摘 要： 介紹了虛擬儀器的概念及其軟件開發(fā)平臺(tái)Labview的功能與特點(diǎn)。運(yùn)用Labview開發(fā)實(shí)現(xiàn)球墨鑄管退火爐各段爐溫自動(dòng)控制的虛擬儀器，闡明了該虛擬儀器的硬件、軟件設(shè)計(jì)原理及其應(yīng)用。 關(guān)鍵詞： Labview 溫控系統(tǒng) 虛擬儀器 我國(guó)球墨鑄管生產(chǎn)起步于20世紀(jì)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(qiáng)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(guó)際上廣泛將其應(yīng)用于輸水、石油、天燃?xì)獾容斔凸こ?，有較好的發(fā)展前景，現(xiàn)在國(guó)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(jìn)行高溫（>920℃）退火處理，以促進(jìn)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(jī)械性能達(dá)到國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。 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(zhǎng)的臥式連續(xù)式退火爐，分為四個(gè)階段進(jìn)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(gè)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(guó)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(duì)高爐煤氣、空氣的燃燒控制，對(duì)控制參數(shù)進(jìn)行測(cè)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(duì)各段煤氣、空氣流量，溫度，爐內(nèi)壓力的檢測(cè)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(duì)于不同產(chǎn)品，不同區(qū)段，退火溫度和時(shí)間要求不同，需要及時(shí)人工或自動(dòng)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(hù)工作量大。公司本著經(jīng)濟(jì)實(shí)用的原則,大膽采用自動(dòng)化過程控制的新技術(shù)LABVIEW為平臺(tái)的數(shù)據(jù)采集溫度測(cè)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(guó)NI公司（National Instrument）在20世紀(jì)80年代中期提出來的。所謂虛擬儀器就是以計(jì)算機(jī)作為儀器統(tǒng)一的硬件平臺(tái)，充分利用計(jì)算機(jī)的運(yùn)算、存儲(chǔ)、回放、調(diào)用、顯示及文件管理等智能化功能，同時(shí)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(jì)算機(jī)結(jié)合構(gòu)成一臺(tái)從外觀到功能都完全與傳統(tǒng)硬件儀器相同，同時(shí)又充分享用了計(jì)算機(jī)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(diǎn)：對(duì)測(cè)試量的處理和計(jì)算可更復(fù)雜且處理速度更快，測(cè)試結(jié)果的表達(dá)方式更加豐富多樣，可以方便地存儲(chǔ)和交換測(cè)試數(shù)據(jù)，價(jià)格低，技術(shù)更新快。其最大特點(diǎn)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(cè)試功能、面板控件都實(shí)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(jì)思想。 虛擬儀器的技術(shù)基礎(chǔ)是計(jì)算機(jī)技術(shù)，核心是計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)。其中最有代表性的圖形化編程軟件是美國(guó)NI公司推出的Labview（laboratory virtual instrument engineering workbench即實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器工作平臺(tái)）。它是世界上第一個(gè)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(biāo)就是簡(jiǎn)化程序的開發(fā)工作，提高編程效率，讓科學(xué)家和工程技術(shù)人員充分利用計(jì)算機(jī)的資源和強(qiáng)大功能，快速簡(jiǎn)捷地完成自己的工作任務(wù)，它被稱為科學(xué)家與工程師的語(yǔ)言。Labview使用了所見即所得的可視化技術(shù)建立人機(jī)界面，提供了許多儀器面板中的控制對(duì)象，如表頭、旋鈕、開關(guān)及坐標(biāo)平面圖等。用戶可以通過使用編輯器將控制對(duì)象改變?yōu)檫m合自己工作領(lǐng)域的控制對(duì)象。 Labview提供了多種強(qiáng)有力的工具箱和函數(shù)庫(kù)，并集成了很多儀器硬件庫(kù)。Labview具有可移植性，支持多種操作系統(tǒng)，在任何一個(gè)平臺(tái)上開發(fā)的Labview應(yīng)用程序可直接移植到其它平臺(tái)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(cè)優(yōu)化設(shè)計(jì) 高爐煤氣流量的檢測(cè)通常采用孔板進(jìn)行檢測(cè)，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(cè)中的缺點(diǎn)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(dǎo)致孔板和導(dǎo)壓管被堵塞，檢測(cè)的精度大打拆扣，維護(hù)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(jì)，它具備孔板的所有優(yōu)點(diǎn)，傳感器不與介質(zhì)接觸，通過力學(xué)桿杠原理測(cè)量煤氣的流速，易粘易腐介質(zhì)不影響測(cè)量性能，可大大提高流量檢測(cè)的可靠性和精確度。 溫度檢測(cè)將K型熱電偶改為S型熱電偶，使其檢測(cè)溫度可達(dá)1300℃，大大提高了熱電偶的使用壽命。 