林支慷，范艾杰，侯佳欣，袁文博，陳愛(ài)平，顧大偉

(南京工業(yè)大學(xué) 數(shù)理科學(xué)學(xué)院,江蘇 南京 211800)

實(shí)際生活與工業(yè)生產(chǎn)中需要測(cè)量溫度和控制溫度的場(chǎng)合極其廣泛[1-2]，其中控溫方式種類(lèi)繁多，如機(jī)械式控溫、PID控溫、模糊控溫等等。PID控制作為一種不基于模型的控制方法，在工業(yè)控制領(lǐng)域具有很強(qiáng)的生命力[3]。PID控溫利用PID調(diào)節(jié)原理，其控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，即根據(jù)系統(tǒng)的誤差量，利用比例、積分、微分算法，計(jì)算出控制調(diào)節(jié)量，以實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的控制[4]。目前PID控溫儀大多是由PID控制儀表與各類(lèi)傳感器、配送器結(jié)合使用，如配合熱電阻或熱電偶以實(shí)現(xiàn)溫度的測(cè)量、顯示、報(bào)警控制與變送輸出[5]。傳統(tǒng)PID控溫儀大多只適用于控制單點(diǎn)溫度或者一定范圍內(nèi)熱流密度變化較小的加熱系統(tǒng)。在實(shí)際應(yīng)用中，經(jīng)常會(huì)遇到控溫對(duì)象物理尺寸較大的情況(如大型的隧道爐)，針對(duì)這種空間較大的加熱對(duì)象，單點(diǎn)PID控溫儀很難保證內(nèi)部溫度分布均勻的需要，而采取多臺(tái)單點(diǎn)控溫儀組成多點(diǎn)控溫系統(tǒng)則大大增加了系統(tǒng)的硬件成本和復(fù)雜程度。

本文設(shè)計(jì)的PID多點(diǎn)精確控溫系統(tǒng)是由計(jì)算機(jī)結(jié)合網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集卡以及溫度傳感器等硬件構(gòu)成一個(gè)多通道采集測(cè)控系統(tǒng)。通過(guò)LabVIEW編寫(xiě)的程序?qū)崿F(xiàn)了PC端處理、存儲(chǔ)、顯示溫度變化，并控制網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集卡對(duì)加熱裝置進(jìn)行精確控溫。LabVIEW是目前國(guó)際上應(yīng)用廣泛的虛擬儀器軟件平臺(tái)之一，主要應(yīng)用于儀器控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)顯示等領(lǐng)域，適用于Windows、Macintosh、UNIX等多種操作系統(tǒng)，其最大的優(yōu)勢(shì)在于測(cè)控系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)[6-9]。本文設(shè)計(jì)的控溫系統(tǒng)還可以通過(guò)局域網(wǎng)方便地?cái)U(kuò)充測(cè)溫及控溫端口，使用方便靈活，可以滿(mǎn)足大型加熱裝置的控溫要求。

1 硬件選用與功能介紹

本文在設(shè)計(jì)測(cè)控溫系統(tǒng)時(shí)采用了常見(jiàn)的B型熱電偶，B型熱電偶屬于高溫?zé)犭娕?，測(cè)溫范圍可達(dá)到0～1800℃[10]。如果需要使用其他類(lèi)型的熱電偶，在程序界面進(jìn)行相應(yīng)的選取即可。

在實(shí)際測(cè)溫過(guò)程中，熱電偶只有在參考端(冷端)溫度不變的條件下，其熱電勢(shì)才與工作端溫度成單值函數(shù)關(guān)系[11-12]。為精確測(cè)量外界環(huán)境溫度，本文選用AD590設(shè)計(jì)了冷端溫度補(bǔ)償電路，如圖1所示。AD590在電路中工作時(shí)輸出的電流與環(huán)境溫度成線(xiàn)性關(guān)系[13]，通過(guò)OP07減法器將與AD590串聯(lián)的R5電阻(阻值1kΩ、精度±1%、溫度系數(shù)±50ppm)上的電壓減去273.1mV，即可得到輸出電壓VOUT，VOUT的毫伏數(shù)值即代表了冷端環(huán)境溫度數(shù)。環(huán)境溫度每變化0.1℃，VOUT電壓值改變0.1mV。

圖1 AD590溫度補(bǔ)償電路圖

本文選取NET0724以太網(wǎng)數(shù)據(jù)采集卡作為測(cè)溫控溫的核心硬件。該數(shù)據(jù)采集卡電壓測(cè)量量程為0～2.5V，擁有16路24位AD轉(zhuǎn)換精度(即電壓測(cè)量精度達(dá)到10-7V)的電壓測(cè)量端口，同時(shí)配置有8路光電隔離DO(數(shù)字輸出開(kāi)關(guān)量)。在采用單塊數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行工作時(shí)，本文設(shè)計(jì)的測(cè)控溫系統(tǒng)可以同時(shí)監(jiān)控15路(16-1=15，AD590的溫度補(bǔ)償需要一個(gè)端口)熱電偶信號(hào)，利用8路DO分別獨(dú)立控制固態(tài)繼電器對(duì)加熱裝置進(jìn)行控溫。B型熱電偶在800℃時(shí)每改變0.1℃對(duì)應(yīng)的電壓改變0.0077mV，系統(tǒng)采用的數(shù)據(jù)采集卡完全能夠滿(mǎn)足精確測(cè)量冷端溫度補(bǔ)償電路輸出電壓以及熱電偶電壓信號(hào)的需求。

