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广西大学硕士学位论文 基于虚拟仪器的煮糖过程数据采集研究 基于虚拟仪器的煮糖过程数据采集研究 摘要 煮糖是制糖工艺中最重要的工段，这个工段是完成液一固转换的结晶过 程，它的复杂性决定了实现过程的自动化控制的难度。而对煮糖工段而言， 数据采集是实现这一目标的首要基本任务。在传统的煮糖工艺里，数据采 集采用手工检测的办法，不仅速度慢，误差大，所用的仪器仪表种类众多， 而且操作麻烦，不能达到实时采集和在线监测的效果，更不能及时地过程 控制。本文采用流行的虚拟仪器技术构建数据采集系统，它是在基于传感 器技术和计算机技术基础上发展起来的新兴测控技术，能灵活的根据需要 组建符合用户自定义的数据采集系统，打破了传统的数据采集模式，实现 了用软件来替代仪器，而且更加快速和迅捷，对数据处理的功能更加多样 灵活。 本文采用以p c l 为总线的p c - d a q 虚拟仪器采集方案，它的特点是以传 感器、信号调理模块、数据采集卡以及虚拟仪器软件搭配组建适合煮糖采 集的系统。本文以此为指导思想，提出了合适的硬件组成方案，给出硬件 部分的选用建议，主要工作是以l a b v i e w 为软件开发平台，开发适合煮糖 采集的应用程序，最后通过实验模拟测试以求证系统达到预想功能。 在软件开发中本文主要实现实时数据采集、数据显示、数据存储、在 线监测以及对历史数据的回放和分析。经测试表明，系统基本达到煮糖数 据采集的要求，所构建的数据采集应用软件具有灵活性，可根据任务的改 基于虚拟仪器的煮糖过程数据采集研究 变进行相应的调整，这些都体现虚拟仪器技术的特点和优势。 本文采用新技术为实现煮糖过程自动化做了一些应用研究，在此领域 结合虚拟仪器技术在国内属前沿应用，所采用的理论和方法是可行的。 关键词：煮糖虚拟仪器数据采集l a b v l e w 过饱和度 i l 广西大学硕士学位论文 基于虚拟仪器的煮糖过程数据采集研究 r e s e a r c ho nd a t aa c q u i s i t l o no fs u g a rc r y s t a l l z t 1 0 n p r o c e s s 队s eo nvfr t u a lin s t r u m e n tt e c h n o l o g y a b s t r a c t u s i n gt h ev i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g yi nb u i l d i n gt h ec r y s t a l l i z a t i o n c o n t r o ls y s t e mi san e wd i r e c t i o ni n s u g a ri n d u s t r y v i r t u a li n s t r u m e n t t e c h n o l o g y i saa d v a n c e d t e s t i n g m e t h o db a s e do np ca n ds e n s o r s t e c h n o l o g y l a b v i e wi sk i n do fv i r t u a li n s t r u m e n tl a n g u a g ea n di s d e v e l o p e db yu sn ic o m p a n y l a b v i e wh a saw i d er a n g ef r e q u e n c y s i g n a l - d e t e c tc a p a b i l i t ya n dp o w e r f u ls i g n a la n a l y s i st o o l k i t t h i sp a p e r u s el a b v i e wa ss o f t w a r eb e n c h t h em a i nw o r ko ft h i sp a p e ri su s i n gv i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g yi n b u i l d i n gae f f i c i e n td a t aa c q u i s i t i o na p p l i c a t i o ns y s t e m ，m e a n w h i l e ，g i v e p r a c t i c a l s e l e c t i o na d v i c e so fr e l a t e ds e n s o r sa n dd a qd e v i c e s t h e p r o g r a mi sc o n s i s t e do ff i v em o d u l e s ：p a r a m e t e rs e t t i n g ，d a t aa c q u i s i t i o n ， s i g n a la n a l y s i sa n dp r o c e s s