基于LabVIEW的苛化器温度控制系统设计

王聪慧，宋振继，李国栋

（1.陕西工业职业技术学院，陕西 咸阳 712000；2.秦川机床工具集团股份公司，陕西 宝鸡 721009；3.罗克韦尔自动化（中国）有限公司，陕西 西安 710000）

在造纸工业中，苛化影响着碱回收成品工段运行效果的好坏[1]。其中温度是非常重要的参数，它直接影响着苛化反应的速度及苛化度。若温度比较低，那么苛化速度就会下降，不利于进行苛化反应；若温度比较高，那么氢氧化钙的溶解度降低，从而导致碳酸钙的溶解度增加而达不到苛化反应要求的苛化度[2]。在实际生产过程中，由于苛化器温度采用的测温元件和测量方式不同，大多采用PLC来进行控制，但是这种方式对温度的控制精度不高[3]。为了提高控制精度，本文基于LabVIEW 和性能优良的数据采集模块，设计了苛化器温度控制系统，系统不仅结构简单，而且人机界面直观且操作灵活方便，同时数据运算和数据处理能力较强，提高了苛化器温度的控制精度。

1 苛化原理及工艺流程

碱回收工段中，苛化就是让绿液与石灰进行反应，使碳酸钠转变为氢氧化钠（因为碳酸钠对蒸煮过程不起活性作用），反应过程中会产生三种物质，沉渣白泥、浓白液和稀白液。在反应过程中生成的沉渣白泥，经过过滤澄清和去除残碱后则被运出厂外，反应后产生的浓白液，送去化浆车间作为蒸煮使用的药液，而产生的稀白液送去燃烧工段使用。

苛化工段的主要工作过程为：蒸发工段产生的黑液在燃烧工作经过燃烧后，产生的溶融物溶于温水或稀白液中形成绿液。首先利用绿液澄清器将绿液进行澄清，然后送往绿液贮存槽，由绿液泵将槽中的绿液抽到加热器中进行加热，接着进入消化器，绿液和石灰在消化器中经过消化反应后，形成的乳液进入三台串联的苛化器发生苛化反应，在此过程中通过控制苛化器温度来提高苛化反应效率。苛化工艺部分流程如图1所示。

图1 苛化工艺流程

2 控制系统设计

2.1 苛化器温度控制系统原理

根据苛化的工作过程，本文设计的苛化器温度控制原理图如图2所示。

图2 苛化器温度控制原理图

图2中，被控对象为苛化器温度（即工艺中进气管蒸汽温度），通过温度变送器（铂热电阻）对温度进行实时测量，同时把输出4～20mA 的标准电信号送到数据采集卡的模拟量输入通道中，由LabVIEW 进行读取后，把输入采集卡中反馈过来的实时测量值与程序中给定的初始设定值进行比较，LabVIEW 程序根据结果调用PID 模块来处理、计算出实时控制量之后输出给控制加热的功率调整器，再由功率调整器输出控制加热管加热能量大小，来调节进气管蒸汽温度，从而控制苛化器的温度。

2.2 系统仿真平台硬件结构

本文中苛化器温度控制系统是基于实验室仿真平台来设计的，使用过程控制实训装置进行，系统硬件结构如图3所示，由温度变送器、加热管、数据采集卡、水箱等组成，本设计中不需要控制器，实际上通过独立的数据采集模块采集数据，然后将数据通过LabVIEW虚拟平台来处理和控制。

图3 系统仿真平台硬件结构

2.3 数据采集单元

本设计中选用的数据采集单元是NI公司开发的，型号为USB-6221的数据采集卡，它是一种高性能M系列多功能数据采集模块[4]，如图4所示。它具有以下特点：

（1）在高速采样频率下数据处理的精度高；

（2）专门针对有限的移动应用或空间应用而设计，即插即用；

（3）与上位机通过USB 口进行直接连接，安装方便；

（4）DI/DO（其中8 路时钟同步）24 个，AI（16 位）16个，AO（16位）2个，32位计数器2个。

图4 数据采集模块

通过数据采集卡向PC 机进行数据交互，接收PC机中程序的下达的输出指令，同时向PC机输入过程检测数据。

2.4 系统硬件接线

根据控制原理可知，检测的实时温度信号通过温度变送器接入数据采集卡USB6221中，由LabVIEW 中设计的程序进行PID 控制结果输出，然后再通过数据采集卡模拟量输出来控制功率调整器，因此仿真系统硬件接线如图5所示。

图5 系统硬件接线

2.5 系统程序设计

由于本设计中不需要控制器，所有的控制功能都是基于LabVIEW来实现，根据LabVIEW的特点系统程序的内容主要分为三部分：

（1）数据的二次处理：由于LabVIEW 可以与RS-232C、RS-485、数据采集卡等硬件协议兼容，可以进行标准化的数据采集[5]，因此当系统中数据采集卡把实时测量处理后的温度信号通过通信端口送入PC 机后，LabVIEW软件中需要利用数据采集、数据分析、数据显示及数据存储等标准库函数对接收到的数据进行二次处理，因供程序内部使用。

（2）PID 控制：在算法实现方面，对于苛化器温度的控制，由于其实际工艺要求不是非常高，我们采用离散型PID 控制算法，就能达到满意的控制效果，利用PID 控制器的输出u（k）来控制功率调整器，从而实现对苛化器温度的控制。LabVIEW 指令库中有已开发的PID 程序模块，因此在编写时不需要单独编写PID 程序，通过调用LabVIEW提供的PID模块，进行参数设定与整定就可以实现控制。

（3）人机界面：LabVIEW 提供了用户界面功能，与其他画面组态软件功能相似，内置有多种控件和图形元件库[6]。因此设计人机界面时，根据用户使用要求，在LabVIEW 前面板中调用图库中元件和功能控件[7]，就可以方便地创建用户静态画面，画面的动态功能则需要通过编程控制来实现，因此当接收到数据采集卡发来的状态信息和数据时，用户界面中可以更新数据，实时显示温度变化情况，并能在画面窗口中修改PID参数。

基于LabVIEW 温度控制程序把一个完整的主程序分为若干个小的程序或模块，通过使用数据流编程方式建立程序的执行顺序[8]，基于PID控制的程序如图6所示。

图6 基于PID模块的温度控制程序

3 基于LabVIEW的苛化器温度控制系统仿真调试

利用LabVIEW 软件除了可以编写程序，还可以通过创建用户界面直接监控控制对象[9-10]，为本文设计系统的监控画面中不仅可以直接进行PID 参数设定，还可以通过温度实时变化曲线查看控制效果。如图7 所示，经过反复整定后，当KC=8.0，Ti=0.16，Td=0 时，监控曲线显示系统很稳定，与设定值基本一致。

图7 基于LabVIEW的控制系统监控界面

4 结 论

本文基于LabVIEW 的苛化器温度控制仿真系统比传统的PLC 或者单片机控制系统结构简单，程序设计模块化，适应性强，易于实现实时控制。此外通过验证，发现本文设计的系统在阶跃扰动的情况下，也能达到比较好的控制效果。