基于LabVIEW的多通道溫度測控系統(tǒng)設(shè)計

金仁江 肖志華

(國電南瑞科技股份有限公司江蘇南京210061)

基于LabVIEW的多通道溫度測控系統(tǒng)設(shè)計

金仁江 肖志華

(國電南瑞科技股份有限公司江蘇南京210061)

提出一種多通道的溫度測控系統(tǒng)設(shè)計方法，利用熱電偶作為溫度傳感器，傳感器經(jīng)NI 9211輸入模塊信號調(diào)理后進(jìn)入計算機分析顯示。軟件利用LabVIEW圖形化開發(fā)環(huán)境，結(jié)合DAQmx和PID軟件包，實現(xiàn)參數(shù)的靈活配置。實驗驗證了該方法的準(zhǔn)確性和較高的執(zhí)行效率。

LabVIEW;數(shù)據(jù)采集;PID

0 引言

虛擬儀器(Virtual Instrument，簡稱VI)，即是在通用計算機平臺上，用戶根據(jù)自己的需求來定義和設(shè)計儀器的測量功能。其實質(zhì)是以計算機為基礎(chǔ)，配以相應(yīng)測試功能的硬件作為信號輸入輸出的接口，完成信號的采集、測量與調(diào)理，從而完成各種測試功能的一種計算機化儀器系統(tǒng)［1］。近年來，隨著虛擬儀器技術(shù)的發(fā)展成熟和PC機功能的完善，其已成為現(xiàn)代測試技術(shù)的主流。

溫度測量是測量領(lǐng)域最重要最廣泛的功能之一，頻繁應(yīng)用于氣象觀測、環(huán)境研究、工業(yè)自動化生產(chǎn)過程中［2］。例如鋼鐵制造、半導(dǎo)體電子生產(chǎn)過程等。在特定條件下的產(chǎn)品制造與工業(yè)質(zhì)量保持穩(wěn)定方面，溫度測量是基礎(chǔ)且十分重要，因此設(shè)計一種能夠進(jìn)行多點溫度自動檢測控制的系統(tǒng)就具有了較為廣泛的應(yīng)用價值。

1 溫度測控系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 系統(tǒng)功能及組成

本文中介紹的溫度測控硬件系統(tǒng)包括4根K型熱電偶、NI 9211板卡、NI USB-9162、計算機。軟件主要采用LabVIEW 2009，包含DAXmx、PID控制包等。系統(tǒng)可同時采集4路溫度信號，可自定義采樣數(shù)率及采樣點數(shù)目，可顯示各通道當(dāng)前測量溫度值以及整個測試過程中的最大值、最小值及平均值。具備設(shè)置越限報警的功能，以圖表的形式顯示整個測試過程中各個通道的溫度變化情況，并對測量的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄存檔。系統(tǒng)組成原理框圖如圖1所示。

圖1 溫度測控系統(tǒng)組成原理框圖

1.2 NI 9211數(shù)據(jù)采集卡簡介

溫度測量誤差一定程度上取決于熱電偶類型、熱電偶精度、待測溫度，以及冷端溫度［3］。由于熱電偶生成的信號易被噪聲干擾，需要由NI 9211進(jìn)行熱電偶信號的處理和濾波。NI 9211可連接熱電偶輸入信號，熱電偶正極連接TC+端子，熱電偶負(fù)極連結(jié)TC-端子。在模塊內(nèi)部，4個COM端子連至模塊的隔離參考地。

NI 9211板卡內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。該板卡具有4個熱電偶通道，1個內(nèi)部歸零通道，1個內(nèi)部冷端補償通道。ADC分辨率24位。工作溫度范圍由NIST定義(J，K，T，E，N，B，R和S型熱電偶)。轉(zhuǎn)換時間單個通道70 ms，所有通道總共420 ms，能夠滿足一般的工業(yè)應(yīng)用需要。

圖2 NI 9211通道的輸入電路

1.3 溫度控制電路

溫度控制接口電路采用三極管驅(qū)動繼電器方式，原理圖如圖3所示。當(dāng)溫度高于設(shè)定溫度時，微機輸出占空比小的方波信號，經(jīng)溫度控制接口電路控制加熱器使之單位時間內(nèi)加熱時間變短，從而使溫度降低。當(dāng)溫度低于設(shè)定值時，控制過程正好相反，如此反復(fù)使溫度保持恒定。

圖3 溫度控制電路原理圖

2 軟件系統(tǒng)設(shè)計

2.1 軟件界面設(shè)計

軟件界面提供了溫控系統(tǒng)的各項主要參數(shù)設(shè)定，包括通道設(shè)置、熱電偶傳感器類型設(shè)定、采樣點數(shù)目及采樣率、告警上下限、預(yù)期溫度、PID參數(shù)等。在軟件界面上可以實時觀測單個或者多個通道的溫度變化，并以不同顏色進(jìn)行區(qū)分。測試結(jié)束后會給出每個通道的最大值、最小值以及平均值，方便測試者現(xiàn)場人工快速得出結(jié)論。測試過程中，可以對整個測試數(shù)據(jù)進(jìn)行歸檔處理，以便后期分析處理。整個軟件界面如圖4所示。

