周全，李佳，許振明

0 引言

虛擬儀器這一概念由美國(guó)NI（National Instrument）公司在20世紀(jì)80年代中期提出，虛擬儀器是指以計(jì)算機(jī)為載體的統(tǒng)一的自動(dòng)化測(cè)量與控制系統(tǒng)，用來(lái)對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的各種物理量進(jìn)行測(cè)量或者對(duì)物理過(guò)程進(jìn)行控制。其中最有代表性的是NI公司的LabVIEW（laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench），它使用的圖形編程語(yǔ)言，消除了傳統(tǒng)的代碼行編程中涉及的諸多語(yǔ)法細(xì)節(jié)，大大縮短了程序開發(fā)時(shí)間，有助于在短時(shí)間內(nèi)解決多種問(wèn)題。

隨著現(xiàn)代科技的迅猛發(fā)展，人類面臨的環(huán)境問(wèn)題日趨嚴(yán)峻，國(guó)家也已經(jīng)將環(huán)境保護(hù)確定為基本國(guó)策之一。中國(guó)環(huán)境保護(hù)部2009年6月公布的《中國(guó)環(huán)境狀況公報(bào)》中提到，“2008年，全國(guó)工業(yè)固體廢物產(chǎn)生量為190127萬(wàn)噸，比上年增加8.3%，其中危險(xiǎn)廢物為1357萬(wàn)噸?！睘榻鉀Q目前面臨的環(huán)境問(wèn)題，無(wú)論是加強(qiáng)環(huán)境監(jiān)控或開發(fā)更高效的廢物處理系統(tǒng)，都需要更先進(jìn)的測(cè)量和控制系統(tǒng)的支撐。LabVIEW高效的圖形編程語(yǔ)言、強(qiáng)大的數(shù)據(jù)采集和控制功能極好地滿足了此種需求，國(guó)內(nèi)外目前已經(jīng)有部分研究人員使用LabVIEW來(lái)進(jìn)行環(huán)境監(jiān)控或開發(fā)廢物處理系統(tǒng)[1]。

電路板是電子和信息工業(yè)的基礎(chǔ)，幾乎應(yīng)用于所有電子電氣產(chǎn)品中。隨著現(xiàn)代社會(huì)對(duì)電子產(chǎn)品的廣泛使用和技術(shù)革新導(dǎo)致的產(chǎn)品快速更新?lián)Q代，廢舊電路板急劇增加。廢舊電路板中含大量的稀、貴金屬和銅等，具有很高的資源利用價(jià)值。同時(shí)，由于廢舊電路板結(jié)構(gòu)和成分復(fù)雜，含有大量有毒有害物質(zhì)，若不采用環(huán)境友好方式處理，將對(duì)自然環(huán)境和人體健康造成嚴(yán)重威脅。目前，廢舊電路板回收處理技術(shù)比較落后，對(duì)自然環(huán)境造成了嚴(yán)重的污染，急需建立一套科學(xué)、高效、環(huán)境友好的處置和回收技術(shù)。本課題組采用的高壓靜電分選技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)破碎廢舊電路板中金屬和非金屬的物理分離，并具有高效、低耗、環(huán)境友好等顯著優(yōu)點(diǎn)，是目前廢棄電路板的無(wú)害化處理和資源化利用先進(jìn)技術(shù)之一[2，3]。實(shí)驗(yàn)室自行開發(fā)的分選系統(tǒng)前期研究工作均是采用批次進(jìn)料，而在工業(yè)實(shí)際應(yīng)用中設(shè)備是連續(xù)進(jìn)料、不間斷運(yùn)行的，目前在連續(xù)進(jìn)料運(yùn)行情況下，國(guó)內(nèi)外對(duì)分選過(guò)程穩(wěn)定狀態(tài)的研究仍處于空白階段；同時(shí)系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)對(duì)質(zhì)量有完全的把握，生產(chǎn)最經(jīng)濟(jì)，因而穩(wěn)態(tài)是生產(chǎn)追求的目標(biāo)。為更好地反映工業(yè)實(shí)際情況、滿足工業(yè)化穩(wěn)定生產(chǎn)需求，本文在實(shí)驗(yàn)室原有系統(tǒng)的基礎(chǔ)上利用LabVIEW開發(fā)出監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以監(jiān)測(cè)連續(xù)運(yùn)行時(shí)分選過(guò)程的運(yùn)行狀態(tài)。