緩冷段原來由鼓風(fēng)機(jī)直接向緩冷一段和二段鼓風(fēng)，風(fēng)量大小通過調(diào)節(jié)鼓風(fēng)管道上執(zhí)行器調(diào)節(jié)閥門開度來調(diào)節(jié)的，在實(shí)際生產(chǎn)中常因?yàn)殡姍C(jī)發(fā)熱而燒毀，兩臺(tái)GT50型執(zhí)行器維護(hù)量也逐漸上升。為此經(jīng)認(rèn)真分析原因和技術(shù)分析決定采用變頻器直接驅(qū)動(dòng)鼓風(fēng)電機(jī)調(diào)節(jié)風(fēng)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(hù)量。 2.2　虛擬儀器軟件設(shè)計(jì) 軟件設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)，程序運(yùn)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(duì)信號(hào)數(shù)據(jù)的輸入和輸出進(jìn)行指定，完成對(duì)信號(hào)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(shí)對(duì)退火曲線的各個(gè)加熱區(qū)的溫度、壓力、流量等進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。面板中間具有4個(gè)數(shù)值顯示窗口和4個(gè)圖形顯示窗口，分別顯示數(shù)據(jù)。為了準(zhǔn)確讀取數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)兩種讀取方式：用鼠標(biāo)讀取；在顯示屏上放一個(gè)游標(biāo)，利用鍵盤控制。系統(tǒng)設(shè)置采樣點(diǎn)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(duì)應(yīng)，每個(gè)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(hào)數(shù)據(jù)。存儲(chǔ)數(shù)據(jù)命令按鈕與顯示屏相對(duì)應(yīng)，按下它就表示要把顯示屏上的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)起來。存儲(chǔ)方式有兩種：存儲(chǔ)在文件里或通過打印機(jī)打印。存儲(chǔ)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(kù)（按鈕）能夠?qū)λ鶞y(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、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(yǔ)言，優(yōu)秀的圖形語(yǔ)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(duì)象和進(jìn)行信號(hào)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(dòng)控制領(lǐng)域?？紤]到應(yīng)用客戶所具有系統(tǒng)的特點(diǎn)：對(duì)象比較簡(jiǎn)單，非線性程度不高，大多數(shù)不具有時(shí)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(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障，導(dǎo)致煤氣、空氣閥門自動(dòng)關(guān)閉，可能導(dǎo)致整爐的鑄管判廢，故本方案采用增量式PID控制算法對(duì)退火爐溫度進(jìn)行自動(dòng)控制，且該控制算法不會(huì)引起執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置的大幅度變化，能夠根據(jù)溫度的變化自動(dòng)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(shí)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(tái)主要包括用于數(shù)據(jù)采集、信號(hào)分析處理和信號(hào)輸出顯示等硬件。由于從傳感器直接得到的信號(hào)很微弱，因此選用了美國(guó)Burr Brown公司專門用于數(shù)據(jù)采集、具有高精度及強(qiáng)抗干擾能力的精密隔離儀表放大器作為信號(hào)處理單元的主放大器。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用美國(guó)Iotech WaveBook/512 Data Acquisition System，其主要性能指標(biāo)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(jì)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(shí)現(xiàn)的，經(jīng)過系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，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(yùn)行以來，儀表檢測(cè)精度提高，運(yùn)行穩(wěn)定，尚未發(fā)生故障。系統(tǒng)保留了手動(dòng)和自動(dòng)控制兩套方案，在電腦出故障的情況下仍可采用手動(dòng)操作，并可隨時(shí)進(jìn)行手動(dòng)和自動(dòng)的無(wú)擾切換。熱處理實(shí)測(cè)曲線如圖4所示。 [align=center] 圖4 熱處理實(shí)測(cè)曲線圖[/align] 4 結(jié)束語(yǔ) 　 虛擬儀器是電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，它是工業(yè)檢測(cè)與控制的具有最佳性價(jià)比的高效率解決方案。通過采用Labview對(duì)退火爐溫度控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，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(cè)參數(shù)準(zhǔn)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(gè)月的經(jīng)濟(jì)效益可達(dá)80多萬(wàn)元。 5、參考文獻(xiàn) [1] 李楊，鄭瑩娜，朱錚濤.圖形化編程語(yǔ)言Labview環(huán)境及其開放性 .計(jì)算機(jī)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