基于LabVIEW的樣品前處理預(yù)濃縮系統(tǒng)設(shè)計

（天津迪蘭奧特環(huán)保科技開發(fā)有限公司，天津 300191）

0 引言

在人們開始日益關(guān)注生活品質(zhì)的今天，檢測并處理這些空氣中揮發(fā)性有機(jī)物已經(jīng)刻不容緩。然而，在空氣中存在的VOCs大部分都是微量級的，對其檢測存在很大困難。針對上述問題文中對空氣試樣進(jìn)行了前處理，采用低溫吸附濃縮/熱脫附技術(shù)。

整個系統(tǒng)包括3個子系統(tǒng)，分別由研華數(shù)據(jù)采集卡4711A、智能溫控儀表FB400和寶德質(zhì)量流量控制器組成，數(shù)據(jù)采集主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的總體控制、狀態(tài)判別和系統(tǒng)的輸出功能。文中采用一種通過LabVIEW和OPC（OLE for Process Control，用于過程控制的OLE）技術(shù)實(shí)現(xiàn)了LabVIEW與智能儀表和寶德質(zhì)量流量控制器的通訊，實(shí)現(xiàn)計算機(jī)對下位機(jī)硬件的遠(yuǎn)程控制[1]。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在樣品氣前處理過程中，對溫度和流量的控制至關(guān)重要，因?yàn)轭A(yù)濃縮系統(tǒng)主要是低溫吸附高溫脫附，吸附和脫附的品質(zhì)好壞直接決定前處理的質(zhì)量，整個系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)

本樣品前處理預(yù)濃縮系統(tǒng)采用半導(dǎo)體制冷的低溫吸附，低溫部分采用六級半導(dǎo)體制冷片，其理論溫差為104℃，但由于使用中有熱量損失問題，實(shí)際實(shí)驗(yàn)中在室溫為25℃的情況下冷端可達(dá)到-50℃，基本滿足低溫吸附條件要求。高溫脫附環(huán)節(jié)，采用2520材質(zhì)的鎳鎘合金加熱絲加熱，升溫速率可在5℃/s。低溫制冷和高溫加熱都是由智能溫度控制器FB400實(shí)現(xiàn)的，F(xiàn)B400是具有高低溫PID參數(shù)自整定的高精度溫度控制器。

本系統(tǒng)采用模擬量對其進(jìn)行控制，由于采集卡4711A只能輸入輸出電壓信號，需要采用研華數(shù)據(jù)采集卡ADAM4024，這種數(shù)據(jù)采集卡支持485通訊協(xié)議，支持標(biāo)準(zhǔn)Modbus RTU通訊協(xié)議。由于智能溫控儀表FB400與研華數(shù)據(jù)采集卡ADAM4024都支持Modbus通訊，上位機(jī)又采用LabVIEW軟件。

2 基于LabVIEW實(shí)現(xiàn)對OPC Server的訪問

本系統(tǒng)采用NI OPC Server軟件作為OPC客戶端進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。通過共享變量讀取OPC中的變量方法有3種。第一種方法是直接通過前面板綁定。第二種方法利用DSC模塊提供的事件方法。當(dāng)檢測到共享變量OPC標(biāo)簽值發(fā)生變化時就會觸發(fā)事件，通過對該事件的編程就能讀到OPC的標(biāo)簽值。第二種方法通過事件方法，當(dāng)系統(tǒng)的OPC Server出現(xiàn)通訊中斷時，程序并不需要輪詢的方式去不停地讀取OPC的值。第三種方法是將建好的共享變量拖動到VI后面板，通過DataSocket直接訪問OPC的值，且通訊中斷會第一時間返回錯誤提示，易于處理[2]。主控軟件界面如圖2所示。

圖2 主控軟件界面

LabVIEW及USB4711A數(shù)據(jù)采集卡及輔助電路控制所有部件的運(yùn)行，具體工作流程如下。

（1）采樣。兩位三通電磁閥設(shè)置在真空泵鏈接位置，把進(jìn)樣口的電磁閥設(shè)置在樣品氣鏈接打開位置，啟動真空泵，大氣樣品在負(fù)壓作用下通過低溫的吸附管，樣品氣中的揮發(fā)性有機(jī)物及硫化物和氨就被富集在吸附填料內(nèi)。

（2）熱解析。關(guān)閉真空泵，打開制冷艙和加熱艙之間的隔板，操作直線電機(jī)使吸附管貼到加熱塊上，吸附管內(nèi)部熱解析溫度達(dá)到300℃，然后通過兩位三通閥設(shè)置在載氣的連接位置，載氣位置的電磁閥打開，兩位三通閥設(shè)置在檢測裝置位置，載氣反吹吸附管，熱解析組分隨載氣進(jìn)入檢測裝置檢測其組分濃度。

（3）自清洗。熱解析進(jìn)樣及脫附完成后，將載氣部分的電磁閥打開，兩位三通電磁閥設(shè)置到清洗位置，通過載氣吹掃吸附管，殘余的被吸附物質(zhì)隨載氣放空。

在上位機(jī)主控軟件界面中，“流量控制”為質(zhì)量流量控制器MFC8711子系統(tǒng)的設(shè)定值和當(dāng)前值顯示功能。左側(cè)為系統(tǒng)各個運(yùn)行狀態(tài)的運(yùn)行時間，通過對系統(tǒng)進(jìn)樣、脫附等時間和質(zhì)量流量控制器的流量的監(jiān)控，可以得出一個近似的理論濃縮倍數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)一定范圍內(nèi)的任意倍數(shù)的樣品預(yù)濃縮。右側(cè)為各個系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，可以實(shí)時監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，便于系統(tǒng)調(diào)試。當(dāng)系統(tǒng)的相關(guān)程序運(yùn)行的時候，系統(tǒng)計時功能會記錄系統(tǒng)處于這種狀態(tài)的時間。其中應(yīng)用到OPC技術(shù)通訊的主要是溫度的實(shí)際值、設(shè)定值、溫控儀表的PID參數(shù)和ADAM4024即兩個質(zhì)量流量控制器的流量當(dāng)前值與設(shè)定值的相關(guān)參數(shù)，在OPC設(shè)定變量如圖3所示。

圖3 OPC變量設(shè)定

在系統(tǒng)設(shè)置時，首先設(shè)定好端口號、波特率等串口參數(shù)，系統(tǒng)運(yùn)行時會自動打開OPC Servers，通過OPC實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊完成溫度和流量的控制。系統(tǒng)程序啟動時具有調(diào)試功能，可以根據(jù)自己的調(diào)試需要打開或關(guān)斷電磁閥或質(zhì)量流量控制器來進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)證明，本系統(tǒng)在樣品前處理預(yù)濃縮過程中，苯乙烯濃縮倍數(shù)可以實(shí)現(xiàn)50倍以上，對苯乙烯樣品的檢測具有重要意義[3]。

3 結(jié)束語

通過對苯乙烯氣體的濃縮實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，LabVIEW中DSC模塊自帶的OPC Server與FB400和研華數(shù)據(jù)采集卡ADAM4024實(shí)時通訊可靠。此系統(tǒng)性能穩(wěn)定，提高了預(yù)濃縮總體設(shè)備操作的簡便性和靈活性及自動化水平。采用LabVIEW虛擬儀器軟件開發(fā)平臺在測控系統(tǒng)和自動化系統(tǒng)領(lǐng)域有廣闊的前景。