基于虚拟仪器技术的自动煤质工业分析仪研究

1 前言
　　火电厂发电成本中燃煤费用约占70%，煤质监督管理工作直接关系到电厂的安全经济运行。全国煤炭市场放开以后，电厂燃煤中国家统配煤的比例逐渐下降，小窑煤的比例增加，煤质多变的现象在全国各电厂普遍存在。而随着厂网的分开，降低发电成本成为燃煤电厂的首要任务。为提高锅炉的燃烧效率，实现生产、管理自动化，发电厂有必要准确检测煤质指标，以便调整锅炉的加氧量，及时调整锅炉的热效率，并长期稳定地维持其效率。
　　随着信息科学的不断发展，对信号采集、数据处理、控制操作等的技术要求越来越高，传统的测试分析仪器已越来越不能满足时代的要求，特别是在较为复杂、测试参数较多的场所，其多方面的局限性也就更为突出。电子技术的迅速发展从客观上要求测试分析仪器向自动化、智能化和柔性化方向发展，同时也为测试分析仪器的发展提供了。
　　目前已有的煤质分析仪在扩展性、技术更新、可重用性以及可配置性等方面都有很多不足，一旦设备开发完成，就很难对其进行改进。这些局限性决定了此类设备将被操作更方便、功能更灵活、输出结果更准确、直观的自动化分析仪器所代替。
　　在基于以PC机为硬件核心的自动煤质工业分析仪的设计与开发中引入虚拟仪器技术，可以方便、快速地组成一套综合性能的分析仪器。利用LabVIEW所提供的图形编程环境，针对不同的测试分析对象，编写功能单一的测试虚拟面板，每个面板相当于一台功能单一的测试分析仪，然后把每个面板作为子面板调用，即可组成一台可测多种参数的综合分析仪器。虽然编程思路与通用编程语言相似，但虚拟仪器技术的特点决定了虚拟仪器在操作方便性、界面友好性等方面的突出特点，而且在开发时效上周期更短。通过虚拟仪器技术的引入，可以加快我国在测试分析仪器方面发展，缩短与国外的差距。
2 自动煤质工业分析硬件设计
　　自动煤质工业分析仪的硬件要完成的功能包括模拟量输入信号的采集、数字开关量信号的读取与控制、计算机与分析天平的通讯及称量数据的传送和计算、结果输出等几个部分。
　　其中，模拟量输入信号的采集、数字开关量信号的读取与控制采用的板卡采用了北京阿尔泰公司生产的USB2010数据采集板。该板是一种USB总线兼容的数据采集板，设计有12Bits分辨率的A/D转换器，提供了32路单端或16路双端的模拟输入通道和2路D/A输出通道，A/D转换器输入信号范围:±5V、±10V、0～10V，16路开关量输入，16路开关量输出，提供基于LabVIEW的驱动软件接口模块，与LabVIEW软件平台*兼容，使得编程人员在利用USB接口技术的诸多优点的同时，可以自由的选用方便简易的图形化编程语言LabVIEW。通过USB2010采集板采集到热电偶变送器信号经过换算得到炉温;采集来的氮气、氧气压力和流量信号可实时显示在用户的操作面板上，以便用户判断氮气、氧气瓶状态的正常与否;通过光电检测器的信号来判断样盘转动是否到达零位或样位，以执行下一步称量的操作。对USB2010开关量的输入输出操作用来判断和控制外设的动作，比如自动分析仪的箱盖上升下降，样盘旋转和上升下降，固态继电器的接通和断开，实验过程中启动排气扇和实验结束后启动冷却风扇，氮气、氧气电磁阀的打开关闭，作为动力气源的压缩空气与氧气的切换，还有通过对开关量输入信号的检测判断控制电源、电阻炉电源的接通等。
　　根据分析仪的精度要求和实际情况，选用了德国Sartorius集团下属的北京赛托拉斯仪器系统有限公司生产的BS124S 全自动分析天平。通过计算机的RS-232串口与天平通讯，由软件发出命令对天平清零和读取数据。硬件结构如图2-1所示。

图2-1 硬件结构图
3 自动煤质工业分析软件设计
　　软件设计选用了LabVIEW （Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench—实验室虚拟仪器工程平台） 作为开发平台。该开发软件采用全图形化编程，在计算机屏幕上利用其内含的功能库和开发工具库产生一软面板，用来为测试系统提供输入值并接受其输出值;该面板在外观和操作上模仿有形器件，保持了传统直观的视觉和感观效果，在功能上则与一般惯用的语言程序相同。用户能够很容易地从一个单一前面板控制多台虚拟仪器，并把这个系统作为一台虚拟仪器来看待。LabVIEW内部集成了大量的生成图形界面的模板，如各种开关、旋钮、表头、刻度杆、指示灯等，包含了组成一个仪器所需的主要控件，而且用户也可方便地设计库中没有的控件。
　　煤的工业分析，又叫煤的技术分析或实用分析，是评价煤质的基本依据。在国家标准中，煤的工业分析包括煤的水分、灰分、挥发分和固定碳等指标的测定。通常煤的水分、灰分、挥发分是直接测出的，而固定碳是用差减法计算出来的。利用热重分析测定煤的工业分析流程是先测煤样的水分，然后测挥发分，再测灰分，国内外的仪器均如此，差异在于加热温度和升温速率。
　　根据煤质分析仪需要实现的功能及LabVIEW的编程特点，软件部分共设计了12个子模块，包括：模拟量输入模块、数字开关量输入输出模块、数据库模块、串口参数设置模块、串口通讯模块，参数设置模块、温度测量模块、水分测量模块、挥发分测量模块、灰分测量模块、计算结果模块、后台数据库和结果数据库模块。软件结构如图3-1，程序主面板如图3-2。