1 基于LabVIEW的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

本文采用實(shí)驗(yàn)室自行研制的廢棄印刷電路板靜電分選系統(tǒng)，系統(tǒng)示意圖如圖1（a）所示。在這一系統(tǒng)中，廢舊電路板經(jīng)過(guò)破碎達(dá)到一定粒徑后，將導(dǎo)體與非導(dǎo)體的混合顆粒物料輸送到高壓靜電分離設(shè)備。在電場(chǎng)力、重力和離心力的共同作用下，實(shí)現(xiàn)金屬和非金屬顆粒的分離。由于各種原因無(wú)法正常進(jìn)入導(dǎo)體或非導(dǎo)體產(chǎn)物收集區(qū)的顆粒則進(jìn)入中間體收集區(qū)。由于中間體質(zhì)量同時(shí)反映了導(dǎo)體與非導(dǎo)體產(chǎn)物的分離情況，分選過(guò)程的中間體量越少，金屬和非金屬的回收率越高，分選效率越高，因此它是評(píng)價(jià)分選過(guò)程是否穩(wěn)定與效率高低的指標(biāo)[4，5]。本文即是通過(guò)LabVIEW對(duì)中間體質(zhì)量增長(zhǎng)情況進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣和分析。

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)框圖如圖1（b）所示。傳感器采用量程為2000g、靈敏度為0.1g的重量傳感器，信號(hào)調(diào)理器采用正佳自控的ZJ-7100B儀表，傳輸信號(hào)為4-20mA的電流信號(hào)。數(shù)據(jù)采集卡采用NI的PXI-6236數(shù)據(jù)采集卡來(lái)實(shí)現(xiàn)模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，該采集卡支持4路模擬輸入/4路模擬輸出，以及6路數(shù)字輸入/4路數(shù)字輸出。分選系統(tǒng)開始工作時(shí)，利用信號(hào)調(diào)理器將重量傳感器實(shí)時(shí)采集的信號(hào)調(diào)理后，傳到數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，再通過(guò)express接口輸入計(jì)算機(jī)。LabVIEW編寫的程序（VI）對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析、計(jì)算后繪制出控制圖。

圖1 系統(tǒng)示意圖

2 LabVIEW程序開發(fā)

2.1 信號(hào)的采集及保存

本實(shí)驗(yàn)采集的信號(hào)對(duì)象是靜電分選過(guò)程中的中間體產(chǎn)物質(zhì)量。在LabVIEW 中，數(shù)據(jù)采集被稱作DAQ（Data Acquisition），在本實(shí)驗(yàn)中采用LabVIEW 提供的DAQ Assistant（DAQ 助手）VI。由于被測(cè)對(duì)象變化較慢，因此只需將每隔采集一次的數(shù)據(jù)與上次作對(duì)比，即可得出間隔內(nèi)中間體產(chǎn)物質(zhì)量的增量。設(shè)通過(guò)DAQ Assistant采集的數(shù)據(jù)依次為則有tΔ時(shí)間內(nèi)的增量依次為

