王俊峰　黃昆　吳麗麗　彭瑞　黃心雨

【摘 要】利用LabVIEW2015虛擬儀器軟件開發(fā)平臺(tái)，以計(jì)算機(jī)、USB-4716數(shù)據(jù)采集卡、傳感器和信號(hào)調(diào)理電路作為硬件平臺(tái)，設(shè)計(jì)了一個(gè)儲(chǔ)液罐狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對儲(chǔ)液罐中液體的液位、溫度、壓力的實(shí)時(shí)監(jiān)測和液位的PID控制功能。

【關(guān)鍵詞】LabVIEW;USB-4716;儲(chǔ)液罐;狀態(tài)監(jiān)控

中圖分類號(hào)： TP274 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2019）19-0187-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.19.091

0 引言

LabVIEW軟件是由美國國家儀器（NI）公司研制的虛擬環(huán)境開發(fā)平臺(tái)，它突破了傳統(tǒng)電子儀器以硬件為主體的模式，其組成可以概括為數(shù)據(jù)的采集與控制，數(shù)據(jù)的分析與處理，結(jié)果的輸出與顯示三大功能模塊[1]。本設(shè)計(jì)就是以儲(chǔ)液罐為被控對象，以儲(chǔ)液罐的液位為控制量，通過PID控制器發(fā)出的控制信號(hào)對儲(chǔ)液罐的液位進(jìn)行精確的控制，并利用LabVIEW2015平臺(tái)對液體的壓力、液位和溫度信息進(jìn)行顯示和存儲(chǔ)。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案

本文設(shè)計(jì)的儲(chǔ)液罐狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)主要由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)組成。其中硬件系統(tǒng)包括了PT100溫度傳感器，松下D3B壓力傳感器和USB-4716數(shù)據(jù)采集卡（圖1所示）以及計(jì)算機(jī)。

軟件系統(tǒng)進(jìn)行了模塊化編程，主要可分為數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊和PID液位控制模塊五個(gè)模塊[2]。系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案如圖2所示。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

溫度傳感器和壓力傳感器將液體的溫度、壓力等物理信號(hào)經(jīng)過信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行放大處理，得到1～5V（4～20mA）的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，將其輸入到USB-4716數(shù)據(jù)采集卡的模擬輸入通道中進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，再由USB總線傳送到計(jì)算機(jī)中進(jìn)行運(yùn)算。將實(shí)際液位與預(yù)設(shè)液位的偏差值e（t）通過增量式PID控制算法產(chǎn)生控制信號(hào)輸出，再經(jīng)過USB-4716數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)對控制器電磁閥開度進(jìn)行控制，以達(dá)到對液位的精確控制。

本設(shè)計(jì)所采用的PT100傳感器信號(hào)調(diào)理電路圖及D3B傳感器接線圖如圖3和圖4所示。

3 軟件系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

當(dāng)虛擬儀器的硬件平臺(tái)建立起來之后，設(shè)計(jì)、開發(fā)、研究虛擬儀器的主要任務(wù)就是編制應(yīng)用程序。

系統(tǒng)軟件程序主要由仿真系統(tǒng)和實(shí)際系統(tǒng)組成，每個(gè)系統(tǒng)又可分為前面板設(shè)計(jì)和程序框圖設(shè)計(jì)兩大部分[3]。

3.1 仿真系統(tǒng)

仿真系統(tǒng)的前面板設(shè)計(jì)如圖5所示，其中預(yù)設(shè)液位為25cm。根據(jù)PID增量式算法對實(shí)際液位進(jìn)行控制。不斷的調(diào)整PID參數(shù)使其達(dá)到最優(yōu)控制效果，以整定實(shí)際系統(tǒng)中PID控制參數(shù)。由圖5中曲線可看出，此時(shí)控制效果較為理想，實(shí)際液位在剛達(dá)到預(yù)設(shè)液位有一定波動(dòng)后基本保持不變，控制精度約為0.5%，符合控制要求[4]。

其程序框圖如圖6所示。

3.2 實(shí)際系統(tǒng)

實(shí)際系統(tǒng)的前面板和程序設(shè)計(jì)如圖7和圖8所示。

4 調(diào)試結(jié)果

如圖9所示，測得液體溫度為26.5℃，預(yù)設(shè)液位為12.1cm，實(shí)際液位為12cm，未報(bào)警，液體壓力顯示為1.18Kpa。繼續(xù)向容器中注水，如圖10所示，當(dāng)實(shí)際液位超過預(yù)設(shè)液位達(dá)到13.8cm，此時(shí)，報(bào)警指示燈亮，液體壓力顯示為1.35Kpa。

5 結(jié)束語

本文利用LabVIEW2015軟件平臺(tái)，結(jié)合傳感器、信號(hào)調(diào)理電路、USB-4716數(shù)據(jù)采集卡、計(jì)算機(jī)等硬件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對儲(chǔ)液罐中液體的溫度、液位、壓力的監(jiān)測和PID液位控制功能。利用仿真系統(tǒng)進(jìn)行建模即可對PID控制參數(shù)進(jìn)行整定，降低了開發(fā)的復(fù)雜性和縮短了開發(fā)周期，并具有良好的人機(jī)交互式界面，在日常生活及工業(yè)控制中具有很強(qiáng)的工程實(shí)踐性。

【參考文獻(xiàn)】

[1]張重雄，張思維.虛擬儀器技術(shù)分析與設(shè)計(jì)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2012.

[2]張軍，黃昆，魯玉梅，等.基于LabVIEW和聲卡的數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].科技視界，2018，235（13）：172-173.

[3]黃昆，譚鈞劍，郝小江.基于USB4716的虛擬信號(hào)處理儀設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)，2015，41（11）：73-75.

[4]房澤平，常玉華，婁坤.基于LabVIEW的遠(yuǎn)程可視化液位過程控制系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)測量與控制，2013，21（8）.