基于LabVIEW的样品前处理预浓缩系统设计

2018-05-06

今日自动化 2018年3期

（天津迪兰奥特环保科技开发有限公司，天津 300191）

0 引言

在人们开始日益关注生活品质的今天，检测并处理这些空气中挥发性有机物已经刻不容缓。然而，在空气中存在的VOCs大部分都是微量级的，对其检测存在很大困难。针对上述问题文中对空气试样进行了前处理，采用低温吸附浓缩/热脱附技术。

整个系统包括3个子系统，分别由研华数据采集卡4711A、智能温控仪表FB400和宝德质量流量控制器组成，数据采集主要实现系统的总体控制、状态判别和系统的输出功能。文中采用一种通过LabVIEW和OPC（OLE for Process Control，用于过程控制的OLE）技术实现了LabVIEW与智能仪表和宝德质量流量控制器的通讯，实现计算机对下位机硬件的远程控制[1]。

1 系统结构

在样品气前处理过程中，对温度和流量的控制至关重要，因为预浓缩系统主要是低温吸附高温脱附，吸附和脱附的品质好坏直接决定前处理的质量，整个系统的控制结构图如图1所示。

图1 系统控制结构

本样品前处理预浓缩系统采用半导体制冷的低温吸附，低温部分采用六级半导体制冷片，其理论温差为104℃，但由于使用中有热量损失问题，实际实验中在室温为25℃的情况下冷端可达到-50℃，基本满足低温吸附条件要求。高温脱附环节，采用2520材质的镍镉合金加热丝加热，升温速率可在5℃/s。低温制冷和高温加热都是由智能温度控制器FB400实现的，FB400是具有高低温PID参数自整定的高精度温度控制器。

本系统采用模拟量对其进行控制，由于采集卡4711A只能输入输出电压信号，需要采用研华数据采集卡ADAM4024，这种数据采集卡支持485通讯协议，支持标准Modbus RTU通讯协议。由于智能温控仪表FB400与研华数据采集卡ADAM4024都支持Modbus通讯，上位机又采用LabVIEW软件。

2 基于LabVIEW实现对OPC Server的访问

本系统采用NI OPC Server软件作为OPC客户端进行数据通讯。通过共享变量读取OPC中的变量方法有3种。第一种方法是直接通过前面板绑定。第二种方法利用DSC模块提供的事件方法。当检测到共享变量OPC标签值发生变化时就会触发事件，通过对该事件的编程就能读到OPC的标签值。第二种方法通过事件方法，当系统的OPC Server出现通讯中断时，程序并不需要轮询的方式去不停地读取OPC的值。第三种方法是将建好的共享变量拖动到VI后面板，通过DataSocket直接访问OPC的值，且通讯中断会第一时间返回错误提示，易于处理[2]。主控软件界面如图2所示。

图2 主控软件界面

LabVIEW及USB4711A数据采集卡及辅助电路控制所有部件的运行，具体工作流程如下。

（1）采样。两位三通电磁阀设置在真空泵链接位置，把进样口的电磁阀设置在样品气链接打开位置，启动真空泵，大气样品在负压作用下通过低温的吸附管，样品气中的挥发性有机物及硫化物和氨就被富集在吸附填料内。

（2）热解析。关闭真空泵，打开制冷舱和加热舱之间的隔板，操作直线电机使吸附管贴到加热块上，吸附管内部热解析温度达到300℃，然后通过两位三通阀设置在载气的连接位置，载气位置的电磁阀打开，两位三通阀设置在检测装置位置，载气反吹吸附管，热解析组分随载气进入检测装置检测其组分浓度。

（3）自清洗。热解析进样及脱附完成后，将载气部分的电磁阀打开，两位三通电磁阀设置到清洗位置，通过载气吹扫吸附管，残余的被吸附物质随载气放空。

在上位机主控软件界面中，“流量控制”为质量流量控制器MFC8711子系统的设定值和当前值显示功能。左侧为系统各个运行状态的运行时间，通过对系统进样、脱附等时间和质量流量控制器的流量的监控，可以得出一个近似的理论浓缩倍数，从而实现一定范围内的任意倍数的样品预浓缩。右侧为各个系统的运行状态，可以实时监控系统的运行状态，便于系统调试。当系统的相关程序运行的时候，系统计时功能会记录系统处于这种状态的时间。其中应用到OPC技术通讯的主要是温度的实际值、设定值、温控仪表的PID参数和ADAM4024即两个质量流量控制器的流量当前值与设定值的相关参数，在OPC设定变量如图3所示。

图3 OPC变量设定

在系统设置时，首先设定好端口号、波特率等串口参数，系统运行时会自动打开OPC Servers，通过OPC实现数据通讯完成温度和流量的控制。系统程序启动时具有调试功能，可以根据自己的调试需要打开或关断电磁阀或质量流量控制器来进行系统调试。经过实验证明，本系统在样品前处理预浓缩过程中，苯乙烯浓缩倍数可以实现50倍以上，对苯乙烯样品的检测具有重要意义[3]。