采樣部分的程序框圖如圖2所示，F(xiàn)or循環(huán)嵌套在While循環(huán)中，其循環(huán)次數(shù)設(shè)定為1，循環(huán)間隔時(shí)間設(shè)為60秒。當(dāng)While循環(huán)開始運(yùn)行后，每隔秒運(yùn)行一次For循環(huán)。DAQ Assistant采用N采樣，采樣頻率為10K Hz，每次讀取采樣數(shù)為1K，采樣壓縮因子設(shè)為1K。即每運(yùn)行一次For循環(huán)，從傳感器中讀取1K個(gè)采樣數(shù)據(jù)，再將這1K個(gè)數(shù)據(jù)壓縮成1個(gè)點(diǎn)。由于質(zhì)量增加相當(dāng)緩慢，可以認(rèn)為這0.1秒內(nèi)的平均質(zhì)量即是此刻中間體的質(zhì)量。一次采樣完成后，通過(guò)移位寄存器與上一次采樣值相減得出增量，本次For循環(huán)結(jié)束，得出的質(zhì)量增量輸出并依次寫入測(cè)量文件，同時(shí)通過(guò)Build Array（創(chuàng)建數(shù)組）VI依次添加到數(shù)組中進(jìn)行后續(xù)處理。當(dāng)前中間體總質(zhì)量與Weight Limit（中間體總質(zhì)量上限）輸入值進(jìn)行比較，如超重則聲音報(bào)警。

圖2 信號(hào)采集與保存部分程序框圖

2.2 信號(hào)分析及檢測(cè)報(bào)警處理

為檢測(cè)中間體產(chǎn)量是否穩(wěn)定，采用了單值-移動(dòng)極差統(tǒng)計(jì)過(guò)程控制圖來(lái)進(jìn)行分析與判斷。統(tǒng)計(jì)過(guò)程控制即是應(yīng)用統(tǒng)計(jì)技術(shù)對(duì)過(guò)程進(jìn)行控制，以達(dá)到改進(jìn)保證產(chǎn)品質(zhì)量的目的。我國(guó)目前已經(jīng)有相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4091-2001《常規(guī)控制圖》，控制圖上有中心線（CL）、上控制線（UCL）和下控制線（LCL），使用按時(shí)間順序抽取的樣本數(shù)據(jù)依次描點(diǎn)繪圖，如果控制圖中的描點(diǎn)落在UCL和LCL之外即可認(rèn)為出現(xiàn)了異常情況。其中：

單值X由公式（1）得出

平均值

移動(dòng)極差

平均移動(dòng)極差

利用常規(guī)控制圖的3σ方式，根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，有單值X控制限：

移動(dòng)極差mR控制限：

本程序關(guān)鍵部分是分析與顯示功能，單值X的分析與顯示程序框圖如圖3（a）所示，移動(dòng)極差mR的分析與顯示框圖與之相同。在這一部分，調(diào)用DSC編程模塊中的individual X-mR（單值-移動(dòng)極差）VI來(lái)分析處理公式（1）生成的數(shù)組，利用公式（5）和（6）計(jì)算出中心線、上控制線和下控制線。最后通過(guò)Draw Control Chart（繪制控制圖）VI繪制出控制圖。在程序編寫中利用Check Control Limits（檢查控制線）VI加入了判斷是否超出控制線的功能。本程序?qū)崿F(xiàn)了兩種方式的報(bào)警：（1）目前得到的數(shù)據(jù)點(diǎn)超出控制線（2）歷史上有數(shù)據(jù)點(diǎn)超出控制線。考慮到實(shí)際運(yùn)行時(shí)前3個(gè)點(diǎn)的不穩(wěn)定性，所以使用前面板輸入Indices to ignore（需剔除的采樣點(diǎn)）配合Delete form Array（從數(shù)組中刪除）VI在計(jì)算控制線以及判斷是否有點(diǎn)超出控制線時(shí)剔除這3個(gè)點(diǎn)。此外，程序加入了事件結(jié)構(gòu)，其程序框圖如圖3（b）所示。該并行運(yùn)行的程序通過(guò)捕捉前面板上的鼠標(biāo)動(dòng)作改變布爾型中間變量值，同時(shí)結(jié)束所有While循環(huán)。

圖3 程序框圖

3 監(jiān)測(cè)軟件人機(jī)交互界面實(shí)現(xiàn)

