周全，李佳，许振明

0 引言

虚拟仪器这一概念由美国NI（National Instrument）公司在20世纪80年代中期提出，虚拟仪器是指以计算机为载体的统一的自动化测量与控制系统，用来对现实世界的各种物理量进行测量或者对物理过程进行控制。其中最有代表性的是NI公司的LabVIEW（laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench），它使用的图形编程语言，消除了传统的代码行编程中涉及的诸多语法细节，大大缩短了程序开发时间，有助于在短时间内解决多种问题。

随着现代科技的迅猛发展，人类面临的环境问题日趋严峻，国家也已经将环境保护确定为基本国策之一。中国环境保护部2009年6月公布的《中国环境状况公报》中提到，“2008年，全国工业固体废物产生量为190127万吨，比上年增加8.3%，其中危险废物为1357万吨。”为解决目前面临的环境问题，无论是加强环境监控或开发更高效的废物处理系统，都需要更先进的测量和控制系统的支撑。LabVIEW高效的图形编程语言、强大的数据采集和控制功能极好地满足了此种需求，国内外目前已经有部分研究人员使用LabVIEW来进行环境监控或开发废物处理系统[1]。

电路板是电子和信息工业的基础，几乎应用于所有电子电气产品中。随着现代社会对电子产品的广泛使用和技术革新导致的产品快速更新换代，废旧电路板急剧增加。废旧电路板中含大量的稀、贵金属和铜等，具有很高的资源利用价值。同时，由于废旧电路板结构和成分复杂，含有大量有毒有害物质，若不采用环境友好方式处理，将对自然环境和人体健康造成严重威胁。目前，废旧电路板回收处理技术比较落后，对自然环境造成了严重的污染，急需建立一套科学、高效、环境友好的处置和回收技术。本课题组采用的高压静电分选技术，可以实现破碎废旧电路板中金属和非金属的物理分离，并具有高效、低耗、环境友好等显著优点，是目前废弃电路板的无害化处理和资源化利用先进技术之一[2，3]。实验室自行开发的分选系统前期研究工作均是采用批次进料，而在工业实际应用中设备是连续进料、不间断运行的，目前在连续进料运行情况下，国内外对分选过程稳定状态的研究仍处于空白阶段；同时系统处于稳定状态时对质量有完全的把握，生产最经济，因而稳态是生产追求的目标。为更好地反映工业实际情况、满足工业化稳定生产需求，本文在实验室原有系统的基础上利用LabVIEW开发出监测系统，以监测连续运行时分选过程的运行状态。

1 基于LabVIEW的在线监测系统设计方案

本文采用实验室自行研制的废弃印刷电路板静电分选系统，系统示意图如图1（a）所示。在这一系统中，废旧电路板经过破碎达到一定粒径后，将导体与非导体的混合颗粒物料输送到高压静电分离设备。在电场力、重力和离心力的共同作用下，实现金属和非金属颗粒的分离。由于各种原因无法正常进入导体或非导体产物收集区的颗粒则进入中间体收集区。由于中间体质量同时反映了导体与非导体产物的分离情况，分选过程的中间体量越少，金属和非金属的回收率越高，分选效率越高，因此它是评价分选过程是否稳定与效率高低的指标[4，5]。本文即是通过LabVIEW对中间体质量增长情况进行实时采样和分析。

实验系统框图如图1（b）所示。传感器采用量程为2000g、灵敏度为0.1g的重量传感器，信号调理器采用正佳自控的ZJ-7100B仪表，传输信号为4-20mA的电流信号。数据采集卡采用NI的PXI-6236数据采集卡来实现模拟量到数字量的转换，该采集卡支持4路模拟输入/4路模拟输出，以及6路数字输入/4路数字输出。分选系统开始工作时，利用信号调理器将重量传感器实时采集的信号调理后，传到数据采集卡进行模数转换，再通过express接口输入计算机。LabVIEW编写的程序（VI）对信号进行分析、计算后绘制出控制图。

图1 系统示意图

2 LabVIEW程序开发

2.1 信号的采集及保存

本实验采集的信号对象是静电分选过程中的中间体产物质量。在LabVIEW 中，数据采集被称作DAQ（Data Acquisition），在本实验中采用LabVIEW 提供的DAQ Assistant（DAQ 助手）VI。由于被测对象变化较慢，因此只需将每隔采集一次的数据与上次作对比，即可得出间隔内中间体产物质量的增量。设通过DAQ Assistant采集的数据依次为则有tΔ时间内的增量依次为

采样部分的程序框图如图2所示，For循环嵌套在While循环中，其循环次数设定为1，循环间隔时间设为60秒。当While循环开始运行后，每隔秒运行一次For循环。DAQ Assistant采用N采样，采样频率为10K Hz，每次读取采样数为1K，采样压缩因子设为1K。即每运行一次For循环，从传感器中读取1K个采样数据，再将这1K个数据压缩成1个点。由于质量增加相当缓慢，可以认为这0.1秒内的平均质量即是此刻中间体的质量。一次采样完成后，通过移位寄存器与上一次采样值相减得出增量，本次For循环结束，得出的质量增量输出并依次写入测量文件，同时通过Build Array（创建数组）VI依次添加到数组中进行后续处理。当前中间体总质量与Weight Limit（中间体总质量上限）输入值进行比较，如超重则声音报警。

