板。該板是一種USB總線兼容的數(shù)據(jù)采集板，設(shè)計(jì)有12Bits分辨率的A/D轉(zhuǎn)換器，提供了32路單端或16路雙端的模擬輸入通道和2路D/A輸出通道，A/D轉(zhuǎn)換器輸入信號范圍:±5V、±10V、0～10V，16路開關(guān)量輸入，16路開關(guān)量輸出，提供基于LabVIEW的驅(qū)動軟件接口模塊，與LabVIEW軟件平臺完全兼容，使得編程人員在利用USB接口技術(shù)的諸多優(yōu)點(diǎn)的同時，可以自由的選用方便簡易的圖形化編程語言LabVIEW。通過USB2010采集板采集到熱電偶變送器信號經(jīng)過換算得到爐溫;采集來的氮?dú)狻⒀鯕鈮毫土髁啃盘柨蓪?shí)時顯示在用戶的操作面板上，以便用戶判斷氮?dú)狻⒀鯕馄繝顟B(tài)的正常與否;通過光電檢測器的信號來判斷樣盤轉(zhuǎn)動是否到達(dá)零位或樣位，以執(zhí)行下一步稱量的操作。對USB2010開關(guān)量的輸入輸出操作用來判斷和控制外設(shè)的動作，比如自動分析儀的箱蓋上升下降，樣盤旋轉(zhuǎn)和上升下降，固態(tài)繼電器的接通和斷開，實(shí)驗(yàn)過程中啟動排氣扇和實(shí)驗(yàn)結(jié)束后啟動冷卻風(fēng)扇，氮?dú)?、氧氣電磁閥的打開關(guān)閉，作為動力氣源的壓縮空氣與氧氣的切換，還有通過對開關(guān)量輸入信號的檢測判斷控制電源、電阻爐電源的接通等。 　　根據(jù)分析儀的精度要求和實(shí)際情況，選用了德國Sartorius集團(tuán)下屬的北京賽托拉斯儀器系統(tǒng)有限公司生產(chǎn)的BS124S 全自動分析天平。通過計(jì)算機(jī)的RS-232串口與天平通訊，由軟件發(fā)出命令對天平清零和讀取數(shù)據(jù)。硬件結(jié)構(gòu)如圖2-1所示。 [align=center] 圖2-1 硬件結(jié)構(gòu)圖[/align] 3 自動煤質(zhì)工業(yè)分析軟件設(shè)計(jì) 　　軟件設(shè)計(jì)選用了LabVIEW （Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench—實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器工程平臺） 作為開發(fā)平臺。該開發(fā)軟件采用全圖形化編程，在計(jì)算機(jī)屏幕上利用其內(nèi)含的功能庫和開發(fā)工具庫產(chǎn)生一軟面板，用來為測試系統(tǒng)提供輸入值并接受其輸出值;該面板在外觀和操作上模仿有形器件，保持了傳統(tǒng)直觀的視覺和感觀效果，在功能上則與一般慣用的語言程序相同。用戶能夠很容易地從一個單一前面板控制多臺虛擬儀器，并把這個系統(tǒng)作為一臺虛擬儀器來看待。LabVIEW內(nèi)部集成了大量的生成圖形界面的模板，如各種開關(guān)、旋鈕、表頭、刻度桿、指示燈等，包含了組成一個儀器所需的主要控件，而且用戶也可方便地設(shè)計(jì)庫中沒有的控件。 　　煤的工業(yè)分析，又叫煤的技術(shù)分析或?qū)嵱梅治觯窃u價煤質(zhì)的基本依據(jù)。在國家標(biāo)準(zhǔn)中，煤的工業(yè)分析包括煤的水分、灰分、揮發(fā)分和固定碳等指標(biāo)的測定。通常煤的水分、灰分、揮發(fā)分是直接測出的，而固定碳是用差減法計(jì)算出來的。利用熱重分析測定煤的工業(yè)分析流程是先測煤樣的水分，然后測揮發(fā)分，再測灰分，國內(nèi)外的儀器均如此，差異在于加熱溫度和升溫速率。 　　根據(jù)煤質(zhì)分析儀需要實(shí)現(xiàn)的功能及LabVIEW的編程特點(diǎn)，軟件部分共設(shè)計(jì)了12個子模塊，包括：模擬量輸入模塊、數(shù)字開關(guān)量輸入輸出模塊、數(shù)據(jù)庫模塊、串口參數(shù)設(shè)置模塊、串口通訊模塊，參數(shù)設(shè)置模塊、溫度測量模塊、水分測量模塊、揮發(fā)分測量模塊、灰分測量模塊、計(jì)算結(jié)果模塊、后臺數(shù)據(jù)庫和結(jié)果數(shù)據(jù)庫模塊。