基于組態(tài)軟件和智能儀表的溫度監(jiān)控系統(tǒng)

王姣姣，李 強(qiáng)，楊 楠

（1.長安大學(xué) 電子與控制工程學(xué)院，陜西 西安710064；2.長安大學(xué) 信息工程學(xué)院，陜西 西安 710064）

基于組態(tài)軟件和智能儀表的溫度監(jiān)控系統(tǒng)

王姣姣1，李 強(qiáng)2，楊 楠2

（1.長安大學(xué) 電子與控制工程學(xué)院，陜西 西安710064；2.長安大學(xué) 信息工程學(xué)院，陜西 西安 710064）

本系統(tǒng)利用組態(tài)軟件及智能儀表實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)溫度的監(jiān)控。該溫度監(jiān)控系統(tǒng)由島電型智能儀表、裝有組態(tài)軟件的PC機(jī)、熱電阻、固態(tài)繼電器、風(fēng)扇以及散熱器等設(shè)備組成。系統(tǒng)采用分布式控制，并利用三級控制結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)控。上位機(jī)通過RS-485總線與智能儀表進(jìn)行通信，并實(shí)時(shí)監(jiān)控、存儲(chǔ)采集到的溫度數(shù)據(jù)。智能儀表能夠設(shè)定溫度的上下限，并通過繼電器控制風(fēng)扇及加熱器調(diào)節(jié)溫度，以實(shí)現(xiàn)溫度的準(zhǔn)確控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該溫度監(jiān)控系統(tǒng)測量精準(zhǔn)，便于監(jiān)控，具有一定的使用價(jià)值。

智能儀表；多點(diǎn)溫度監(jiān)控；組態(tài)軟件；RS-485總線

傳統(tǒng)的溫室溫度是由人通過簡單的儀器儀表來測量的，并且根據(jù)經(jīng)驗(yàn)手動(dòng)的開啟和關(guān)閉各種溫室的調(diào)節(jié)設(shè)備，效率低，控制效果不好[1]，而且無法實(shí)現(xiàn)電子化的記錄。隨著現(xiàn)代數(shù)字計(jì)算機(jī)的發(fā)展和計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用，智能溫度控制儀器的產(chǎn)生以及廣泛的應(yīng)用使溫度監(jiān)控系統(tǒng)主要向總線標(biāo)準(zhǔn)化，高精度，多功能化以及可靠性等高新技術(shù)的方向發(fā)展。隨著溫室管理智能化要求的提高，要求溫室監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信，且能實(shí)時(shí)的記錄并保存采集到的數(shù)據(jù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)溫度的監(jiān)控與調(diào)節(jié)。

智能溫控儀采用微型計(jì)算機(jī)接口技術(shù)，具有自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)的能力，具有可編程性，可記憶特性，具有四則運(yùn)算、邏輯判斷、命令識別等運(yùn)算功能，其內(nèi)置微處理器，溫度控制在工業(yè)領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用[2]。本系統(tǒng)使用智能儀表，在基于上位機(jī)組態(tài)軟件的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的分布式多點(diǎn)溫度監(jiān)控系統(tǒng)。在分布式監(jiān)控系統(tǒng)中，RS-48總線傳輸速度快，抗干擾能力強(qiáng)[3]、信號傳輸穩(wěn)定、傳輸距離遠(yuǎn)，最遠(yuǎn)傳輸距離達(dá)1 200 m[4-5]。亞控公司的組態(tài)王（KINGVIEW）軟件能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的圖形界面，模擬實(shí)際環(huán)境，從而進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控。該系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)的監(jiān)督和控制溫度，實(shí)時(shí)記錄溫度數(shù)據(jù)，并將溫度系統(tǒng)視圖化，便于觀察。

1 系統(tǒng)原理

1.1 RS-485總線通信

RS-485總線技術(shù)是目前在工業(yè)測控領(lǐng)域使用較為廣泛的一種接口技術(shù)。它是在RS-422總線的基礎(chǔ)上經(jīng)過一系列的實(shí)踐而發(fā)展來的，采用了差分傳輸方式 （Different Driver Mode），它擁有高傳輸速率、能抑制噪聲、傳輸距離遠(yuǎn)、共模范圍寬、相對比較經(jīng)濟(jì)的通信平臺[6-7]。

