摘 要：介紹了基于虛擬儀器技術(shù)的自動(dòng)煤質(zhì)工業(yè)分析儀的研制過(guò)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(kāi)關(guān)量采集板卡、分析天平、加熱裝置等。軟件選用LabVIEW作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，開(kāi)發(fā)了一套完整的集分析過(guò)程監(jiān)視、自動(dòng)或手動(dòng)控制、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)庫(kù)管理等功能與一體的自動(dòng)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(guò)程中的軟、硬件工作流程，并對(duì)該分析儀的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)進(jìn)行了總結(jié)。 關(guān)鍵詞：自動(dòng)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(guó)煤炭市場(chǎng)放開(kāi)以后，電廠燃煤中國(guó)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(guó)各電廠普遍存在。而隨著廠網(wǎng)的分開(kāi)，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(dòng)化，發(fā)電廠有必要準(zhǔn)確檢測(cè)煤質(zhì)指標(biāo)，以便調(diào)整鍋爐的加氧量，及時(shí)調(diào)整鍋爐的熱效率，并長(zhǎng)期穩(wěn)定地維持其效率。 　　隨著信息科學(xué)的不斷發(fā)展，對(duì)信號(hào)采集、數(shù)據(jù)處理、控制操作等的技術(shù)要求越來(lái)越高，傳統(tǒng)的測(cè)試分析儀器已越來(lái)越不能滿(mǎn)足時(shí)代的要求，特別是在較為復(fù)雜、測(cè)試參數(shù)較多的場(chǎng)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(cè)試分析儀器向自動(dòng)化、智能化和柔性化方向發(fā)展，同時(shí)也為測(cè)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(kāi)發(fā)完成，就很難對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)。這些局限性決定了此類(lèi)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(dòng)化分析儀器所代替。 　　在基于以PC機(jī)為硬件核心的自動(dòng)煤質(zhì)工業(yè)分析儀的設(shè)計(jì)與開(kāi)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(duì)不同的測(cè)試分析對(duì)象，編寫(xiě)功能單一的測(cè)試虛擬面板，每個(gè)面板相當(dāng)于一臺(tái)功能單一的測(cè)試分析儀，然后把每個(gè)面板作為子面板調(diào)用，即可組成一臺(tái)可測(cè)多種參數(shù)的綜合分析儀器。雖然編程思路與通用編程語(yǔ)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(kāi)發(fā)時(shí)效上周期更短。通過(guò)虛擬儀器技術(shù)的引入，可以加快我國(guó)在測(cè)試分析儀器方面發(fā)展，縮短與國(guó)外的差距。 2 自動(dòng)煤質(zhì)工業(yè)分析硬件設(shè)計(jì) 　　自動(dòng)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(hào)的采集、數(shù)字開(kāi)關(guān)量信號(hào)的讀取與控制、計(jì)算機(jī)與分析天平的通訊及稱(chēng)量數(shù)據(jù)的傳送和計(jì)算、結(jié)果輸出等幾個(gè)部分。 　　其中，模擬量輸入信號(hào)的采集、數(shù)字開(kāi)關(guān)量信號(hào)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(xiàn)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(hào)范圍:±5V、±10V、0～10V，16路開(kāi)關(guān)量輸入，16路開(kāi)關(guān)量輸出，提供基于LabVIEW的驅(qū)動(dòng)軟件接口模塊，與LabVIEW軟件平臺(tái)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(shí)，可以自由的選用方便簡(jiǎn)易的圖形化編程語(yǔ)言LabVIEW。通過(guò)USB2010采集板采集到熱電偶變送器信號(hào)經(jīng)過(guò)換算得到爐溫;采集來(lái)的氮?dú)?、氧氣壓力和流量信?hào)可實(shí)時(shí)顯示在用戶(hù)的操作面板上，以便用戶(hù)判斷氮?dú)?、氧氣瓶狀態(tài)的正常與否;通過(guò)光電檢測(cè)器的信號(hào)來(lái)判斷樣盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)是否到達(dá)零位或樣位，以執(zhí)行下一步稱(chēng)量的操作。