監(jiān)測(cè)軟件前面板人機(jī)交互界面如圖4所示，該界面包括以下內(nèi)容：

（1）參數(shù)輸入?yún)^(qū)域。其中Weight Limit可設(shè)定中間體產(chǎn)物總質(zhì)量上限，DAQ period可設(shè)定采樣周期，n: sample size可設(shè)定計(jì)算mR時(shí)所用數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)，indices to ignore可設(shè)定需剔除的采樣點(diǎn)。

（2）單值-移動(dòng)極差控制圖顯示區(qū)域。X: control chart和 mR: control chart分別顯示的是單值與移動(dòng)極差的控制圖。紅色虛線代表上控制線與下控制線，藍(lán)色實(shí)線代表均值。

（3）控制圖監(jiān)測(cè)值顯示區(qū)域。以X顯示區(qū)域?yàn)槔?，X顯示了當(dāng)前單值X的值，X: control chart lines則顯示了實(shí)時(shí)計(jì)算出的控制線。如果當(dāng)前值超出控制線，X:Out of control now?警示燈則會(huì)變紅同時(shí)發(fā)出聲音報(bào)警。同時(shí)本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)還有歷史數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)功能，如果有歷史數(shù)據(jù)超出此時(shí)控制線，則X:Points exceeded limits 警示燈會(huì)變紅，同時(shí)下方的X: out of control points會(huì)按超出控制線的程度列出超出控制線數(shù)據(jù)的序號(hào)。mR顯示區(qū)域功能與X顯示區(qū)域相同。

（4）其他功能區(qū)。Total Weight顯示了此時(shí)中間體總質(zhì)量，若超出Weight Limit設(shè)定的最大值則會(huì)報(bào)警提醒清理中間體收集區(qū)；# individuals in calc顯示了當(dāng)前計(jì)算并顯示的數(shù)據(jù)序號(hào)；Stop按鈕與指示燈則顯示了此時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)并能停止系統(tǒng)。

圖4 監(jiān)測(cè)軟件人機(jī)交互界面

圖4同時(shí)展示了在生產(chǎn)過(guò)程中監(jiān)測(cè)過(guò)程穩(wěn)定性的單值-移動(dòng)極差控制圖以及實(shí)時(shí)計(jì)算的數(shù)據(jù)。中間體質(zhì)量上限設(shè)為1000g，采樣間隔為60秒，剔除前3個(gè)點(diǎn)。人機(jī)交互界面右側(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)進(jìn)料速度為每分鐘40g時(shí)，中間體質(zhì)量每分鐘增量平均值為1.4g，左側(cè)控制圖部分顯示，所有的數(shù)據(jù)點(diǎn)均處于控制線內(nèi)。實(shí)驗(yàn)證明（1）靜電分選系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行（2）本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能連續(xù)監(jiān)測(cè)靜電分選系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定情況，能夠做到數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集及同步分析處理。

4 總結(jié)

本文基于LabVIEW和NI DSC模塊豐富的過(guò)程處理功能，設(shè)計(jì)出了靜電分選中間體實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能很好地完成數(shù)據(jù)采集與分析處理工作，充分發(fā)揮了虛擬儀器在數(shù)據(jù)與處理方面的優(yōu)點(diǎn)。硬件方面通過(guò)信號(hào)調(diào)理器將傳感器與PXI-6236數(shù)據(jù)采集卡連接起來(lái)，形成了完整的采集系統(tǒng)；軟件方面通過(guò)在LabVIEW圖形編程環(huán)境下編寫程序，很好地實(shí)現(xiàn)了對(duì)分選過(guò)程的監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、高效，能夠做到針對(duì)連續(xù)進(jìn)料情況的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，相較以前的批次進(jìn)料提升了處理效率，對(duì)過(guò)程穩(wěn)定性的監(jiān)測(cè)也滿足了工業(yè)化穩(wěn)定生產(chǎn)的要求。

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