上位機(jī)可以與一個(gè)或多個(gè)島電表相連。利用串行口進(jìn)行連接時(shí)，可以通過RS-232/RS-485適配器與島電表RS-485端子相連。當(dāng)儀表使用相同的接口和上位機(jī)進(jìn)行通訊時(shí)，各個(gè)儀表的地址不能相同，這樣就要對各個(gè)儀表進(jìn)行混合編址。所以在本系統(tǒng)中，每臺智能儀表的地址都不相同。

1.2 智能儀表通信原理

本系統(tǒng)采用了有日本島電公司生產(chǎn)的SR90系列的智能儀表SR93。該智能儀表有RS-485通信接口，傳統(tǒng)的工控機(jī)都是RS-232串口，這樣二者就可以通過RS232/RS485轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)通信。上、下位機(jī)在通信時(shí)，上位機(jī)要根據(jù)智能儀表的設(shè)置來設(shè)定通訊的型號，通信方式，波特率，校驗(yàn)方式等。SR90系列的智能儀表最重要的一個(gè)特點(diǎn)是：采用了無超調(diào)的PID算法使其功能得到完善。在使用之前可以先啟動(dòng)它的自整定功能，使系統(tǒng)自動(dòng)的找到合理的PID參數(shù)，這樣不僅簡化了系統(tǒng)的調(diào)試過程，還能使是系統(tǒng)自動(dòng)的處于最佳工作狀態(tài)。

1.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

本設(shè)計(jì)模擬3個(gè)溫室的溫度的監(jiān)控。該溫度監(jiān)控系統(tǒng)由裝有組態(tài)王的工控機(jī)、智能溫控儀表、固態(tài)繼電器、RS-422/ RS-485串口轉(zhuǎn)換模塊、加熱爐和風(fēng)扇等模塊組成。該系統(tǒng)采用三級控制結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)布式溫度監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。上位機(jī)和下位機(jī)之間采用了RS-485總線接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，可以實(shí)現(xiàn)對溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)控。上位機(jī)采用裝有組態(tài)王的PC機(jī)，通過RS-232/RS-485轉(zhuǎn)換器與下位機(jī)智能儀表進(jìn)行通信，這樣就可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的監(jiān)控和管理、數(shù)據(jù)的雙向高速通信、主要工藝參數(shù)的設(shè)定等。利用組態(tài)軟件能夠?qū)崿F(xiàn)溫度監(jiān)控系統(tǒng)的可視化，并實(shí)時(shí)的記錄溫度控制過程中溫度和報(bào)警狀況。

系統(tǒng)加熱模塊分為3個(gè)溫度區(qū)，認(rèn)為這3個(gè)溫度區(qū)就是3個(gè)溫室，每個(gè)溫室的溫度報(bào)警上下限通對儀表的設(shè)置進(jìn)行修改，可各不相同。該控制系統(tǒng)中的擾動(dòng)主要有：風(fēng)扇和加熱器。

圖1為系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)控制原理圖如圖2所示，熱電阻將采集到的溫度通過溫度變送器傳送到智能儀表，智能儀表將采集的溫度（溫度過程值PV）與內(nèi)部設(shè)定的溫度（溫度設(shè)定值SV，是一個(gè)范圍）進(jìn)行比較，如果實(shí)時(shí)溫度大于設(shè)定溫度的上限，智能儀表控制繼電器動(dòng)作，使風(fēng)扇運(yùn)轉(zhuǎn)，溫室通風(fēng)，直到溫室溫度達(dá)到儀表設(shè)定范圍內(nèi)；如果實(shí)時(shí)溫度小于設(shè)定溫度的下限，繼電器動(dòng)作使加熱器工作，溫室加熱，直到溫室溫度達(dá)到儀表設(shè)定范圍內(nèi)。這樣就實(shí)現(xiàn)溫室溫度的控制。

