基于組態(tài)王軟件的溫度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究*

王成剛 晏芙蓉 曲令帥

（武漢工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院）

基于組態(tài)王軟件的溫度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究*

王成剛**晏芙蓉 曲令帥

（武漢工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院）

提出了基于組態(tài)王軟件和Pt100鉑熱電阻的溫度采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。首先，通過(guò)非線性的鉑熱電阻Pt100采集被測(cè)物體周?chē)h(huán)境的溫度信號(hào)；其次，將采集的電阻信號(hào)通過(guò)泓格I－7015模塊輸入，同時(shí)利用I－7520將信號(hào)傳輸進(jìn)計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理；最后，在組態(tài)王軟件上分別對(duì)冷凝冷卻實(shí)驗(yàn)的實(shí)時(shí)監(jiān)控界面、實(shí)時(shí)溫度曲線、溫度數(shù)據(jù)報(bào)表和報(bào)警等進(jìn)行程序編寫(xiě)。

鉑熱電阻 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè) 組態(tài)王軟件 冷凝冷卻 溫度 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

0 引言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和電子通信行業(yè)的快速發(fā)展，越來(lái)越多的工業(yè)場(chǎng)所需要對(duì)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、控制及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，如空冷器設(shè)備、冷凍庫(kù)、糧倉(cāng)、儲(chǔ)罐、磚窯廠等場(chǎng)所[1]。鉑熱電阻Pt100的物理、化學(xué)性能穩(wěn)定，反應(yīng)靈敏，可靠性高，被廣泛應(yīng)用于溫度范圍為-50～200℃的溫度測(cè)量環(huán)境[2]。由于Pt100具有信號(hào)靈敏度高、易于連續(xù)測(cè)量等獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，因此可將鉑熱電阻的探頭伸入被測(cè)量介質(zhì)中，通過(guò)所測(cè)電阻阻值的變化來(lái)確定設(shè)備內(nèi)部介質(zhì)溫度的變化規(guī)律。本文設(shè)計(jì)了基于鉑熱電阻Pt100的表面蒸發(fā)空冷器溫度采集系統(tǒng)，通過(guò)組態(tài)王軟件快速準(zhǔn)確地處理、顯示所采集的數(shù)據(jù)，將電阻信號(hào)與溫度值的非線性關(guān)系擬合成非線性圖表，同時(shí)通過(guò)計(jì)算機(jī)將反饋信號(hào)送到對(duì)應(yīng)的模塊，從而對(duì)被測(cè)環(huán)境溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤和調(diào)試[3]。該系統(tǒng)具有操作簡(jiǎn)單、高效準(zhǔn)確等特點(diǎn)，可為用戶提供操作方便的人機(jī)界面，實(shí)現(xiàn)溫度曲線實(shí)時(shí)顯示、歷史數(shù)據(jù)查詢、報(bào)警事件記錄顯示以及保存數(shù)據(jù)報(bào)表等功能。

1 工作原理

基于鉑熱電阻Pt100的表面蒸發(fā)空冷器溫度采集系統(tǒng)采用WIN 2000計(jì)算機(jī)作為上位機(jī)（PC），利用組態(tài)王軟件處理和顯示采集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，得到表面蒸發(fā)空冷器實(shí)驗(yàn)裝置在不同條件下各部件和位置的溫度值。該系統(tǒng)的溫度控制流程如圖1所示。

圖1 溫度控制系統(tǒng)

根據(jù)測(cè)得的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，可利用組態(tài)王軟件通過(guò)調(diào)節(jié)對(duì)應(yīng)的循環(huán)水泵、熱水泵或風(fēng)機(jī)的工作頻率來(lái)調(diào)節(jié)介質(zhì)的溫度。此外，還可設(shè)置溫度報(bào)警的上、下限值，并保存意外的報(bào)警事故和歷史溫度數(shù)據(jù)報(bào)表，以方便工作人員排查裝置故障的原因。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

該溫度采集系統(tǒng)硬件部分以I-7015模塊為核心，主要外圍硬件由兩部分組成，即Pt100鉑熱電阻與I-7015模塊和上位機(jī)與I-7015間的串行通信模塊，如圖2所示。