i n g ，d a t ar e c o r d i n ga n di n q u i r ya n dd a t a m o n i t o r i n g a f t e rd e b u g g i n g ，t h ea p p l i c a t i o nc o n n e c t e dw i t hh a r d w a r er u n s m o o t h l y , t h es y s t e mm e e tt h ed e m a n d k e d w o r d s ：d a q ；s u g a rc r y s t a l l i z a t i o n ；l a b v i e w ；v i r t u a li n s t r u m e n t ； s u p e r s a t u r a t i o n i l l 广西大学硕士学位论文 基于虚拟仪器的煮糖过程数据采集研究 1 1 我国制糖工业 第一章绪论 随着甘蔗栽培向世界各地的传播，制糖技术也在发生变化，由最初的榨汁工具 到现在广泛应用的螺旋式或杠杆式压榨机，制糖的动力也由人力到牛车、水轮和风 车。这种原始的制糖方法持续了一千多年，直到1 7 6 8 年蒸汽机作为动力首先应用于 牙买加的甘蔗糖厂，以及辊筒压榨机的出现，制糖业的生产力才有了显著提高。当 前，在制糖工业中在世界前列的有丹麦、美国、法国、澳大利亚等国，这些发达国 家的糖厂自动化生产程度不断提高，甘蔗压榨、蔗汁清净、蔗汁蒸发等工段都已经 实现自动化生产，对于低级糖膏的煮炼，国外糖厂的煮糖工段也基本实现了自动化 i l l 。 我国制糖工业经过几十年的努力，科技水平有了很大的提高，但由于原来的基 础薄弱，长期以来的投入不足，虽然某些单项技术接近或达到国际先进水平，但生 产技术的总体与国外先进国家相比有不少的差距，主要表现于： ( 1 ) 糖消费水平低，1 9 9 1 统计，我国年人均食糖消费不足世界平均消费的1 3 ，是 发达国家消费的1 2 ，与印度相比还不足其消费量的一半。 ( 2 ) 糖厂的规模小，能耗高，我国糖厂平均日处理加工能力为1 2 6 0 t ，只有世界甘 蔗糖厂平均规模3 0 0 0 t 的4 0 ，居十大产糖国家的末位。由于糖厂规模小，大大限 制了大容量先进设备的采用。 ( 3 ) 自动化和劳动生产率不高。我国各糖厂仍然属于劳动密集型企业，生产的各个 工段自动化程度不高，尤其是煮糖工段基本依靠人工操作，劳动生产率与国外糖厂 相比十分低下。 ( 4 ) 糖厂设备相对陈1 日，许多国外成熟使用的高效技术装备我们还是空白，有些虽 引进、研制过，但没有推广使用。如卧式、立式连续煮糖罐，全自动连续分蜜机， 各式高效换热器，精致糖生产技术与设备等。 ( 5 ) 全行业在科技方面投入不足，科研与生产脱节，企业的研发机制没有建立，研 堕查兰堡主堂垡堡塞 茔王壁型垡堡塑童塑垫堡塑塑墨整堡! 塞 发经费不足。我国糖厂的研发投入大大低于全国食品行业水平。 科学技术是第一生产力，在信息化技术发展的今天，发挥我们的后发优势，对 制糖设备和工艺进行信息化改造，是提高我国糖业水平和竞争力的有效途径，本课 题就是围绕着这个中心而展开研究的。 1 2 选题的意义和目的 煮糖属于最后一道生产环节，也是最为重要的环节，经过对国内糖厂的生产现 状的初步了解，发现存在着诸多问题，煮糖设备落后，自动化程度不高等，是影响 生产效率和煮糖质量的关键。在整个制糖生产过程中，压榨、提汁、分离和分蜜这 几个工段都大部分实现了自动化，但蒸发和煮制由于控制难度限制，其工艺尚停留 在手工和经验水平上。相比之下，国外制糖技术较为成熟，而且与之配套的设备完 善。对于国内企业来况，引进国外成套设备虽然能够实现制糖的自动化，提高效率， 但是极大的提高了制糖的成本，不能有效的利用现有的设备和发挥我国劳动力低廉 的优势，因此，在原有的设备基础上实现自动化，获得对煮糖过程实行在线检测和 动态调整是非常必要的。 在自动化过程中，煮糖数据的在线采集是实现自动控制的首要一步，现在大多 数糖厂的设备进行煮糖数据采集还是基于人工检测或机械仪表测量，存在很大的误 差，而且实时性不强，不利于后续的准确控制，这就要求能够有一种方便、经济、 高效的检测手段能够实现这一过程。 基于虚拟仪器技术的数据采集手段，是随着微机和传感器技术的发展而出现新 兴的测控手段之一，它主要以p c 机为平台的测控技术。l a b v i e w 是美国国家仪器 公司( n i ) 推出的一种基于图形语言的虚拟仪器丌发平台，它功能强大，可以进行 数据采集、数值分析、信号处理、数据表达等，n i 公司的1 3 号是“软件即仪器”， 即是用软件来实现替代仪器功能。 本课题对煮糖过程进行数据采集研究，探讨采用先进虚拟仪器技术，结合常用 的煮糖传感器，对煮糖过程进行数据实时采集，研究简化煮糖数据采集流程、提高 数据准确度和实时性，为实现煮糖过程自动控制提供一套有效的数据支持，从而达 糖厂的现代化改造，降低生产成本的目的。 广西大学硕士学位论文 基于虚拟仪器的煮糖过程数据采集研究 1 3 国内国外的相关研究 近些年来，人们对煮糖的自动控制研究从未停止，随着新技术新理论的出现， 煮糖自动控制的各种应用方法在国内外逐渐得到应用和推广。