軟件結(jié)構(gòu)如圖3-1，程序主面板如圖3-2。 [align=center] 圖3-1軟件系統(tǒng)組成圖 圖3-2采用LabVIEW編程得到的前面板[/align] 4 煤質(zhì)分析流程 　　在用戶準(zhǔn)備好實(shí)驗(yàn)相關(guān)事宜（如預(yù)先干燥過的干凈空坩堝、粒度小于0.2mm的空氣干燥煤樣、外設(shè)等）后，則可以點(diǎn)擊“運(yùn)行”按鈕運(yùn)行本軟件。根據(jù)實(shí)際情況，這里需要用戶在第一次運(yùn)行本軟件時對參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。用戶可選擇菜單中的設(shè)置項(xiàng)的下一級菜單參數(shù)設(shè)置，這時會彈出一個界面，要求用戶設(shè)定氮?dú)?、氧氣壓力和流量的上、下限，?dāng)?shù)獨(dú)?、氧氣的壓力和流量值超過設(shè)定的界限，則系統(tǒng)認(rèn)為不安全，彈出對話框提示并停止所有的實(shí)驗(yàn)過程。還需設(shè)置是用氧氣或者壓縮空氣做動力氣源來推動分析儀箱蓋的上升和下降，以及是否在實(shí)驗(yàn)過程中啟動排氣扇排氣。在第一次設(shè)置以后運(yùn)行程序進(jìn)行實(shí)驗(yàn)無需再設(shè)置，除非實(shí)際情況跟第一次設(shè)置有變。 　　用戶點(diǎn)擊“開始實(shí)驗(yàn)”按鈕或者在菜單中選擇“開始實(shí)驗(yàn)”就可以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。需要說明的是，圖3-2界面上的表格開始時是隱藏的，取而代之的是形象的轉(zhuǎn)盤和坩堝圖。只有在實(shí)驗(yàn)開始進(jìn)行測量坩堝時這個表格才顯示出來并將數(shù)據(jù)顯示在表格相應(yīng)的地方，而且試樣名稱一列是由用戶根據(jù)所做實(shí)驗(yàn)的煤樣的具體情況輸入的。只有在選擇開始實(shí)驗(yàn)后，界面上的中止實(shí)驗(yàn)、結(jié)束實(shí)驗(yàn)和計(jì)算結(jié)果按鈕才可選。主界面上的當(dāng)前狀態(tài)欄會實(shí)時顯示當(dāng)前實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的步驟，比如在測第幾號坩堝的什么項(xiàng)目。實(shí)驗(yàn)初期，軟件會通過開關(guān)量輸入輸出模塊中的控制電源檢測輸入信號返回值，自動檢測控制電源的工作情況。如果正常可進(jìn)行下一步實(shí)驗(yàn)，否則彈出對話框提示用戶檢查控制電源。然后判斷分析儀的箱蓋是否打開讓用戶放入坩堝，如果沒有打開則控制箱蓋上升打開箱蓋，當(dāng)箱蓋完全打開后停止動作，并提示用戶放入本次實(shí)驗(yàn)的空坩堝。同時，通過調(diào)用串口通訊模塊發(fā)清零指令給天平，并等天平返回值小于0.0003則認(rèn)為清零成功進(jìn)入下一步。 　　待用戶放入了實(shí)驗(yàn)空坩堝并點(diǎn)擊“確認(rèn)”后，分析儀的箱蓋自動關(guān)閉。首先檢測樣盤是否已經(jīng)提升，如否則控制樣盤上升至提升到位。然后旋轉(zhuǎn)樣盤尋找零位（用于定義坩堝順序），找到零位后從零位開始每次檢測到樣位（即坩堝放置的位置）時停止樣盤旋轉(zhuǎn)并放下樣盤，使坩堝的重量落在天平上，此時就可通過串口通訊讀天平數(shù)據(jù)。如此反復(fù)直至稱量全部空坩堝重量。每一個空坩堝的質(zhì)量數(shù)據(jù)都可顯示在圖3-2的界面表上的相應(yīng)位置。 　　空坩堝的質(zhì)量測量完成后，分析儀的箱蓋自動打開，彈出對話框提示用戶加煤樣。一般加入的煤樣質(zhì)量在1g左右。