圖2 系統(tǒng)控制原理圖

2 設(shè)備選型

2.1 測溫傳感器

電阻式溫度傳感器的工作原理實(shí)際是電阻的阻值會(huì)隨著溫度的變化而變化。一般情況下，電阻式溫度傳感器的電阻都是由是金屬所制。在工業(yè)領(lǐng)域得到最廣泛應(yīng)用的是鉑金屬制作的電阻式溫度傳感器[8]。相對于其他的金屬而言，鉑熱電阻溫有很多優(yōu)點(diǎn)，比如它線性度好、精度高、測量范圍寬，且耐酸堿性的這些特點(diǎn)都得到工業(yè)界的青睞。

熱電阻能夠進(jìn)行溫度的測量是因?yàn)樗梢詫⒎请妼W(xué)的物理量轉(zhuǎn)化為電學(xué)量，即溫度傳感器能將變化的溫度信號轉(zhuǎn)換成電信號。溫度傳感器由傳感器與信號轉(zhuǎn)換器組成，信號轉(zhuǎn)換器主要模塊分別是信號處理和轉(zhuǎn)換單元、測量單元，有的變送器有現(xiàn)場總線和顯示單元等。本設(shè)計(jì)采用的鉑熱電阻是Pt100。Pt100溫度變送器主要有3種引線方式，一般情況下，采用三線制的接法。三線制的接線法可以消除電路中引線電阻對測量精度的影響[9]。熱電阻的測量電路是不平衡電橋電路，會(huì)引入導(dǎo)線電阻，對電路測量精度產(chǎn)生影響，但采用了三線制的接線法，就會(huì)消除導(dǎo)線電阻帶來的誤差，提高電路的測量精度[10]。

2.2 溫度變送器

溫度變送器一般采用熱電偶或熱電阻作為它的測溫元件，它的工作流程為，將測溫元件檢測到的溫度信號傳輸至溫度變送器模塊，再經(jīng)過穩(wěn)壓濾波，運(yùn)算放大，非線性校正，A/D轉(zhuǎn)換，恒流及反向保護(hù)電路等模塊的處理后，把溫度信號轉(zhuǎn)換成與其成線性關(guān)系的電流信號輸出，電流范圍為4～20 mA[11]。

2.3 RS232/RS485轉(zhuǎn)換模塊

研華ADAM-4520轉(zhuǎn)換模塊可實(shí)現(xiàn)RS-232和RS485信號的相互轉(zhuǎn)換[12]，可以實(shí)現(xiàn)工業(yè)級的遠(yuǎn)距離通訊。它可以不用修改PC機(jī)上的任何軟硬件就可以把RS-232信號轉(zhuǎn)換為RS-485信號。也就是說4520模塊可以實(shí)現(xiàn)RS-232信號到RS-485信號的隔離。4520轉(zhuǎn)換器的隔離轉(zhuǎn)換器模塊可以使用RS-422接口或RS-485接口進(jìn)行信號傳輸，這樣可以獲得更高的數(shù)據(jù)傳輸速率，更強(qiáng)的聯(lián)網(wǎng)能力和更大的傳輸范圍。ADAM-4520轉(zhuǎn)換模塊的組成電路可以自動(dòng)的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的流向，這樣就可以不用處理網(wǎng)絡(luò)中的握手請求，也就是說，一對雙絞線就可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳送和接收。

4520轉(zhuǎn)換器模塊也可以進(jìn)行反向通訊，也就是說，RS-485串口可以轉(zhuǎn)換為RS-232串口，但是要注意，4520模塊不能設(shè)置RS-485總線設(shè)備的通訊地址，所以反向通訊時(shí)只能是一對一通訊。RS-232設(shè)備可以通過4520轉(zhuǎn)換模塊與RS-485實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳送。

3 電氣設(shè)計(jì)原理

溫度監(jiān)控的電氣圖如圖3所示，它的實(shí)現(xiàn)過程是：用Pt100熱電阻來檢測溫度，并將檢測到的溫度信號發(fā)送到智能儀表的端口46、端口47和端口48，再設(shè)定的溫度值進(jìn)行比較，并通過智能儀表溫的端口39輸出加熱信號，從端口40輸出散熱信號，從而達(dá)到對溫室溫度的監(jiān)督和控制。

圖3 電氣設(shè)計(jì)原理圖

4 組態(tài)式人機(jī)監(jiān)控界面設(shè)計(jì)