煮糖的自动控制涉及 到检测技术、数据处理技术、建立控制算法模型的建立等几个方面，现在国内已经 有多种自动煮糖仪器投入使用。传统煮糖数据采集的时候依靠人工的测量，已经跟 不上要求，现在不少糖厂采用一些检测仪器进行采集数据，但在使用了一段时间后， 经常失灵或准确性和灵敏度降低，这是因为采用的这些检测元件大多是接触式的， 煮糖经常出现积垢附着在传感元件上，所以可靠性不高成为数据采集中的难点，以 至于采集过程无法达到要求。在进行技术改造的过程中，设备的价格因素使很多厂 家放弃了改造的的方案。有厂家采用电脑控制装置结合传统煮糖法使国内的煮糖自 动化程度有所提高，但传统煮糖法是根据蔗糖结晶理论，采用手工等观测仪表，掌 握煮糖各阶段的参数值，来控制煮糖的操作，随着技术的发展和进步，这种机械仪 表式检测手段和处理方法也渐渐落后。煮糖工艺需要新的技术来跟上形势的发展1 2 】。 在国外，传感器技术和计算机软件处理技术的发达，使其煮糖自动化水平比较 高。国外厂商在煮糖过程中大量采用可靠性高的传感器，仪表等装置只是现场工人 勘察的显示装置，每个车间都有中央控制平台，而数据的获得依靠先进的现场采集 和实时计算机处理技术，使得控制变得准确、方便和快捷。 归根到底，煮糖自动化控制原理必须符合现代数据采集系统的特点，其优势是 以前传统方法无法比拟的，煮糖自动控制原理如图【3 】1 1 所示那样，通过用软件处理 来替代昂贵的硬件所实现的功能，使得采集和控制变得更加灵活和有效。 对比国内外的情况，国内的煮糖主要存在两个问题：( 1 ) 传感器检测技术开发 比较薄弱；( 2 ) 数据采集软件等方面没有得到充分研究。经过调研，在国内煮糖数 据采集和处理领域应用基于虚拟仪器和传感器检测技术相结合的研究尚处于开始阶 段，虽然有些论文涉及到一些相关内容，但是并没有论文出现，课题具有比较良好 的应用前景。 广西大学硕士学位论文捧于虚拟仪器的煮糖过程数据采集研究 煮糖罐 图卜l 煮糖过程的计算机控制图 f i g u r e l 一1t h es k e t c hm a po f c o m p u t e rc o n t r o li nv a c u u mp a n 1 4 本文研究的主要内容 本文首先介绍了解煮糖的机理和前人的经验要素，弄清煮糖过程中所需检测的 主要参数和它们的信号特点，做出相应的采集方案。另一方面就是通过结合流行的 虚拟仪器技术，以及传感器为主的检测手段，研究适合煮糖的数据采集虚拟仪器系 统，给出组成系统的硬件选择和开发相应的软件模块。 全文分为六章： 第一章为绪论，主要说明选题的意义和目的、国内外的相关研究情况。 第二章为煮糖工艺和虚拟仪器技术，主要了解煮糖的原理和工艺，提取出有用 的资料。再者了解虚拟仪器的概念及其特点。 第三章为系统的总体方案设计，制定出相应的采集技术方案，并对系统的硬件 组成进行解释说明等。 第四章为讲述系统的软件开发部分。 第五章叙述了用函数信号发生器发出的模拟信号对系统进行测试，以检验系统 是否达到设计的要求。 第六章为总结与展望，对本次课题的研究内容和方式作一个总结概括性的结论， 并提出还需要努力完善的部分。 广西大学硕士学位论文 基于虚拟仪器的煮糖过程数据采集研究 2 1 煮糖工艺 第二章煮糖工艺和虚拟仪器技术 首先让我们来熟悉一下制糖工业所使用的专业名词：“糖浆”是来自蒸发罐浓缩 的蔗汁；卸下的糖与母液的混合物，称为“糖膏”：其母液称为“糖蜜”；“种糊”是 由低级糖和糖浆或糖蜜混合组成，并储存于种子箱内，开煮高级糖膏再从种子箱抽 进结晶罐：每罐糖膏使用的、足以盖过汽鼓的物料量，称为“底料”：糖膏从一个结 晶罐输送到另一个罐，称为“分割”：起晶”是指糖晶体开始出现的过程【4 l 。 2 1 1 煮糖过程 经过压榨、蒸发和其他化学处理的糖浆最终要在结晶罐中完成液- 固转换。糖浆 处于过饱和度亚稳定区逐步结晶生成成品糖。整个制糖生产造成糖分损失有三大源 头，蔗渣损失、滤泥损失、废蜜损失。而废蜜损失与煮糖时提糖率直接有关。有极 少数由外国公司直接投资参股、控股的厂采用了在线检测手段，由计算机控制煮制。 国内自行研发的自控煮糖系统至今未见到。绝大多数厂仍然依赖拉取样棒抽取物料， 在玻璃片上观察判断晶种的大小，从母液中含蜜量，判断进一步吸收的程度和糖液 锤度的高低，并依据此判断决定下一步的操作。 蔗糖结晶过程中既有传热又有传质，是一个复杂的化学和物理过程。由于物料 浓度在不断的变化，煮糖的工艺条件如真空度或蒸汽压力经常波动，这些因素直接 影响了糖液的过饱和度。从制糖的知识和经验可知，煮糖质量的好坏，关键是控制 糖液的过饱和度，并控制在适当范围。煮糖不管用人工控制还是仪表控制，其过程 是同样的原理与同样的问题。控制过程主要有以下几步： 第一步是起晶，在原糖厂，通常是低级糖膏才需要起晶。种膏输送到种子箱， 要开煮的低级糖膏从种子箱抽取种子。一罐种膏足以用作三罐低级糖膏的种子。用 二个种子箱，配合操作，可供九罐糖膏作种。在这情况下，由于提供三倍的晶核而 节省了许多时间。若每个晶体以相同的速度吸收蔗糖，则最后获得的容积是3 ：9 。 广西大学硕= f ：学位论文 基于虚拟仪器的煮糖过程数据采集研究 在起晶前，为了获得糖液、糖浆、糖蜜的快速蒸发，喷射水全量开进冷凝器，关闭 结晶罐，升高真空，加热表面为液体盖过后，开进蒸汽，罐装载不必太高，由于静 压效应将减慢操作。