虚拟仪器在织造车间环境测控中的应用

王嘉玮

（西北工业大学航空学院陕西西安710072）

1 引言

在纺织生产过程中，根据棉、麻、毛等各类纤维以及设计工艺的特点，需要特定的工艺环境。织造车间的工艺生产环境，主要包括温度、湿度、尘埃的浓度和光线照度。织造车间的温湿度要根据纱线种类来设定，一般控制在23℃－30℃之间，相对湿度必须控制在70%RH－80%RH之间。合理控制湿度能够使纱线的强力增强，断头率下降，降低工作环境的飞毛现象，消除静电、加湿除尘，能够改善织物质量，提高产品成品率及质量。而高湿度环境会降低工人的舒适度，环境测控系统应在保证工艺环境的同时，兼顾操作工人的舒适度环境。

现代化织造车间环境使用的大型设备主要是空调或风机等温度调节设备、加湿器或湿帘风机等湿度调节设备、排风除尘设备和灯光照明设备。不同织造品种对环境要求会有所不同，环境的调节可以单独使用一种设备或几种设备配合使用，如降温湿帘风机既可以实现降温还可达到加湿效果。应用先进的环境检测与控制方法，利用虚拟器对车间的大型耗能设备实时调节和控制，可以在保证工艺要求、提高产品质量、保证工人健康的同时降低能源消耗。

虚拟仪器技术是美国国家仪器公司（NI）提出的虚拟测量仪器（VI）概念，“软件即是仪器”是虚拟仪器理念的核心思想。基于电脑或工作站、软件和I/O部件来构建虚拟仪器，I/O部件可以是独立仪器、模块化仪器、数据采集板（DAQ）或传感器。虚拟仪器技术本质上是一个集成的软硬件概念，NI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，用户可以自由组合计算机平台、硬件和软件，软件主要由面板控制、数据分析处理、仪器驱动、通用I/O接口等软件。

2 系统主要测控对象

本系统主要环境条件包括温度、湿度、尘埃浓度和光照度等环境条件。利用虚拟仪器设定环境参数的理想值，根据实时检测数据大小和变化，按预先设定的方式驱动执行机构，达到改善环境的目的。也可设定每种参数的上下限值，实现超限告警。

织造车间的温度、湿度要根据纱线种类来设定。温度的调节包括保温、加温和降温，通过改变空调或湿帘风机的数量或通风量来实现。湿度的调节包括保湿、加湿和除湿，通过改变湿帘风机或加湿器数量、喷雾量来实现，必要时可以利用空调的除湿功能完成。车间灰尘浓度应低于国家标准，又要考虑节约能源的原则，通过控制除尘设备排风量的大小实现排风和除尘，当检测到浓度超标时，应加大排风量，也可以根据纱线的品种设定开机数量或风量大小。织布车间属于精细加工，需要比较高的照度，工位照度一般不低于500LUX，织布对颜色有一定的标准要求，应采用高显色指数的光源。选用多大功率，要根据安装高度和布灯密度来确定，光照强度应根据昼夜和环境光强的变化，利用传感器检测是否达到标准，灯管排列根据具体情况间隔排列，分成几组，便于控制开关，根据光照强度实时地调整开灯的数量为全亮、部分亮或全灭几种模式。

3 测控系统的设计

3.1 系统硬件结构

车间环境的测控系统的硬件，包括环境参数检测系统和环境调控系统两部分，系统结构如图1所示。

图1 系统硬件结构框图

3.2 系统硬件选择

计算机是整个测控系统的数据采集、数据管理、控制决策的中心。用于信号检测的传感器实现环境因子的数据的采集并传送给数据采集板，然后将采集到的数据进行A/D转换，传送给计算机进行分析处理。计算机输出的控制指令通过D/A转换，输出给控制执行部分，执行机构根据控制结果完成相应的动作，最终使车间环境参数达到理想的状态。

当前流行的PC机基本能保证系统的正常运行。温度检测采用WB型热电阻温度变送器，其感温元件PT100铂热电阻，在0℃—100℃内性质稳定。湿度传感器采用的是JWSL型高分子湿敏电容式湿度变送器，其湿敏元件为HS15高分子感湿探头，可测量20—100%RH，具有线性好、精度高、响应快等优点。本系统采用国产FM-GZ光照度变送器对光照进行测量，在0～200Klux将光照强度转换为标准的电流或电压信号输出。粉尘浓度检测应用GCG1000粉尘浓度传感器，测量快速准确、灵敏度高、性能稳定，可直接显示并输出粉尘浓度，信号输出为频率信号。执行机构可通过固态继电器控制相关设备的开关数量，或根据驱动电流大小控制输出功率。

虚拟仪器系统中，I/O接口设备主要是数据采集板，系统使用NI公司的数据采集卡PCI-6024E，支持单极性和双极性模拟信号输入，其信号输入范围分别为-5—+5V和0—10V，还提供16路单端／8路差动模拟输入通道，2路独立的D／A输出通道等多种功能模块，利用软件对其进行简单的设置便可实现系统软件与数据采集卡之间的通讯。

3.3 软件开发环境

本系统采用的LavWindows/CVI 8.0是NI公司推出的交互式C语言开发平台，可通过模块化方式对C语言进行编辑、编译、连接和调试。主要应用在各种测试、控制、故障分析及信息处理软件的开发。它的集成化开发环境、交互式编程方法、函数面板和丰富的库函数大大增强了语言的功能，可在多操作系统下运行，方便用户开发和调试虚拟仪器系统。

3.4 系统软件总体设计

系统软件由六大模块组成：参数设置模块、数据采集模块、数据分析和处理模块、控制输出模块、数据管理模块。软件主要完成了信号检测、采集数据的处理和执行机构的驱动。系统软件结构图如图2所示。

图2 系统软件结构图

4 系统实现的主要功能

4.1 参数设置

操作人员首先登陆进入测控系统，登陆界面如图3所示，登陆后进入参数设置界面，如图4所示。根据环境参数的要求不同，输入或调整温度、湿度等环境参数，作为控制参数向数据采集控制模块发送，参数设置功能用于设定人为要求的环境参数的适宜数值。

图3 用户密码验证

图4 系统参数设置

4.2 数据采集与存储

数据采集界面如图5所示，主要实现多通道数据同步采集、实时显示以及数据存储功能。以动态曲线或表格的形式显示环境参数的实时变化，同时根据设定的报警值，进行报警，实现环境实时显示。

图5 数据采集/存储界面

4.3 数据处理

在计算机测控系统中，模拟量经A/D转换后变为数字量送计算机，数字量在进行显示、报警和控制之前，还必须根据需要进行数字滤波、标度变换、数值计算、逻辑判断等处理，以满足系统的不同需要。

4.4 控制输出

控制输出界面如图6所示，主要是实现车间内各环境参数的调控。根据计算机的数据显示和报警信号，可以在执行机构界面进行操作以达到车间适宜的工作环境。

图6 控制输出界面

4.5 数据管理

本系统中数据的存储以8小时为单位，将采集到的24小时的实时检测数据以文件的形式进行数据的存储，可以方便实现文件操作，实现分析、统计和打印。

5 结束语

本课题研究了车间环境参数的自动检测与控制系统，给出了简单友好的操作界面。系统以计算机为中心，应用虚拟仪器技术、传感器检测技术和计算机控制技术相结合，能够实现车间环境参数的实时监测和车间环境的智能调节，在实现保证工艺要求、提高产品质量、改善工作环境的同时，还能合理降低能源消耗。

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