圖2 溫度采集系統(tǒng)硬件組成

2.1 Pt100鉑熱電阻與I-7015溫度測(cè)量模塊

Pt100溫度傳感器是一種將溫度變量轉(zhuǎn)換為可傳送的標(biāo)準(zhǔn)化輸出信號(hào)的儀表，溫度采集范圍為-50~200℃，輸出信號(hào)為電阻信號(hào)，電阻值的變化與被測(cè)溫度變化呈正相關(guān)[4-5]。I-7015模塊是泓格公司推出的16位12 Hz熱電阻輸入模塊，其模塊具有內(nèi)置的微處理器和堅(jiān)固的工業(yè)級(jí)塑料外殼。在工業(yè)應(yīng)用中相比于單片機(jī)而言，該模塊更容易操作且不需要進(jìn)行編程，模塊自帶雙看門(mén)狗，可保障系統(tǒng)安全。因此，I-7015模塊符合該溫度采集系統(tǒng)的要求。

在實(shí)際應(yīng)用中，該裝置考慮了外界環(huán)境干擾和工程設(shè)備安裝等干擾因素，從多個(gè)方面優(yōu)化了系統(tǒng)。例如：鉑熱電阻Pt100與I-7015模塊的接法。該接法主要有兩線制和三線制：兩線制接法配線簡(jiǎn)單，安裝費(fèi)用低，但是通訊距離較遠(yuǎn)時(shí)，引線電阻自身會(huì)產(chǎn)生一定誤差；三線制接法雖然成本較高，但可以避免兩線制接法所產(chǎn)生的引線誤差，在工業(yè)檢測(cè)場(chǎng)合應(yīng)用更為普遍。Pt100鉑熱電阻具備三線制接法的條件，可從根本上解決工業(yè)場(chǎng)所遠(yuǎn)距離控制的限制，有效地提高系統(tǒng)測(cè)量精度和抗干擾能力。因此，該系統(tǒng)采用Pt100鉑熱電阻與I-7015模塊的三線制連接方式。

2.2 上位機(jī)與I-7015間的串行通信模塊

I-7520模塊是RS-232轉(zhuǎn)RS-485的轉(zhuǎn)換器模塊，I-7520有兩線制和四線制兩種接線方式。四線制只能實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信方式，工程上采用較少?？绽淦髟O(shè)備、冷凍庫(kù)等溫度監(jiān)控場(chǎng)所都采用兩線制接線方式，這種接線方式為總線式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，即在同一總線上最多可掛接256個(gè)結(jié)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)裝置系統(tǒng)采用I-7520模塊，將I-7015模塊與上位機(jī)PC進(jìn)行通信連接。該系統(tǒng)的通信連接方式如圖3所示。

圖3 I-7015模塊與計(jì)算機(jī)通信連接

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

溫度采集系統(tǒng)軟件主要包括模塊與PC的通訊設(shè)置軟件和組態(tài)王軟件兩個(gè)部分。通過(guò)組態(tài)王的操作對(duì)外界環(huán)境和設(shè)備內(nèi)部溫度變化進(jìn)行實(shí)時(shí)處理和調(diào)整控制，使工業(yè)相關(guān)設(shè)備正常運(yùn)行。

3.1 組態(tài)王與模塊的通訊程序設(shè)計(jì)

Pt100鉑熱電阻是把溫度變化轉(zhuǎn)換為電阻值變化的一次元件，通常需要把電阻信號(hào)通過(guò)引線傳遞到計(jì)算機(jī)控制裝置或者其它一次儀表上[6]。該實(shí)驗(yàn)裝置將熱電阻直接連接在泓格模塊I-7015上，將電阻信號(hào)傳輸入I-7015模塊中。然后在模塊廠家所提供的應(yīng)用軟件Dcon Utility上進(jìn)行設(shè)置，通過(guò)主機(jī)發(fā)出一套命令，設(shè)置包括I/O地址、波特率、輸入方式（范圍）和有無(wú)校驗(yàn)盒等參數(shù)。

I-7015模塊RTD類型可以分為Pt100、Pt1000、Ni120、Cu100和Cu1000這5類。模塊的采集溫度量程有多種，根據(jù)溫度采集系統(tǒng)的要求，熱電阻的測(cè)溫范圍為-50~200℃，因此在Dcon Utility軟件上將模塊量程選擇為包含熱電阻量程的最小區(qū)間-200~200℃，Pt100溫度系數(shù)為α=0.003 85。該模塊的參數(shù)選擇如圖4所示。