图3-1软件系统组成图

图3-2采用LabVIEW编程得到的前面板
4 煤质分析流程
　　在用户准备好实验相关事宜（如预先干燥过的干净空坩埚、粒度小于0.2mm的空气干燥煤样、外设等）后，则可以点击“运行”按钮运行本软件。根据实际情况，这里需要用户在*次运行本软件时对参数进行设置。用户可选择菜单中的设置项的下一级菜单参数设置，这时会弹出一个界面，要求用户设定氮气、氧气压力和流量的上、下限，当氮气、氧气的压力和流量值超过设定的界限，则系统认为不安全，弹出对话框提示并停止所有的实验过程。还需设置是用氧气或者压缩空气做动力气源来推动分析仪箱盖的上升和下降，以及是否在实验过程中启动排气扇排气。在*次设置以后运行程序进行实验无需再设置，除非实际情况跟*次设置有变。
　　用户点击“开始实验”按钮或者在菜单中选择“开始实验”就可以进行实验。需要说明的是，图3-2界面上的表格开始时是隐藏的，取而代之的是形象的转盘和坩埚图。只有在实验开始进行测量坩埚时这个表格才显示出来并将数据显示在表格相应的地方，而且试样名称一列是由用户根据所做实验的煤样的具体情况输入的。只有在选择开始实验后，界面上的中止实验、结束实验和计算结果按钮才可选。主界面上的当前状态栏会实时显示当前实验进行的步骤，比如在测第几号坩埚的什么项目。实验初期，软件会通过开关量输入输出模块中的控制电源检测输入信号返回值，自动检测控制电源的工作情况。如果正常可进行下一步实验，否则弹出对话框提示用户检查控制电源。然后判断分析仪的箱盖是否打开让用户放入坩埚，如果没有打开则控制箱盖上升打开箱盖，当箱盖*打开后停止动作，并提示用户放入本次实验的空坩埚。同时，通过调用串口通讯模块发清零指令给天平，并等天平返回值小于0.0003则认为清零成功进入下一步。
　　待用户放入了实验空坩埚并点击“确认”后，分析仪的箱盖自动关闭。首先检测样盘是否已经提升，如否则控制样盘上升至提升到位。然后旋转样盘寻找零位（用于定义坩埚顺序），找到零位后从零位开始每次检测到样位（即坩埚放置的位置）时停止样盘旋转并放下样盘，使坩埚的重量落在天平上，此时就可通过串口通讯读天平数据。如此反复直至称量全部空坩埚重量。每一个空坩埚的质量数据都可显示在图3-2的界面表上的相应位置。
　　空坩埚的质量测量完成后，分析仪的箱盖自动打开，弹出对话框提示用户加煤样。一般加入的煤样质量在1g左右。加入煤样后用户点击对话框的“确定”按钮，则进入测量煤样的质量阶段。其过程跟测量空坩埚相同。测量结束后，结果数据（每个坩埚都是减去了空坩埚的原始重量）也会显示在界面上的表格中。
　　接着是由用户选择本次实验需要测试的项目，可以是水分、挥发分、灰分、水分和灰分、水分和挥发分、挥发分和灰分或者工业全分析（即分析全部三项）。如单独选择一项或者两项，则实验时间可以大大缩短。需要说明的是，如果单独选择挥发分，这里实验还是从测量水分开始做起，因为要得到挥发分的百分含量，单单实验升温到（900 10）℃做，这时煤样质量的减少包括了水分减少这一块，其中必须得除去水分的百分含量数据。在选择挥发分和灰分实验也是同理的。测量水分、挥发分和灰分的模块是相互独立的，选择需要的分析项目则调用相应的模块进行实验。实验时分析仪按升温、恒温、称量（实验时的温度，恒温时间参数等均严格按照GB212-2001《煤的工业分析方法》的规定）的顺序得到对应的质量数据并显示在界面中的表格里。
　　本自动煤质工业分析仪是一个自动化程度非常高的仪器，在测量开始后，用户基本上可以不必介入，软件自动进行每一步操作，并在异常情况出现时能提醒用户，如箱盖打开/关闭不正常、样盘上升/下降不正常、天平读取数据出错都会弹出对话框提醒用户采取手动调整。当分析实验进行完成，则用户可选择计算结果进入计算结果模块。用户需要根据经验和煤质的实际情况输入一些参数如氢系数、发热量系数等经验系数，之后按照GB212-2001《煤的工业分析方法》中定义的相关公式计算分析结果。同时保存在结果数据库中以备查询、打印等操作。
5　结论
　　本文作者创新点在于将虚拟仪器技术应用到煤质工业分析领域，将虚拟仪器与传统的煤质热重分析技术结合，这样大大简化了硬件的连接和控制设计，方便操作人员维护和管理。同时采用虚拟的仪器面板代替传统的真实的仪器，降低了系统成本，提高了实验效率，增强了系统的灵活性和扩展性，方便操作人员实验。