對(duì)USB2010開(kāi)關(guān)量的輸入輸出操作用來(lái)判斷和控制外設(shè)的動(dòng)作，比如自動(dòng)分析儀的箱蓋上升下降，樣盤(pán)旋轉(zhuǎn)和上升下降，固態(tài)繼電器的接通和斷開(kāi)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中啟動(dòng)排氣扇和實(shí)驗(yàn)結(jié)束后啟動(dòng)冷卻風(fēng)扇，氮?dú)?、氧氣電磁閥的打開(kāi)關(guān)閉，作為動(dòng)力氣源的壓縮空氣與氧氣的切換，還有通過(guò)對(duì)開(kāi)關(guān)量輸入信號(hào)的檢測(cè)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(guó)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(dòng)分析天平。通過(guò)計(jì)算機(jī)的RS-232串口與天平通訊，由軟件發(fā)出命令對(duì)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(dòng)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(tái)） 作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)。該開(kāi)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(kù)和開(kāi)發(fā)工具庫(kù)產(chǎn)生一軟面板，用來(lái)為測(cè)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(jué)和感觀效果，在功能上則與一般慣用的語(yǔ)言程序相同。用戶(hù)能夠很容易地從一個(gè)單一前面板控制多臺(tái)虛擬儀器，并把這個(gè)系統(tǒng)作為一臺(tái)虛擬儀器來(lái)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(kāi)關(guān)、旋鈕、表頭、刻度桿、指示燈等，包含了組成一個(gè)儀器所需的主要控件，而且用戶(hù)也可方便地設(shè)計(jì)庫(kù)中沒(méi)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?，是評(píng)價(jià)煤質(zhì)的基本依據(jù)。在國(guó)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(cè)定。通常煤的水分、灰分、揮發(fā)分是直接測(cè)出的，而固定碳是用差減法計(jì)算出來(lái)的。利用熱重分析測(cè)定煤的工業(yè)分析流程是先測(cè)煤樣的水分，然后測(cè)揮發(fā)分，再測(cè)灰分，國(guó)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(gè)子模塊，包括：模擬量輸入模塊、數(shù)字開(kāi)關(guān)量輸入輸出模塊、數(shù)據(jù)庫(kù)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(cè)量模塊、水分測(cè)量模塊、揮發(fā)分測(cè)量模塊、灰分測(cè)量模塊、計(jì)算結(jié)果模塊、后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)和結(jié)果數(shù)據(jù)庫(kù)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(hù)準(zhǔn)備好實(shí)驗(yàn)相關(guān)事宜（如預(yù)先干燥過(guò)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(hù)在第一次運(yùn)行本軟件時(shí)對(duì)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。用戶(hù)可選擇菜單中的設(shè)置項(xiàng)的下一級(jí)菜單參數(shù)設(shè)置，這時(shí)會(huì)彈出一個(gè)界面，要求用戶(hù)設(shè)定氮?dú)?、氧氣壓力和流量的上、下限，?dāng)?shù)獨(dú)狻⒀鯕獾膲毫土髁恐党^(guò)設(shè)定的界限，則系統(tǒng)認(rèn)為不安全，彈出對(duì)話(huà)框提示并停止所有的實(shí)驗(yàn)過(guò)程。還需設(shè)置是用氧氣或者壓縮空氣做動(dòng)力氣源來(lái)推動(dòng)分析儀箱蓋的上升和下降，以及是否在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中啟動(dòng)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(wú)需再設(shè)置，除非實(shí)際情況跟第一次設(shè)置有變。 　　用戶(hù)點(diǎn)擊“開(kāi)始實(shí)驗(yàn)”按鈕或者在菜單中選擇“開(kāi)始實(shí)驗(yàn)”就可以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。需要說(shuō)明的是，圖3-2界面上的表格開(kāi)始時(shí)是隱藏的，取而代之的是形象的轉(zhuǎn)盤(pán)和坩堝圖。