隨著自動(dòng)化技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)過程中的迅速發(fā)展，人們對測控技術(shù)和自動(dòng)化檢測技術(shù)的要求越來越苛刻。不僅希望這些技術(shù)的實(shí)用性好，可靠性高，操作界面清晰，還要求系統(tǒng)要有比較短的開發(fā)周期以便于系統(tǒng)的升級，組態(tài)軟件可以滿足上面的要求。組態(tài)軟件中有各種各樣的控制軟件包，操控界面簡潔清晰，即使用戶沒有掌握太多的編程語言，也可以利用它提供各種通用工具模塊進(jìn)行復(fù)雜工程的設(shè)計(jì)，而且可以滿足工業(yè)設(shè)計(jì)的要求。組態(tài)王的這種特點(diǎn)使工程的管理和組織更為方便。

組態(tài)王是由北京亞控公司開發(fā)的一款實(shí)用性比較強(qiáng)的軟件，它的主要由3大部分組成，分別是工程管理器、工程瀏覽器和畫面運(yùn)行系統(tǒng)這3大部分[13]。其中工程管理器是用來創(chuàng)建一個(gè)新項(xiàng)目和現(xiàn)有項(xiàng)目的管理，如新建、刪除、重命名、修改工程等。工程瀏覽器可以定義外部設(shè)備，構(gòu)造數(shù)據(jù)庫，系統(tǒng)配置，變量的構(gòu)造等。畫面運(yùn)行系統(tǒng)可以進(jìn)行模擬實(shí)際環(huán)境，把外部設(shè)備采集到的數(shù)據(jù)記錄并保存在數(shù)據(jù)庫中，還可以用動(dòng)畫的方式把數(shù)據(jù)的變化以表格或者是曲線的形式進(jìn)行表示，也可以進(jìn)行報(bào)警記錄等操作等。組態(tài)王與外部設(shè)備進(jìn)通信時(shí)，需要外部設(shè)備為通訊的接口提供驅(qū)動(dòng)程序[14]，這樣組態(tài)王就可以通過驅(qū)動(dòng)程序與外部設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

4.1 數(shù)據(jù)庫的構(gòu)造

組態(tài)王的核心是數(shù)據(jù)庫的構(gòu)造，上下位機(jī)通過數(shù)據(jù)庫進(jìn)行通信，在定義變量的時(shí)候，構(gòu)建的不同設(shè)備，也就是邏輯變量的時(shí)候，要致命變量名，類型和一些附加信息等，而且邏輯設(shè)備的屬性要和實(shí)際外部設(shè)備的屬性要一致，比如它的型號，通信方式，波特率，校驗(yàn)方式等。這樣就能實(shí)現(xiàn)實(shí)際環(huán)境和模擬環(huán)境的連接。

內(nèi)存變量的基本類型是：I/O實(shí)數(shù)，如圖4（a）所示，圖4（b）為變量“溫室1當(dāng)前溫度”的報(bào)警定義設(shè)置圖。設(shè)置了當(dāng)前溫度低于10℃度時(shí)，報(bào)警文本顯示“當(dāng)前溫度太低”。當(dāng)前溫度在10℃度到20℃之間時(shí)，報(bào)警文本顯示 “當(dāng)前溫度偏低”。當(dāng)前溫度大于30℃時(shí)，報(bào)警文本顯示“當(dāng)前溫度偏高”。當(dāng)前溫度大于40℃時(shí)，報(bào)警文本顯示“當(dāng)前溫度太高”。圖4（c）為變量“溫室1當(dāng)前溫度”記錄和安全區(qū)設(shè)置圖，設(shè)置為“數(shù)據(jù)變化記錄”，變化靈敏度設(shè)為1。圖4（d）是本設(shè)計(jì)中定義的所有變量列表。

圖4 變量定義

4.2 動(dòng)畫連接

打開畫面運(yùn)行系統(tǒng)，繪制系統(tǒng)的可視化界面?？梢暬δ艿膶?shí)現(xiàn)：主界面與5.1節(jié)中定義的變量通過組態(tài)軟件強(qiáng)大仿真功能，并結(jié)合其強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫和豐富的功能模塊，與低層的數(shù)據(jù)采集設(shè)備實(shí)現(xiàn)通信，豐富的圖形控件和工況圖庫，既提供了可視化界面所需的組件，還提供了畫面制作向?qū)15]，這樣就可以根據(jù)向?qū)?shí)現(xiàn)動(dòng)畫連接。