沸腾开始以后，连续进料以维持液面稍高于形成晶体所需要的 液面，在晶核开始前停止进料。获得良好种晶的最好方法是全晶种法，它采用在适 当时刻加入等于煮好糖膏的晶体总数的预定大小晶体。在任何时候罐内没有晶体形 成，浓度必须维持在晶体生长区即介稳区内。靠仪器指示，一旦达到饱和点就引进 种子。 第二步为养晶。晶体已经保证以后，或者已经为新的糖膏取得种子以后，养晶 是最困难和最重要的一步。要像蒸发提供的可结晶的蔗糖那么快去吸收蔗糖，因为， 小晶体宽广地分散着而且存在一个临界条件。在这方面，仪器是最有帮助的，因为 可以指示过饱和度或沸点升高。如果没有适当的仪器，操作者必须靠触摸采样棒上 的样品的感觉。若蒸发速度太高及过饱和度或沸点升高上升到接近危险点，可以采 用下列的处理方法： ( 1 ) 降低真空约l o k p a ，糖膏温度上升1 0 5 度，使过饱和度正好下降在介稳区 之内，从而使晶体长大速度加快，超过1 0 0 要减慢蒸发速度大约l 3 并避免即时的 危险。 ( 2 ) 进水保持罐内蒸发作用降至能够允许的程度，用过饱和度作为指示，这种 水称为“移动”水，随晶体表面积的增大，水量可以减少，最后停止进水。其好处 是对真空一点也不妨碍，蒸发少量添加的水是不要紧的，这种做法广泛应用于许多 场合。 ( 3 ) 较多的糖液送入罐内，获得像进水同样的结果，这是最不合乎要求的做法。 因为增加罐内母液量以致有需要浓缩糖液而放慢操作。 ( 4 ) 如果结晶罐有真空控制和机械循环器，可以降低蒸汽压力或者甚至于完全 关闭，因为不管蒸发有什么情况，罐内糖膏的循环将连续进行而不受干扰。降低罐 内蒸汽压力，使蒸发速度缓慢降低是危险的，除非结晶罐装设有自动真空控制。 第三步是糖膏浓缩，即直到晶体长大到差不多填满被糖浆或母液占有的孔隙空 间为止。控制进料调节操作是控制浓缩速度的关键，如果结晶罐过分震动，就是糖 膏太浓，应加快进料，通过调节获得最大的晶体长大和避免形成聚晶和伪晶。糖膏 已经收浓后，使用罐上的蒸汽流量表调节加料以便获得最大的蒸汽流量。 第四步是最后浓缩，当糖膏容积已经达到罐的满载能力时，应停止进料进行最 6 广西大学硕士学位论文 基于虚拟仪器的煮糖过程数据采集研究 后浓缩，并让蒸发作用直至达到要求的锤度【5 】o 2 1 2 过饱和度在煮糖结晶中的作用 我f f n w 以通过保持恰当的过饱和度，使得糖膏在安全养晶区内进行煮炼，从而 达到良好的煮糖效果。因为只有溶液达到过饱和状态，晶体才会从溶液里形成、长 大或者沉积。过饱和的意思是溶液里的固溶物比溶在一定温度的水中的要多。过饱 和的程度可分为三个区域，其中第二区为中间区，晶体可以长大而且可以形成新晶 体：中间区是上面是易变区，在这个区内可以在没有其他晶体的存在自然形成晶体。 下面给出这三个区的范围： 纯的蔗糖溶液的溶解度系数 未饱和 1 3 0 如图2 1 为纯蔗糖的过饱和曲线。 o 7 ， 点一 ，i ， ， 。 盘 ， _ 毒培。 ，一 靴 低k8 7 _ 饱和 度区7 么 t t o l l l i l 1 1 0l t g o 图2 - 1 纯蔗糖过饱和曲线 f i g u r e 2 1t h ec u r v eo f p u r es u g a rs u p e r s a t u r a t i o n 广西大学坝：i 学位论文基于虚拟仪器的煮糖过程数据采集研究 对于糖溶液，这些区域是相当宽的。当浓度在介稳区时就必须进种，获得晶种后， 糖膏必须保持在这个区直至煮炼结束。如果浓度降至介稳区以下，糖晶体将溶解， 产生溶晶现象；如果浓度上升超过介稳区上限，会立即出现伪晶，这将对煮糖和分 蜜过程以及产品质量都会产生很大的不良影响【6 】。 由此可见，对过饱和度的控制是蔗糖结晶中极为重要的参数，整个煮糖过程可 以根据不同阶段的要求，准确迅速地测定过饱和度系数，以控制糖膏不同阶段的过 饱和度，使其中的蔗糖以晶体形式析出。煮好一罐糖膏的关键性操作，就是在煮炼 糖膏的过程中控制好母液的过饱和度，使之与糖份沉积速度相平衡。 2 1 3 煮糖经验要素 制糖工作者总结了煮糖的四个基本要素和经验： 1 保持真空度、蒸汽压力、入料浓度和温度的稳定 在煮炼过程中，真空度、蒸汽压力、入料浓度和温度这四个技术条件，自始自 终都是相互联系、相互影响的。如果其中一个条件不稳定，则其他三个条件也随之 变动。在整个煮炼过程中，控制好这四个条件，使之能够经常维持稳定，尽量防止 其波动，是煮好一罐糖的最重要条件。 2 确保在煮的糖膏有良好的对流 在任何情况下，保持在煮的糖膏有良好的对流，是煮好一罐糖的先决条件。煮 糖罐内的糖膏经常保持旺盛的对流，不停地上下循环流动，使晶体与母液混合均匀， 母液与晶体各个表面充分地均匀地接触，使蔗糖迅速地均匀地沉积在晶体的各个表 面上，促进蔗糖晶体正常地生长，晶体形态良好，不会产生粘晶和伪晶：同时又加 快了传热过程和蒸发过程，加速煮糖的进程。 3 控制适当的过饱和度 煮糖操作的首要要求，就是要控制好在煮中的糖膏保持最适合的过饱和度，必 须使糖膏自始自终保持在安全养晶区内进行煮炼。为此，须准确检测煮炼过程中的 过饱和度，但目前大多数国内糖厂还主要依靠煮糖人员通过事前，积累丰富的经验 来进行操作，及时发现和处理问题。