圖4 模塊的參數(shù)選擇

3.2 組態(tài)王程序設(shè)計(jì)

組態(tài)王程序設(shè)計(jì)主要是人機(jī)界面的設(shè)計(jì)，包括表面蒸發(fā)空冷器實(shí)驗(yàn)控制系統(tǒng)界面繪制、命令語(yǔ)言的編寫(xiě)、數(shù)據(jù)庫(kù)的搭建、設(shè)備連接的設(shè)置以及系統(tǒng)的配置等部分。

在實(shí)驗(yàn)初期，發(fā)現(xiàn)該裝置實(shí)驗(yàn)測(cè)量的溫度比正常溫度高出7～8℃，并且隨著溫度的升高組態(tài)王顯示溫度相對(duì)于實(shí)際溫度呈非線性增長(zhǎng)。解決熱電阻非線性補(bǔ)償問(wèn)題，通常采用硬件補(bǔ)償和軟件補(bǔ)償兩種方法。其中，軟件補(bǔ)償常采用計(jì)算法、查表法和插值法來(lái)進(jìn)行補(bǔ)償。為了提高該裝置的檢測(cè)精度，減少硬件電路的消耗，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)采用軟件編程的方法來(lái)解決熱電阻非線性補(bǔ)償?shù)膯?wèn)題，即通過(guò)查表的方式來(lái)校正熱電阻的非線性問(wèn)題。這種方法通過(guò)編輯溫度變化表來(lái)校正熱電阻，從而得到更準(zhǔn)確的溫度值。部分溫度值如表1所示。

表1 溫度變化表

4 結(jié)語(yǔ)

本文討論了基于組態(tài)王與非線性Pt100鉑熱電阻的溫度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。通過(guò)組態(tài)王建立工程場(chǎng)所的控制模擬系統(tǒng)，采用Pt100鉑熱電阻對(duì)外界環(huán)境和設(shè)備內(nèi)部溫度的變化進(jìn)行控制和調(diào)試，從而保證工廠設(shè)備正常運(yùn)行。

該溫度采集系統(tǒng)以單片機(jī)為基礎(chǔ)，充分發(fā)揮模塊的優(yōu)勢(shì)，采用組態(tài)王軟件處理并顯示采集的數(shù)據(jù)，由計(jì)算機(jī)將信號(hào)反饋回模塊，為用戶提供了良好的人機(jī)界面，實(shí)現(xiàn)了溫度曲線實(shí)時(shí)顯示、歷史數(shù)據(jù)查詢以及報(bào)警事件顯示等功能。該溫度采集系統(tǒng)具有可靠性強(qiáng)、操作簡(jiǎn)單、功能強(qiáng)大等特點(diǎn)，目前已在實(shí)際項(xiàng)目中得到了良好的應(yīng)用。

[1]郝迎吉，馬德平.一種基于單片機(jī)的組態(tài)王溫度監(jiān)控系統(tǒng) [J].西安科技大學(xué)學(xué)報(bào)， 2005， 25（2）：201-203,223.

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Design and Research of Temperature Data Acquisition System Based on King View Software

Wang Chenggang Yan Furong Qu Lingshuai

The design method of temperature acquisition system based on Kingview software and platinum thermal resistor Pt100 was put forward.First,the nonlinear Pt100 platinum thermal resistance is used to collect the temperature signals of the surrounding environment of the object being measured.Secondly,the resistance signal is input through the I-7015 module of ICP DAS company,and the signal is transmitted into the computer for data analysis and processing by using I-7520.Finally,the program of real-time monitoring interface,real-time temperature curve,temperature data report and alarm program are respectively written in King View software.

Platinum thermal resistor;Real-time monitoring;King View software;Condensing cooling;Temperature;Data acquisition system

TQ 056

10.16759/j.cnki.issn.1007-7251.2017.10.009

國(guó)家自然科學(xué)基金（50976080）；武漢工程大學(xué)創(chuàng)新基金（編號(hào)：CX2015027）。

**王成剛，男，1974年生，博士，副教授。武漢市，430073。

2017-02-12）