图2 信号采集与保存部分程序框图

2.2 信号分析及检测报警处理

为检测中间体产量是否稳定，采用了单值-移动极差统计过程控制图来进行分析与判断。统计过程控制即是应用统计技术对过程进行控制，以达到改进保证产品质量的目的。我国目前已经有相关国家标准GB/T 4091-2001《常规控制图》，控制图上有中心线（CL）、上控制线（UCL）和下控制线（LCL），使用按时间顺序抽取的样本数据依次描点绘图，如果控制图中的描点落在UCL和LCL之外即可认为出现了异常情况。其中：

单值X由公式（1）得出

平均值

移动极差

平均移动极差

利用常规控制图的3σ方式，根据国家标准，有单值X控制限：

移动极差mR控制限：

本程序关键部分是分析与显示功能，单值X的分析与显示程序框图如图3（a）所示，移动极差mR的分析与显示框图与之相同。在这一部分，调用DSC编程模块中的individual X-mR（单值-移动极差）VI来分析处理公式（1）生成的数组，利用公式（5）和（6）计算出中心线、上控制线和下控制线。最后通过Draw Control Chart（绘制控制图）VI绘制出控制图。在程序编写中利用Check Control Limits（检查控制线）VI加入了判断是否超出控制线的功能。本程序实现了两种方式的报警：（1）目前得到的数据点超出控制线（2）历史上有数据点超出控制线。考虑到实际运行时前3个点的不稳定性，所以使用前面板输入Indices to ignore（需剔除的采样点）配合Delete form Array（从数组中删除）VI在计算控制线以及判断是否有点超出控制线时剔除这3个点。此外，程序加入了事件结构，其程序框图如图3（b）所示。该并行运行的程序通过捕捉前面板上的鼠标动作改变布尔型中间变量值，同时结束所有While循环。

图3 程序框图

3 监测软件人机交互界面实现

监测软件前面板人机交互界面如图4所示，该界面包括以下内容：

（1）参数输入区域。其中Weight Limit可设定中间体产物总质量上限，DAQ period可设定采样周期，n: sample size可设定计算mR时所用数据个数，indices to ignore可设定需剔除的采样点。

（2）单值-移动极差控制图显示区域。X: control chart和 mR: control chart分别显示的是单值与移动极差的控制图。红色虚线代表上控制线与下控制线，蓝色实线代表均值。

（3）控制图监测值显示区域。以X显示区域为例，X显示了当前单值X的值，X: control chart lines则显示了实时计算出的控制线。如果当前值超出控制线，X:Out of control now?警示灯则会变红同时发出声音报警。同时本监测系统还有历史数据监测功能，如果有历史数据超出此时控制线，则X:Points exceeded limits 警示灯会变红，同时下方的X: out of control points会按超出控制线的程度列出超出控制线数据的序号。mR显示区域功能与X显示区域相同。

（4）其他功能区。Total Weight显示了此时中间体总质量，若超出Weight Limit设定的最大值则会报警提醒清理中间体收集区；# individuals in calc显示了当前计算并显示的数据序号；Stop按钮与指示灯则显示了此时监测系统运行状态并能停止系统。

图4 监测软件人机交互界面

图4同时展示了在生产过程中监测过程稳定性的单值-移动极差控制图以及实时计算的数据。中间体质量上限设为1000g，采样间隔为60秒，剔除前3个点。人机交互界面右侧实验结果显示，当进料速度为每分钟40g时，中间体质量每分钟增量平均值为1.4g，左侧控制图部分显示，所有的数据点均处于控制线内。实验证明（1）静电分选系统能够稳定运行（2）本监测系统能连续监测静电分选系统运行的稳定情况，能够做到数据实时采集及同步分析处理。

4 总结

本文基于LabVIEW和NI DSC模块丰富的过程处理功能，设计出了静电分选中间体实时监测系统，能很好地完成数据采集与分析处理工作，充分发挥了虚拟仪器在数据与处理方面的优点。硬件方面通过信号调理器将传感器与PXI-6236数据采集卡连接起来，形成了完整的采集系统；软件方面通过在LabVIEW图形编程环境下编写程序，很好地实现了对分选过程的监测。系统运行稳定、高效，能够做到针对连续进料情况的实时在线监测，相较以前的批次进料提升了处理效率，对过程稳定性的监测也满足了工业化稳定生产的要求。

[1]Mihalciou A，Dascalescu L，Das S，Medles K，Munteanu R.Virtual instrument for statistic control of powder tribo-charging processes[J].Journal of Electrostatics，2005，63:565-570.

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[3]WU J，LI J，XU Z M.Electrostatic separation for recovering metals and nonmetals from waste printed circuit board:Problems and improvements[J].Environmental Science and Technology，2008，42:5272-5276.

[4]Medles K，Tilmatine A，Miloua F，Bendaoud A，Younes1M，Rahli M，Dascalescu L.Set point identification and robustness testing of electrostatic separation processes[C].IAS Annual Meeting（IEEE Industry Applications Society）3，2004:pp 1959-1966.

[5]Dascalescu L，Samuila，A Mihalcioiu A，Bente S，Tilmatine A，Robust Design of Electrostatic Separation Processes[C].IEEE Transactions on Industry Applications 41（3），2005:pp715-720.