努力使到从起晶到卸糖都能控制在恰当的过饱 和度范围内进行。控制的基本方法如下【7 】 ( 1 ) 找出糖液的过饱和度稳定区，特别在起晶阶段，有把握地控制好过饱和 广西大学硕士学位论文 基于虚拟仪器的煮糖过程数据采集研究 度，使投粉起到晶核作用，并防止不规则晶型的产生。 ( 2 ) 在养晶过程中，要掌握所投入原料的纯度、浓度、温度，调节入料的速 度。 ( 3 ) 经常检查和观察在煮糖膏的蒸发速度( 一般以浓度表示) ，适当调节入汽 压力，务使结晶速度和蒸发速度相平衡。 ( 4 ) 原料的纯度的高低对糖液的安全过饱和区有极大的影响。因此，最佳的 过饱和度( 浓度) 的控制首先要根据原料的纯度来确定。 ( 5 )如果蒸发速度过快而它的过饱和度已接近危险的界限时，可采用下列措 施： a 降低真空度提高煮糖的温度，来适当增大蔗糖的溶解度，促使其过饱和度 降至安全区( 稳定区) ，这样它的蒸发速度和沉积速度易于平衡，有助于晶体增长。 b 在过饱和度( 浓度) 容许的范围内，连续加如适量热水，降低其过饱和度 来平衡其蒸发速度，这称为平衡水。随着晶体面积增大，缓慢减少入水量直至停止 入水。这样做的好处是真空不致受干扰。 4 煮炼成紧结的糖膏 控制糖膏的紧结度，首要关键是在固晶完毕开始保持的阶段。此时晶体粒子还 幼弱，晶粒之间的距离大，吸收塘分的面积小。很同意造成蒸发速度和沉积速度不 平衡，给煮糖操作带来麻烦。此时一定要控制适当的蒸发速度，以适应当时晶体的 生长能力。 总而言之，传统的煮糖检测方法对主要控制参数的检测大多采用仪器仪表，如 蒸汽压力采用机械压力表、温度采用温度计等，这些方法达不到自动控制的要求。 这需要一种新兴的数据采集检测手段来取代现有的传统检测方法，以便能更好地实 现数据在线采集，为煮糖自动化做好基础。 2 2 虚拟仪器技术 随着微电子技术、计算机技术、软件技术、网络技术的高度发展极其在电子测量 技术与仪器上的应用，新的测试方法，新的测试领域以及新的仪器结构不断出现， 在许多方面已经突破传统仪器的概念，电子测量仪器功能和作用已经发生了质的变 化。在这种情况下，美国国家仪器公司( n i ) 在2 0 世纪8 0 年代最早提出虚拟仪器 9 广西大学硕：e 学位论文 基于虚拟仪器的煮糖过程数据采集研究 的概念，同时推出了用于虚拟仪器开发工程软件包l a b v i e w 。n i 公司宣称“即软 件就是仪器”，虚拟仪器利用现有的计算机，加上特殊设计的仪器硬件和专用软件， 形成既有的普通仪器基本功能，又有一般仪器没有的特殊功能的高档低价的新型仪 器，虚拟仪器的出现是仪器发展史上的一场革命，代表着仪器发展的最新方向和潮 流，对科学技术的发展和工业生产的进步将产生不可估量的影响。 l a b v i e w 是“l a b o r a t o r yv i r t u a li n s t r u m e n te n g i n e e r i n gw o r k b e n c h ”的简写，即 实验室虚拟仪器工程平台，是美国n i 公司推出的一种基于g 语言的虚拟仪器软件 开发工具，最初它是基于苹果公司的m a c i n t o s h 微机，后来n i 公司不断推出基 于各种操作系统的l a b v i e w 版本。正是由于l a b v l e w 的出现开创了仪器研究新方 法虚拟仪器。 2 2 1 虚拟仪器的组成 虚拟仪器技术是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种测 试、测量和自动化的应用。灵活高效的软件能帮助您创建完全自定义的用户界面， 模块化的硬件能方便地提供全方位的系统集成，标准的软硬件平台能满足对同步和 定时应用的需求。这也正是虚拟仪器厂商近3 0 年来始终引领测试测量行业发展趋势 的原因所在。只有同时拥有高效的软件、模块化i o 硬件和用于集成的软硬件平台 这三大组成部分，刁能充分发挥虚拟仪器技术性能高、扩展性强、开发时间少，以 及出色的集成这四大优势 虚拟仪器技术的三大组成部分f 8 l ： 1 高效的软件 软件是虚拟仪器技术中最重要的部份。使用正确的软件工具并通过设计或调用 特定的程序模块，工程师和科学家们可以高效地创建自己的应用以及友好的人机交 互界面。n i 公司提供的行业标准图形化编程软件l a b v i e w ，不仅能轻松方便地 完成与各种软硬件的连接，更能提供强大的后续数据处理能力，设置数据处理、转 换、存储的方式，并将结果显示给用户。此外，n i 提供了更多交互式的测量工具和 更高层的系统管理软件工具，例如连接设计与测试的交互式软件s i g n a l e x p r e s s 、用 于传统c 语言的l a b w i n d o w s c v i 、针对微软v i s u a ls t u d i o 的m e a s u r e m e n ts t u d i o 等 等，均可满足客户对高性能应用的需求。 1 0 广西大学硕士学位论文 基于虚拟仪器的煮糖过程数据采集研究 有了功能强大的软件，您就可以在仪器中创建智能性和决策功能，从而发挥虚 拟仪器技术在测试应用中的强大优势。 2 模块化的i o 硬件 面对如今日益复杂的测试测量应用，虚拟仪器厂商提供了全方位的软硬件的解 决方案。