在常見(jiàn)的加熱裝置中，觸發(fā)控溫方式種類(lèi)繁多，如可控硅觸發(fā)控溫、繼電器觸發(fā)控溫、固態(tài)繼電器觸發(fā)控溫等等。本文設(shè)計(jì)的控溫系統(tǒng)采用了常見(jiàn)的固態(tài)繼電器觸發(fā)控溫方式。固態(tài)繼電器型號(hào)為SSR-25DA，控制方式為直流控交流(DC-AC)，控制電壓為3～32VDC，控制電流DC為3～25mA，負(fù)載電流為25A，負(fù)載電壓為24～380VAC?？販剡^(guò)程中，數(shù)據(jù)采集卡DO端輸出5V直流電壓加載在繼電器DC端控制AC端導(dǎo)通。固態(tài)繼電器的斷態(tài)時(shí)間T≤10ms，能夠滿(mǎn)足系統(tǒng)對(duì)加熱時(shí)間精確控制的要求。

2 PID多點(diǎn)精確控溫系統(tǒng)程序

2.1 利用LabVIEW實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集卡與PC連接

NET0724與計(jì)算機(jī)的通信是基于局域網(wǎng)進(jìn)行的。將NET0724通過(guò)網(wǎng)線(xiàn)與PC端進(jìn)行物理連接后，在計(jì)算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)與共享中心目錄下進(jìn)行如圖2所示的設(shè)置，即可將數(shù)據(jù)采集卡與PC構(gòu)成局域網(wǎng)。

圖2 數(shù)據(jù)采集卡與PC連接設(shè)置

LabVIEW內(nèi)部基于TCP/IP協(xié)議的數(shù)據(jù)通信模塊具有非常強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能，支持DataSocket遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集技術(shù)，可輕松實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)交換。利用 LabVIEW中TCP通信程序(TCP open connection function)可以方便地編寫(xiě)程序訪問(wèn)數(shù)據(jù)采集卡[14]。圖3為PID多點(diǎn)精確控溫系統(tǒng)的聯(lián)機(jī)通信程序框圖，數(shù)據(jù)采集卡的默認(rèn)IP地址為192.168.1.20。

圖3 數(shù)據(jù)采集卡與PC聯(lián)機(jī)程序框圖

2.2 溫度與電壓轉(zhuǎn)換程序

B型熱電偶電壓轉(zhuǎn)換溫度的子VI程序框圖如圖4所示。采用LabVIEW系統(tǒng)內(nèi)部的電壓轉(zhuǎn)換溫度子VI(Volts to Temperature.vi)可以方便的將數(shù)據(jù)采集卡測(cè)量得到的熱電偶電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為溫度值，該子VI有8種熱電偶類(lèi)型(包括B、E、J、K、R、S、T、N型熱電偶)可供選擇。每種熱電偶在不同量程范圍具有相應(yīng)的電壓溫度關(guān)系，可將對(duì)應(yīng)的熱電偶的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為溫度值并實(shí)時(shí)顯示在程序的前面板上。如圖5所示，數(shù)據(jù)采集卡測(cè)量熱電偶得到的溫度值將加上環(huán)境溫度進(jìn)行中值濾波后得到最終的測(cè)溫點(diǎn)的實(shí)時(shí)溫度，并在前面板圖表中進(jìn)行顯示。

圖4 B型熱電偶電壓轉(zhuǎn)換溫度程序框圖

圖5 溫度實(shí)時(shí)顯示程序框圖

2.3 PID工具包

LabVIEW的PID工具包提供了10個(gè)子VI供用戶(hù)使用，如圖6所示。利用PID工具包，不但可以在LabVIEW環(huán)境下通過(guò)友好的人機(jī)交互界面直觀方便地進(jìn)行控制器的程序設(shè)計(jì)，還能充分發(fā)揮LabVIEW的各種強(qiáng)大功能，特別是同數(shù)據(jù)采集板卡等硬件的良好結(jié)合，可以迅速地搭建自動(dòng)控制系統(tǒng)，進(jìn)行仿真及實(shí)際應(yīng)用[15]。

PID.vi是一個(gè)可用于搭建簡(jiǎn)單PID控制器的子VI，該VI的輸入端需要設(shè)定3個(gè)PID參數(shù)值(PID gains)，包括系統(tǒng)反饋值(process variable)、實(shí)際期望值(setpoint)、微分時(shí)間(dt)，由輸出端給出需要的輸出值(output)。