加入煤樣后用戶點(diǎn)擊對話框的“確定”按鈕，則進(jìn)入測量煤樣的質(zhì)量階段。其過程跟測量空坩堝相同。測量結(jié)束后，結(jié)果數(shù)據(jù)（每個坩堝都是減去了空坩堝的原始重量）也會顯示在界面上的表格中。 　　接著是由用戶選擇本次實(shí)驗(yàn)需要測試的項(xiàng)目，可以是水分、揮發(fā)分、灰分、水分和灰分、水分和揮發(fā)分、揮發(fā)分和灰分或者工業(yè)全分析（即分析全部三項(xiàng)）。如單獨(dú)選擇一項(xiàng)或者兩項(xiàng)，則實(shí)驗(yàn)時間可以大大縮短。需要說明的是，如果單獨(dú)選擇揮發(fā)分，這里實(shí)驗(yàn)還是從測量水分開始做起，因?yàn)橐玫綋]發(fā)分的百分含量，單單實(shí)驗(yàn)升溫到（900 10）℃做，這時煤樣質(zhì)量的減少包括了水分減少這一塊，其中必須得除去水分的百分含量數(shù)據(jù)。在選擇揮發(fā)分和灰分實(shí)驗(yàn)也是同理的。測量水分、揮發(fā)分和灰分的模塊是相互獨(dú)立的，選擇需要的分析項(xiàng)目則調(diào)用相應(yīng)的模塊進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)時分析儀按升溫、恒溫、稱量（實(shí)驗(yàn)時的溫度，恒溫時間參數(shù)等均嚴(yán)格按照GB212-2001《煤的工業(yè)分析方法》的規(guī)定）的順序得到對應(yīng)的質(zhì)量數(shù)據(jù)并顯示在界面中的表格里。 　　本自動煤質(zhì)工業(yè)分析儀是一個自動化程度非常高的儀器，在測量開始后，用戶基本上可以不必介入，軟件自動進(jìn)行每一步操作，并在異常情況出現(xiàn)時能提醒用戶，如箱蓋打開/關(guān)閉不正常、樣盤上升/下降不正常、天平讀取數(shù)據(jù)出錯都會彈出對話框提醒用戶采取手動調(diào)整。當(dāng)分析實(shí)驗(yàn)進(jìn)行完成，則用戶可選擇計(jì)算結(jié)果進(jìn)入計(jì)算結(jié)果模塊。用戶需要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和煤質(zhì)的實(shí)際情況輸入一些參數(shù)如氫系數(shù)、發(fā)熱量系數(shù)等經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，之后按照GB212-2001《煤的工業(yè)分析方法》中定義的相關(guān)公式計(jì)算分析結(jié)果。同時保存在結(jié)果數(shù)據(jù)庫中以備查詢、打印等操作。 5　結(jié)論 　　本文作者創(chuàng)新點(diǎn)在于首次將虛擬儀器技術(shù)應(yīng)用到煤質(zhì)工業(yè)分析領(lǐng)域，將虛擬儀器與傳統(tǒng)的煤質(zhì)熱重分析技術(shù)結(jié)合，這樣大大簡化了硬件的連接和控制設(shè)計(jì)，方便操作人員維護(hù)和管理。同時采用虛擬的儀器面板代替?zhèn)鹘y(tǒng)的真實(shí)的儀器，降低了系統(tǒng)成本，提高了實(shí)驗(yàn)效率，增強(qiáng)了系統(tǒng)的靈活性和擴(kuò)展性，方便操作人員實(shí)驗(yàn)。 參考文獻(xiàn) 　　[1] 張宏亮，林木松.煤質(zhì)快速分析儀器應(yīng)用現(xiàn)狀.熱力發(fā)電，2002（4）：7-9. 　　[2] 陳文燕.試述熱分析技術(shù)在煤質(zhì)分析中的應(yīng)用進(jìn)展.現(xiàn)代科學(xué)儀器，2002（6）：52～54. 　　[3] 郭恩全.虛擬儀器發(fā)展趨勢及其對測試技術(shù)的影響.計(jì)算機(jī)自動測量與控制，1999（7）：5～7 　　[4] 蔡繼軍，張彥斌，秘曉元等. 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