基于LabVIEW的PID多點精確控溫系統(tǒng)的設(shè)計

林支慷，范艾杰，侯佳欣，袁文博，陳愛平，顧大偉

(南京工業(yè)大學 數(shù)理科學學院,江蘇 南京 211800)

實際生活與工業(yè)生產(chǎn)中需要測量溫度和控制溫度的場合極其廣泛[1-2]，其中控溫方式種類繁多，如機械式控溫、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，計算出控制調(diào)節(jié)量，以實現(xiàn)對系統(tǒng)的控制[4]。目前PID控溫儀大多是由PID控制儀表與各類傳感器、配送器結(jié)合使用，如配合熱電阻或熱電偶以實現(xiàn)溫度的測量、顯示、報警控制與變送輸出[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)。在實際應(yīng)用中，經(jīng)常會遇到控溫對象物理尺寸較大的情況(如大型的隧道爐)，針對這種空間較大的加熱對象，單點PID控溫儀很難保證內(nèi)部溫度分布均勻的需要，而采取多臺單點控溫儀組成多點控溫系統(tǒng)則大大增加了系統(tǒng)的硬件成本和復雜程度。

本文設(shè)計的PID多點精確控溫系統(tǒng)是由計算機結(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)成一個多通道采集測控系統(tǒng)。通過LabVIEW編寫的程序?qū)崿F(xiàn)了PC端處理、存儲、顯示溫度變化，并控制網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集卡對加熱裝置進行精確控溫。LabVIEW是目前國際上應(yīng)用廣泛的虛擬儀器軟件平臺之一，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)勢在于測控系統(tǒng)的開發(fā)[6-9]。本文設(shè)計的控溫系統(tǒng)還可以通過局域網(wǎng)方便地擴充測溫及控溫端口，使用方便靈活，可以滿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)計測控溫系統(tǒng)時采用了常見的B型熱電偶，B型熱電偶屬于高溫熱電偶，測溫范圍可達到0～1800℃[10]。如果需要使用其他類型的熱電偶，在程序界面進行相應(yīng)的選取即可。

在實際測溫過程中，熱電偶只有在參考端(冷端)溫度不變的條件下，其熱電勢才與工作端溫度成單值函數(shù)關(guān)系[11-12]。為精確測量外界環(huán)境溫度，本文選用AD590設(shè)計了冷端溫度補償電路，如圖1所示。AD590在電路中工作時輸出的電流與環(huán)境溫度成線性關(guān)系[13]，通過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溫度補償電路圖

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

在常見的加熱裝置中，觸發(fā)控溫方式種類繁多，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)計的控溫系統(tǒng)采用了常見的固態(tài)繼電器觸發(fā)控溫方式。固態(tài)繼電器型號為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，負載電流為25A，負載電壓為24～380VAC?？販剡^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端導通。固態(tài)繼電器的斷態(tài)時間T≤10ms，能夠滿足系統(tǒng)對加熱時間精確控制的要求。

2 PID多點精確控溫系統(tǒng)程序

2.1 利用LabVIEW實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集卡與PC連接

NET0724與計算機的通信是基于局域網(wǎng)進行的。將NET0724通過網(wǎng)線與PC端進行物理連接后，在計算機的網(wǎng)絡(luò)與共享中心目錄下進行如圖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大的網(wǎng)絡(luò)功能，支持DataSocket遠程數(shù)據(jù)采集技術(shù)，可輕松實現(xiàn)遠程數(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)可以方便地編寫程序訪問數(shù)據(jù)采集卡[14]。圖3為PID多點精確控溫系統(tǒng)的聯(lián)機通信程序框圖，數(shù)據(jù)采集卡的默認IP地址為192.168.1.20。