无论您是使用p c i ，p x i ，p c m c i a ，u s b 或者是1 3 9 4 总线，都能提供相应的 模块化的硬件产品，产品种类从数据采集、信号调理、声音和振动测量、视觉、运 动、仪器控制、分布式i o 到c a n 接1 2 等工业通讯，应有尽有。高性能的硬件产品 结合灵活的开发软件，可以为负责测试和设计工作的工程师们创建完全自定义的测 量系统，满足各种独特的应用要求。 目前，n i 公司已经达到了每2 个工作日推出一款硬件产品的速度，大大拓宽了 用户的选择面：例如n i 新近推出的新一代数据采集设备先期推出的2 0 款m 系 列d a q 卡，就为数据采集领域设定了全新的标准。 3 用于集成的软硬件平台 n i 首先提出的专为测试任务设计的p x i 硬件平台，已经成为当今测试、测量和 自动化应用的标准平台，它的开放式构架、灵活性和p c 技术的成本优势为测量和 自动化行业带来了一场翻天覆地的改革。由n i 发起的p x i 系统联盟现已吸引了6 8 家厂商，联盟属下的产品数量也已激增至近千种。 p x i 作为一种专为工业数据采集与自动化应用度身定制的模块化仪器平台，内 建有高端的定时和触发总线，再配以各类模块化的i o 硬件和相应的测试测量开发 软件，您就可以建立完全自定义的测试测量解决方案。无论是面对简单的数据采集 应用，还是高端的混合信号同步采集，借助p x i 高性能的硬件平台，您都能应付自 如。这就是虚拟仪器技术带给您的无可比拟的优势。 2 2 2 虚拟仪器的特点 虚拟仪器具有以下几个主要特点【9 1 ： 1 性能高 虚拟仪器技术是在p c 技术的基础上发展起来的，所以完全“继承”了以现成即用 的p c 技术为主导的最新商业技术的优点，包括功能超卓的处理器和文件i o ，使您 在数据高速导入磁盘的同时就能实时地进行复杂的分析。此外，不断发展的因特网 和越来越快的计算机网络使得虚拟仪器技术展现其更强大的优势。 广西大学颂：l ：学位论文基于虚拟仪器的煮糖过程数据采集研究 2 扩展性强 n i 的软硬件工具使得工程师和科学家们不再局限于当前的技术中。得益于n i 软件的灵活性，只需更新您的计算机或测量硬件，就能以最少的硬件投资和极少的、 甚至无需软件上的升级即可改进您的整个系统。在利用最新科技的时候，您可以把 它们集成到现有的测量设备，最终以较少的成本加速产品上市的时间。开发时间少， 在驱动和应用两个层面上，n i 高效的软件构架能与计算机、仪器仪表和通讯方面的 最新技术结合在一起。n i 设计这一软件构架的初衷就是为了方便用户的操作，同时 还提供了灵活性和强大的功能，使您轻松地配置、创建、发布、维护和修改高性能、 低成本的测量和控制解决方案。 3 无缝集成 虚拟仪器技术从本质上说是一个集成的软硬件概念。随着产品在功能上不断地 趋于复杂，工程师们通常需要集成多个测量设备来满足完整的测试需求，而连接和 集成这些不同设备总是要耗费大量的时间。n i 的虚拟仪器软件平台为所有的i o 设 备提供了标准的接口，帮助用户轻松地将多个测量设备集成到单个系统，减少了任 务的复杂性。 2 2 3 虚拟仪器的发展前景 虚拟仪器依靠其自身的优势使它在仪器市场的竞争力不断增强，许多大型仪器 公司均在虚拟仪器市场占有一席之地，1 9 8 8 年国际上开始有虚拟仪器产品面市，当 时只有五家制造商推出3 0 种产品，此后，虚拟仪器产品每年成倍增加，到1 9 9 4 年 底，虚拟仪器制造厂已达9 5 家工生产1 0 0 0 多种虚拟仪器产品，销售额达2 9 3 亿美 元，占整个仪器销售额7 3 亿的4 。 目前，我国正处于科学技术蓬勃发展的新时期，对虚拟设备的需求将更加强劲。 虚拟仪器赖以生存的p c 机正以迅猛的势头席卷全国，这为虚拟仪器的发展奠定了 基础。虚拟仪器作为传统仪器的替代品，市场容量巨大。据统计，1 9 9 5 年我国进口 电子测量仪器7 3 5 万台，价值3 2 亿美圆，据专家预测，到本世纪初十年我国将有 5 0 的仪器为虚拟仪器。 2 广西大学硕士学位论文 基于虚拟仪器的煮糖过程数据采集研究 2 2 4 虚拟仪器软件 虚拟仪器软件由两部分构成，既应用程序和y o 接口仪器驱动程序。虚拟仪器 应用实现虚拟仪器面板功能并定义测试功能的流程图。i o 接口驱动程序完成特定外 部硬件设备的扩展、驱动与通信。 构造一个虚拟仪器系统时，在基本硬件确定后，就可以通过不同的软件实现不 同的功能。软件是虚拟仪器系统的关键，提高计算机软件编程的效率意义重大。 虚拟仪器系统的软件主要分为4 层：系统管理层、测控程序层、仪器驱动层和 i o 接口层。作为开发虚拟仪器软件的工具平台，必须使设计出的以上软件层具有鲜 明的“既调既用”特征，并且确保用户能用以完成整个系统中所有软件部分的开发。 目前比较流行的软件开发平台有l ： 1 可视化编程工具 v i s u a lc + + 是一种功能齐全的面向对象的开发工具，可直接对硬件操作，支持多 任务多线程。v i s u a lc + + 不仅是c + + 语言的集成开发环境，而且与w i n 3 2 紧密相连， 所以，利用v i s u a lc + + 开发系统可以完成各种各样应用程序的开发，从底层软件直 到上层直接面向用户的软件都可以用v i s u a lc + + 来完成开发 2 l a b w i n d o w s c v i l a b w i n d o w s c v i 是基于a n s i c 的、交互式c 语言集成开发平台。