圖6 PID工具包

PID工具包提供的10個(gè)子VI，可以滿(mǎn)足用戶(hù)在大多數(shù)場(chǎng)合的應(yīng)用，根據(jù)不同的現(xiàn)場(chǎng)需求，使用不同的子VI搭建PID控制器，方便快捷。

2.4 PWM子VI及精確控溫程序的設(shè)計(jì)

如圖7所示，為本文利用LabVIEW軟件自主設(shè)計(jì)的進(jìn)行精密控溫的脈寬調(diào)制子VI(PWM.vi)。該子VI利用平鋪式順序結(jié)構(gòu)和FOR循環(huán)結(jié)構(gòu)，精密控制NET0724數(shù)據(jù)采集卡的DO端口的高低電平輸出時(shí)間。在DO端口輸出高電平時(shí)，將觸發(fā)固態(tài)繼電器使AC端導(dǎo)通，此時(shí)加熱裝置通電加熱；當(dāng)DO端口輸出低電平時(shí)，固態(tài)繼電器AC端不導(dǎo)通，加熱裝置斷電。

圖7 PWM.vi程序框圖

PID.vi與PWM.vi構(gòu)成了程序精確控溫的核心部分。PID.vi中比例參數(shù)、積分時(shí)間、微分時(shí)間、輸出值范圍、加熱裝置的期望溫度以及程序工作周期，可根據(jù)加熱需求的不同在前面板自行設(shè)置，本文的參數(shù)設(shè)置如圖8(a)所示。程序運(yùn)行后PID.vi根據(jù)目標(biāo)溫度和測(cè)量溫度進(jìn)行計(jì)算，輸出值將傳遞給PWM.vi中，實(shí)現(xiàn)對(duì)加熱裝置通電加熱時(shí)間的精確控制。同時(shí)系統(tǒng)測(cè)量加熱裝置中的實(shí)時(shí)溫度反饋給PID.vi，形成一個(gè)完整的閉路控溫系統(tǒng)，如圖8(b)所示。在一般的加熱裝置中，對(duì)加熱時(shí)間的精確控制是保證精確控溫的重要因素。本文設(shè)計(jì)的PWM.vi控制加熱時(shí)間的精度能達(dá)到10ms，經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該控溫系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間定點(diǎn)控溫的波動(dòng)小于一般的PID控溫裝置，在達(dá)到目標(biāo)溫度在800℃后能長(zhǎng)時(shí)間保持溫度波動(dòng)范圍在±0.5℃內(nèi)。

(a)前面板

(b)后面板

2.5 大型溫控系統(tǒng)的組建

如前所述，本文設(shè)計(jì)的精密控溫系統(tǒng)是基于PC端運(yùn)行的。在IP地址段192.168.0.0～192.168.0.255內(nèi)，一臺(tái)計(jì)算機(jī)可與253塊 NET0724數(shù)據(jù)采集卡組建成星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)?；诰W(wǎng)絡(luò)測(cè)控，系統(tǒng)可以采集4047路(16253-1=4047，冷端AD590溫度補(bǔ)償需要一個(gè)端口)熱電偶電壓信號(hào)進(jìn)行精密測(cè)溫，控制2024個(gè)(2538=2024)DO端口分別獨(dú)立控制加熱裝置，構(gòu)建一個(gè)大型的多點(diǎn)測(cè)溫控溫平臺(tái)。如圖9所示，為大型溫控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖9 大型溫控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

3 結(jié)束語(yǔ)

在本文設(shè)計(jì)的精確控溫系統(tǒng)中，由LabVIEW軟件編寫(xiě)的測(cè)控溫程序配合網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集卡、固態(tài)繼電器等硬件對(duì)加熱裝置進(jìn)行精確測(cè)溫和控溫。程序利用數(shù)據(jù)采集卡接收加熱裝置中的熱電偶信號(hào)，采用PID算法計(jì)算每個(gè)控溫周期內(nèi)的加熱時(shí)間輸出給PWM.vi，通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡的DO端口觸發(fā)固態(tài)繼電器控制加熱裝置，形成一整套閉環(huán)測(cè)溫控溫系統(tǒng)。24位NET0724數(shù)據(jù)采集卡的電壓測(cè)量精度可達(dá)到10-7mV，能夠精確分辨B型熱電偶0.1℃的變化；自行設(shè)計(jì)的PWM.vi控制加熱時(shí)間的精度能達(dá)到10ms，保障了系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間定點(diǎn)控溫時(shí)溫度波動(dòng)范圍能穩(wěn)定在±0.5℃之內(nèi)。通過(guò)星型結(jié)構(gòu)的局域網(wǎng)，系統(tǒng)利用交換機(jī)和NET0724采集卡可擴(kuò)充至4047路測(cè)溫端口、2024路控溫端口，組成一個(gè)大型的測(cè)溫控溫平臺(tái)。