圖3 數(shù)據(jù)采集卡與PC聯(lián)機程序框圖

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)采集卡測量得到的熱電偶電壓信號轉(zhuǎn)換為溫度值，該子VI有8種熱電偶類型(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，可將對應(yīng)的熱電偶的電壓信號轉(zhuǎn)換為溫度值并實時顯示在程序的前面板上。如圖5所示，數(shù)據(jù)采集卡測量熱電偶得到的溫度值將加上環(huán)境溫度進行中值濾波后得到最終的測溫點的實時溫度，并在前面板圖表中進行顯示。

圖4 B型熱電偶電壓轉(zhuǎn)換溫度程序框圖

圖5 溫度實時顯示程序框圖

2.3 PID工具包

LabVIEW的PID工具包提供了10個子VI供用戶使用，如圖6所示。利用PID工具包，不但可以在LabVIEW環(huán)境下通過友好的人機交互界面直觀方便地進行控制器的程序設(shè)計，還能充分發(fā)揮LabVIEW的各種強大功能，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控制系統(tǒng)，進行仿真及實際應(yīng)用[15]。

PID.vi是一個可用于搭建簡單PID控制器的子VI，該VI的輸入端需要設(shè)定3個PID參數(shù)值(PID gains)，包括系統(tǒng)反饋值(process variable)、實際期望值(setpoint)、微分時間(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個子VI，可以滿足用戶在大多數(shù)場合的應(yīng)用，根據(jù)不同的現(xiàn)場需求，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

如圖7所示，為本文利用LabVIEW軟件自主設(shè)計的進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間。在DO端口輸出高電平時，將觸發(fā)固態(tài)繼電器使AC端導通，此時加熱裝置通電加熱；當DO端口輸出低電平時，固態(tài)繼電器AC端不導通，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)、積分時間、微分時間、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。程序運行后PID.vi根據(jù)目標溫度和測量溫度進行計算，輸出值將傳遞給PWM.vi中，實現(xiàn)對加熱裝置通電加熱時間的精確控制。同時系統(tǒng)測量加熱裝置中的實時溫度反饋給PID.vi，形成一個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，對加熱時間的精確控制是保證精確控溫的重要因素。本文設(shè)計的PWM.vi控制加熱時間的精度能達到10ms，經(jīng)過多次實驗驗證，該控溫系統(tǒng)長時間定點控溫的波動小于一般的PID控溫裝置，在達到目標溫度在800℃后能長時間保持溫度波動范圍在±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)計的精密控溫系統(tǒng)是基于PC端運行的。在IP地址段192.168.0.0～192.168.0.255內(nèi)，一臺計算機可與253塊 NET0724數(shù)據(jù)采集卡組建成星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。基于網(wǎng)絡(luò)測控，系統(tǒng)可以采集4047路(16253-1=4047，冷端AD590溫度補償需要一個端口)熱電偶電壓信號進行精密測溫，控制2024個(2538=2024)DO端口分別獨立控制加熱裝置，構(gòu)建一個大型的多點測溫控溫平臺。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

在本文設(shè)計的精確控溫系統(tǒng)中，由LabVIEW軟件編寫的測控溫程序配合網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集卡、固態(tài)繼電器等硬件對加熱裝置進行精確測溫和控溫。程序利用數(shù)據(jù)采集卡接收加熱裝置中的熱電偶信號，采用PID算法計算每個控溫周期內(nèi)的加熱時間輸出給PWM.vi，通過數(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)測溫控溫系統(tǒng)。24位NET0724數(shù)據(jù)采集卡的電壓測量精度可達到10-7mV，能夠精確分辨B型熱電偶0.1℃的變化；自行設(shè)計的PWM.vi控制加熱時間的精度能達到10ms，保障了系統(tǒng)長時間定點控溫時溫度波動范圍能穩(wěn)定在±0.5℃之內(nèi)。通過星型結(jié)構(gòu)的局域網(wǎng)，系統(tǒng)利用交換機和NET0724采集卡可擴充至4047路測溫端口、2024路控溫端口，組成一個大型的測溫控溫平臺。