最新4 0 版 本的具有以主要特点： 基于a n s i c ，不用学复杂的c + + 即可实现下的编程： 同标准兼容，可实现3 2 位用户库、目标模块、d l l 的相互调用； 可直接生成3 2 位d l l ，生成的d l l 也可被l a b v i e w 直接调用： 提供各种灵巧方便的界面生成、编程、调试工具，使得编程、调试轻松自如； 提供丰富的数值分析、数字信号处理函数库； 提供g p i b 、v x i 、r s 2 3 2 、数据采集板卡以及网络连接功能： 可免费获得数百种源码组g p i b 、v x i 、r s 2 3 2 仪器驱动程序。 3 l a b v i e w l a b v i e w 是一个开放式的虚拟仪器开发系统应用软件，它为设计者提供了一个 便捷、轻松的设计环境，利用它设计者可以象搭积木一样，轻松组建一个测量系统 或数据采集系统，并任意构造自己的仪器面板，而无需进行任何烦琐的计算机代码 广西大学硕二l 学位论文基于虚拟仪器的煮糖过程数据采集研究 的编写。从而可以大大简化程序的设计。l a b v i e w 与v c + + 、v b 、l a b w i n d o w s c v l 等编程语言不同，后者采用的基于文本语言的程序代码，而l a b v i e w 是使用图形化 程序的g 语言，用方框图代替了传统的程序代码。l a b v i e w 所运用的设备图标与科 学家、工程师们习惯的大部分图标一致，这种编程过程和思维非常相似。用l a b v i e w 设计的虚拟仪器可以脱离l a b v i e w 开发环境，最终用户看见的是和实际的硬件仪器 相似的操作面板。 l a b v i e w 包含有专门用于设计数据采集程序和仪器控制程序的功能库和开发 工具库。l a b v i e w 的程序设计实质就是设计一个个的“虚拟仪器”，即“v i s ”。在 计算机显示品目上利用功能库和开发工具产生一个前面板( f r o n tp 心厄l ) ；在后 台则利用图形化编程语言编制用于控制前面板的程序。程序的前面板具有与传统仪 器类似的界面，可接受用户的鼠标指令，一般来说，每一个v i 都可以作为其它v i 的调用对象，其功能类似于文本语言的子程序。 用l a b v i e w 编制的图形化v i 是分层次和模块化的。我们可以将之用于顶层程 序，也可用作其它程序或子程序的子程序。一个v i 用在其它v i 中，称之为s u b v l ， s u b v i 在调用它的程序中同样是以一个图表的形式出现的。l a b v i e w 依据并发展了 模块化程序设计的概念。用户可以把一个应用题目分解为一系列的子任务，每个子 任务还可以进一步分解成许多更低一级的子任务，直到把一个复杂的题目分解为许 多子任务的组合。首先设计s u b v i 完成每个子任务，然后将之逐步组合成能够解决 最终问题的v i 。 归纳起来l a b v i e w 软件开发平台有以下优点： ( 1 ) 图形化的编程方式，设计者无需写任何文本格式的代码，是真正的工程师 语言。 ( 2 ) 提供了丰富的数据采集、分析及存贮的库函数。 ( 3 ) 即提供了传统的程序调试手段，如设置断点、单步运行，同时提供有独到 的高亮执行工具，使程序动画式运行，利于设计者观察程序运行的细节，使程序的 调试和开发更为便捷。 ( 4 ) 囊括了d a q 、g p i b 、p x i 、v x i 、r s 2 3 2 4 8 5 在内的各种仪器通信总线标 准的所有功能函数，使得不懂总线标准的开发者也能够驱动不同总线标准接口设备 与仪器。 ( 5 ) 提供大量与外部代码或软件进行连接的机制，诸如d l l s 、d d e 、a c t i v e x 广西大学硕士学位论文 基于虚拟仪器的煮糖过程数据采集研究 等。 ( 6 ) 强大的i n t e r n e t 功能，支持常用网络协议，方便网络、远程测控仪器 的开发。 虚拟仪器的出现是仪器领域的一个突破，和传统仪器相比，虚拟仪器最大的特 点是能够充分发挥计算机性能，打破了以往由厂商定义仪器功能的模式，使用户能 够根据自己的需要更改和重新定义仪器的功能。本文选择使用l a b v i e w 作为开放虚 拟仪器软件平台，是图形化语言的杰出代表之一，其采用面向对象技术使程序的复 用性达到最佳，如图2 2 所示【1 3 1 。 图2 - 2 虚拟仪器技术的功能特点 f i g u r e 2 - 2t h ec h a r a c t e r i s t i co f v i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g yf u n c t i o n s 2 2 5 虚拟仪器和煮糖工艺的结合 通过前面对虚拟仪器在数据采集方面的介绍可知，数据可以通过虚拟仪器的优 势得以快速而准确的采集。