4.3 組態(tài)監(jiān)控功能

數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示：能夠?qū)崟r(shí)的顯示每個(gè)溫室的溫度，便于觀察。

加熱通風(fēng)顯示：當(dāng)溫室當(dāng)前溫度大于設(shè)定值時(shí)，通風(fēng)設(shè)備（風(fēng)扇）運(yùn)作，此時(shí)通風(fēng)顯示燈閃爍，當(dāng)溫室當(dāng)前溫度低于設(shè)定值時(shí)，加熱設(shè)備（加熱棒）運(yùn)作，此時(shí)加熱顯示燈閃爍。

實(shí)時(shí)曲線表：組態(tài)可以根據(jù)當(dāng)前的溫度繪制出實(shí)時(shí)曲線表，可以設(shè)置曲線的坐標(biāo)系數(shù)，以及時(shí)間間距等，提供了溫室問的變化趨勢，方便觀察溫室溫度變化情況。

歷史報(bào)警表：當(dāng)溫室監(jiān)控系統(tǒng)溫度低于10℃度時(shí)，報(bào)警文本顯示“當(dāng)前溫度太低”；溫度在 10℃度到 20℃之間時(shí)，報(bào)警文本顯示“當(dāng)前溫度偏低”；溫度大于30℃時(shí)，報(bào)警文本顯示“當(dāng)前溫度偏高”；溫度大于40℃時(shí)，報(bào)警文本顯示“當(dāng)前溫度太高”。歷史報(bào)警表可以反映溫室溫度控制的過程中溫度的變化狀態(tài)。

4.4 組態(tài)監(jiān)控主界面運(yùn)行結(jié)果

溫室溫度監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)運(yùn)行主界面如圖5所示。

圖5 溫室溫度監(jiān)控仿真結(jié)果

其中一個(gè)模擬溫室的實(shí)物圖如圖6所示。

5 結(jié) 論

綜上所述，該系統(tǒng)以組態(tài)王為開發(fā)平臺，利用智能儀表和RS-485總線實(shí)現(xiàn)溫室內(nèi)不同點(diǎn)的溫度的控制與檢測，與傳統(tǒng)的人工控溫相比，組態(tài)王提供了友好的人機(jī)界面，便于數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，且該系統(tǒng)可成本比較低、靠性高、功耗較低、操作簡單。不僅可以使用于溫室，還可用于其他場合，具有很好的實(shí)用價(jià)值。

圖6 模擬溫室溫度監(jiān)控圖

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Temperature monitoring system based on king view and intelligent instrument

WANG Jiao-jiao1，LI Qiang2，YANG Nan2
（1.School of Electronic and Control Engineering，Chang’an University，Xi’an 710064，China；2.School of Information Engineering，Chang’an University，Xi’an 710064，China）

The system is based on the study of intelligent instrumentation and kingview for the design of multi-point temperature monitoring.The temperature monitoring system consists of the equipment such as intelligent instrumentations，a PC equipped with King View soft，heat resistance，solid state relays，fans，radiators and so on.This system is controlled by distributed，and three level control structures can realize a system of real-time monitoring of the temperature.The intelligent instrumentation and lower computer uses the RS-485 bus to communicate，and upper computer can real-time monitoring and save the temperature data.Intelligent instrument can set the upper and lower temperature，also use solid state to control the operation of the interference of the external devices，so as to control temperature.Experimental results show that the temperature control monitoring system is accurate to measure the temperature，which is convenient to Monitor，and has a certain value.

intelligent instrument；multi-point temperature control；kingview；RS-485 bus

TN98

A

1674－6236（2016）23-0101-04

2016-03-15稿件編號：201603176

國家自然科學(xué)基金（61302150）；陜西省自然科學(xué)基金（2012JM8011）

王姣姣（1991—），女，陜西榆林人，碩士。研究方向：計(jì)算機(jī)控制和自動(dòng)化測控技術(shù)。