圖4 溫度測控系統(tǒng)軟件主界面

2.2 程序框圖設(shè)計

1)溫度采集模塊設(shè)計。本軟件系統(tǒng)主要可分為溫度采集顯示以及溫度控制兩個功能。根據(jù)模塊化的思想，在顯示以及控制之前，需要對設(shè)備的通道選擇以及熱電偶參數(shù)、采樣參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。然后測試系統(tǒng)，利用圖形顯示實時溫度，并進(jìn)行歸檔保存。采集模塊系統(tǒng)框圖如圖5所示。

圖5 溫度數(shù)據(jù)采集模塊程序框圖

2)PID控制模塊設(shè)計。PID算法是軟件中控制部分的核心，該算法采用PID模糊控制技術(shù)，通過比例、積分、微分三方面的結(jié)合調(diào)整，形成一個模糊控制來解決慣性溫度誤差問題。增量式PID算法的輸出量為:

其中，en，en－1，en－2分別為第n次、n－1次和n－2次的偏差值。kp、Ti、Td分別為比例系數(shù)、積分系數(shù)和微分系數(shù)，T為采樣周期［4］。計算機每隔固定時間T將現(xiàn)場溫度與用戶設(shè)定目標(biāo)溫度的差值送入式(1)，由公式輸出量決定PWM方波的占空比，從而控制加熱時間改變溫度。溫度低，PWM波形占空比增大，輸出導(dǎo)通時間長，輸出截止散熱時間短。通過不斷地加熱和散熱，讓系統(tǒng)溫度恒定。

3 測試結(jié)果分析

本溫度采集控制系統(tǒng)應(yīng)用于實驗室液體溫場穩(wěn)定性和一致性測定及控制中，在一個方形盛水容器中將4個熱電偶探頭放置于容器的四個角落進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采樣點數(shù)目100個，采樣頻率2 HZ。實驗數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 液體溫場四通道測量值(℃)

從實測數(shù)據(jù)中可以看出，各被測點溫度偏差最大為0.23℃，整個溫場最大偏差為0.35℃。被測溫場的均勻性較好。

單獨對于通道1設(shè)置預(yù)期溫度36.5℃，整定設(shè)置控制系統(tǒng)的PID參數(shù)。一般來講，對于溫控系統(tǒng)，KP取20%～60%;TI取3～15分;TD取0.5～3分，如果過渡過程時間過長，被控量遲遲回不到設(shè)定值，往往是比例帶KP選大了或者TI選長了［5-6］。用試探法逐步調(diào)試確定，使PID系數(shù)分別為1.5，0. 01，2，對于通道1溫度進(jìn)行設(shè)定控制，外部加熱電路開始工作，在PID的調(diào)節(jié)下，系統(tǒng)溫度最終穩(wěn)定在設(shè)定值附近，達(dá)到預(yù)期效果。

4 結(jié)束語

多通道溫度采集控制系統(tǒng)，采用NI標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集模塊，配置靈活，擴展性好。通過配置各類熱電偶傳感器，能夠滿足一般的工業(yè)多通道溫度測試及數(shù)據(jù)采集的需求。系統(tǒng)搭配溫度控制電路，既可以單獨作為監(jiān)測被測對象溫度的功能，也可引入適當(dāng)?shù)腜ID參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)控制功能，實現(xiàn)系統(tǒng)的閉環(huán)測控。

［1］阮奇楨.我和LabVIEW［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2009:1-5.

［2］王魁漢.溫度測量實用技術(shù)［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2007(1):3-10.

［3］靖蘇銅，趙福堂.基于LabVIEW的熱電偶溫度測量系統(tǒng)［J］.儀器儀表標(biāo)準(zhǔn)化與計量，2005(12):37-39.

［4］劉金琨.先進(jìn)PID控制MATLAB仿真［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2004:1-13.

［5］金志強，包啟亮.一種基于LabVIEW的PID控制設(shè)計的方法［J］.微計算機信息，2005(6):5-6，75.

［6］羅澤文，羅鈞，廖紅華.多模模糊PID控制［J］.重慶大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2005(2):20-22.

Design of Multichannel Temperature Data Acquisition and Control System Based on LabVIEW

JIN Ren-jiang XIAO Zhi-hua
(NARI Technology Development Co.，Ltd.，Nanjing 210061，China)

The paper puts forward the design of a multichannel temperature data acquisition and control system by making use of the thermocouple as the temperature sensor，the signal modulated by NI 9211 4-channel thermocouple as the input module，and sending into the computer for analysis and display.Based on a graphic development environment of LabVIEW and its software package，all parameters can be configured flexibly.Experimental results validate the favorable performance of high accuracy and efficiency of the proposed method.

LabVIEW;Data Acquisition;PID

TP 273.5

B

1672-2434(2011)01-0020-03

2010-09-29

金仁江(1982-)，男，助理工程師，從事研究方向:測量控制、集成控制