煮糖的主要参数都是一些比较常见的物理量，其频率不 高，但由于煮糖罐内发生的是一些复杂物理和化学过程，所以传统检测工艺主要的 难度在于所测得的数据不能及时真实的反映煮糖变化，现在采用虚拟仪器正好克服 了这一弱点。在煮糖中应用虚拟仪器技术的优点主要体现在：首先，虚拟仪器采用 传感器作为触角，将主要检测参数的变化转化为电量，而电量是易于传输和处理的， 广西大学硕：i ：学位论文 基于虚拟仪器的煮糖过程数据采集研究 这比起传统靠手工操作和眼睛判读的方法无疑更及时和准确。其次，虚拟仪器采用 计算机强大的功能处理经过a d 转换的模拟信号，易于对信号进行各种分析和运算， 非常方便，可以自己定义仪器功能而不受限制，这是功能单一的传统仪器无法相比 的。第三，煮糖所需要的检测参数都难以通过传统工艺及时准确检测的，而这些参 数的控制对成品糖的质量确是非常重要的，通过采用虚拟仪器可以及时的采集和控 制这些参数，从而实现精确控制。第四，构建虚拟仪器的主要工作之一是编制软件 程序，这些程序的功能就如同现实中的仪器仪表的功能一样，只要了解煮糖的机理， 就能很容易的组建适合煮糖检测的采集程序。第五，成本低廉，使用简便。传统煮 糖操作往往需要经验丰富的工人来操作，设备多，而虚拟仪器不需要这些额外的人 力和设备成本，并且更具有效率。 综上所述，在煮糖中采用虚拟仪器技术优势很明显，可以有效地克服传统检测 方法的弊病。 2 3 本章小结 本章主要叙述了煮糖原理和工艺特点，介绍了过饱和度对煮糖的影响，指出控 制过饱和度是煮糖控制的关键。此外还介绍了虚拟仪器的概念和特点，以及虚拟仪、 器相对于传统测试方法的优势所在，总结出煮糖工艺与虚拟仪器相结合组建测试系+ 统是符合煮糖自动化要求的理想选择。 广西大学硕士学位论文 基于虚拟仪器的煮糖过程数据采集研究 第三章系统总体方案设计 3 1 真空煮糖罐及其测点分布 真空结晶罐的作用是为了从糖浆或糖蜜中获得良好的糖晶体。应用于结晶罐内 的原料浓度通常是6 0 。b x - - 6 5 。b x ，而在精练厂可以达到7 4 。b x ，高浓度可以减少 蒸汽的消耗和缩短煮糖的时间，但也有聚晶和伪晶的危险。真空罐的设计和结构与 糖膏的煮制参数有关。糖膏煮制时的蒸发速度随锤度、管长和静压头的增加而减少； 而随真空、蒸汽压力和纯度的增高而增大。国内糖厂的煮糖罐多为汽鼓式结晶罐， 汽鼓式结晶罐是一个单效蒸发罐，它具有大直径短管和一个供粘稠的、重的糖膏循 环用的大降液管，降液管内的糖膏流动循环是其最重要特性，良好的循环与温度状 况有助充分而均匀分布原料。避免局部温度过高，以及改善晶形，更有利于维持较 低的蒸汽压力和更大的生产能力。汽鼓式结晶罐通常采用机械循环的办法改善循环 特性，既在罐内安装搅拌器 1 2 1 4 1 。 图3 - 1 煮糖罐传感器测点分布图 f i g u r e 3 - it h ed r a w i n go f s e n s o rp o s i t i o n si nv a c u u mp a n 广西大学硕士学位论文基于虚拟仪器的煮糖过程数据采集研究 对煮糖罐进行的在线检测以及采集需要考虑煮糖罐的结构及空间尺寸影响，图 3 - 1 为汽鼓式真空煮糖罐的结构以及参数的测点大致分布，每个测点的位置必须是最 佳选择，如测加热蒸汽压力的传感器放置在进汽管的位置最能准确反映真实值，其 他的传感器也遵循相同的原则，这些原则是在实践经验积累的基础上总结出来的。 3 2 所需采集参数 随着现代检测技术的发展，数据采集的基本任务是物理信号的检测和测量，组建 一个基于l a b v i e w 的测试系统，传感器、信号调理模块和数据采集模块是最基本的 硬件。其中，传感器是将被测试的物理量转换为电量的基础的环节，数据采集卡则 将模拟信号转换成数字信号供计算机进行分析处理，而信号调理往往是两者之间的 桥梁，负责将传感器的输出信号和数据采集模块可以接受的信号类型联系起来，如图 3 2 所示【1 5 i 传感器1l _ ， 鍪 售 黍 f 潲2b 谪 理 蒺 i 传感器n 卜 图3 - 2 基本型现代测试系统 f i g u r e 3 - 2t h es k e t c hm a po f m o d e mt e s t i n gs y s t e m 从上所述可知，煮糖的数据采集的必须要采集煮糖过程参数，特别是煮糖的控 制参数，这涉及的煮糖参数主要有： 1 温度： 温度是煮糖的重要参数之一，过高的温度会造成糖膏焦糊，所以煮糖罐内的温 度必须控制在一定范围之内。此外，不同温度下的蔗糖溶解度有很大差别。因此， 要控制好糖膏的过饱和度的前提是保持糖膏温度固定在某一设定值附近。依靠装设 在真空结晶罐上的普通温度计不能满意地读出糖膏的温度，因为所要的是糖膏沸腾 广西大学硕士学位论文基于虚拟仪器的煮糖过程数据采集研究 表面的温度，而仪表又难以测得。由于糖膏到达这里以前刚好通过加热面，通常显 示出较高的温度。依据经验可知在降液管中进行测量可获得最好的效果，因为循环 糖膏在沸腾表面释放出热量后才通过降液管向下折回加热面。 2 蒸汽压力： 蒸汽压力包括加热室内蒸汽压力和沸腾液面的蒸汽压力。蒸汽压力是传热过程 中的一项指标，与温度有一定的关系，蒸发设备中的蒸汽压力也不能超过一定的限 值，另外它的测量有于助糖厂的节能控制。 3 真空度 煮糖罐内的真空度和罐内的绝对压力有关，这是煮糖控制的主要参数之一。 4