只有在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始進(jìn)行測(cè)量坩堝時(shí)這個(gè)表格才顯示出來(lái)并將數(shù)據(jù)顯示在表格相應(yīng)的地方，而且試樣名稱(chēng)一列是由用戶(hù)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(kāi)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(huì)實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的步驟，比如在測(cè)第幾號(hào)坩堝的什么項(xiàng)目。實(shí)驗(yàn)初期，軟件會(huì)通過(guò)開(kāi)關(guān)量輸入輸出模塊中的控制電源檢測(cè)輸入信號(hào)返回值，自動(dòng)檢測(cè)控制電源的工作情況。如果正?？蛇M(jìn)行下一步實(shí)驗(yàn)，否則彈出對(duì)話(huà)框提示用戶(hù)檢查控制電源。然后判斷分析儀的箱蓋是否打開(kāi)讓用戶(hù)放入坩堝，如果沒(méi)有打開(kāi)則控制箱蓋上升打開(kāi)箱蓋，當(dāng)箱蓋完全打開(kāi)后停止動(dòng)作，并提示用戶(hù)放入本次實(shí)驗(yàn)的空坩堝。同時(shí)，通過(guò)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(hù)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(dòng)關(guān)閉。首先檢測(cè)樣盤(pán)是否已經(jīng)提升，如否則控制樣盤(pán)上升至提升到位。然后旋轉(zhuǎn)樣盤(pán)尋找零位（用于定義坩堝順序），找到零位后從零位開(kāi)始每次檢測(cè)到樣位（即坩堝放置的位置）時(shí)停止樣盤(pán)旋轉(zhuǎn)并放下樣盤(pán)，使坩堝的重量落在天平上，此時(shí)就可通過(guò)串口通訊讀天平數(shù)據(jù)。如此反復(fù)直至稱(chēng)量全部空坩堝重量。每一個(gè)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(cè)量完成后，分析儀的箱蓋自動(dòng)打開(kāi)，彈出對(duì)話(huà)框提示用戶(hù)加煤樣。一般加入的煤樣質(zhì)量在1g左右。加入煤樣后用戶(hù)點(diǎn)擊對(duì)話(huà)框的“確定”按鈕，則進(jìn)入測(cè)量煤樣的質(zhì)量階段。其過(guò)程跟測(cè)量空坩堝相同。測(cè)量結(jié)束后，結(jié)果數(shù)據(jù)（每個(gè)坩堝都是減去了空坩堝的原始重量）也會(huì)顯示在界面上的表格中。 　　接著是由用戶(hù)選擇本次實(shí)驗(yàn)需要測(cè)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(shí)間可以大大縮短。需要說(shuō)明的是，如果單獨(dú)選擇揮發(fā)分，這里實(shí)驗(yàn)還是從測(cè)量水分開(kāi)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(shí)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(cè)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(shí)分析儀按升溫、恒溫、稱(chēng)量（實(shí)驗(yàn)時(shí)的溫度，恒溫時(shí)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(duì)應(yīng)的質(zhì)量數(shù)據(jù)并顯示在界面中的表格里。 　　本自動(dòng)煤質(zhì)工業(yè)分析儀是一個(gè)自動(dòng)化程度非常高的儀器，在測(cè)量開(kāi)始后，用戶(hù)基本上可以不必介入，軟件自動(dòng)進(jìn)行每一步操作，并在異常情況出現(xiàn)時(shí)能提醒用戶(hù)，如箱蓋打開(kāi)/關(guān)閉不正常、樣盤(pán)上升/下降不正常、天平讀取數(shù)據(jù)出錯(cuò)都會(huì)彈出對(duì)話(huà)框提醒用戶(hù)采取手動(dòng)調(diào)整。當(dāng)分析實(shí)驗(yàn)進(jìn)行完成，則用戶(hù)可選擇計(jì)算結(jié)果進(jìn)入計(jì)算結(jié)果模塊。用戶(hù)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(shí)保存在結(jié)果數(shù)據(jù)庫(kù)中以備查詢(xún)、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(jiǎn)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(shí)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(shì)及其對(duì)測(cè)試技術(shù)的影響.計(jì)算機(jī)自動(dòng)測(cè)量與控制，1999（7）：5～7 　　[4] 蔡繼軍，張彥斌，秘曉元等. 基于事件驅(qū)動(dòng)編程的虛擬儀器人機(jī)界面設(shè)計(jì).微計(jì)算機(jī)信息，2005，11（1）:199～120 　　[5] 楊樂(lè)平等.LabVIEW程序設(shè)計(jì)與應(yīng)用.北京：電子工業(yè)出版社，2001. 　　[6] GB/T 212—2001.煤的工業(yè)分析方法.中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn).2001：19～27