基于LabVIEW的智能銅液測(cè)溫定氧儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

羊榮金

（杭州科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 杭州311402）

0　引言

風(fēng)力發(fā)電是目前發(fā)電技術(shù)應(yīng)用中最清潔、安全的，目前世界風(fēng)力發(fā)電發(fā)展速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其他新能源發(fā)展速度，未來風(fēng)力發(fā)電很可能成為全球電力的最主要來源。據(jù)中國(guó)風(fēng)能協(xié)會(huì)預(yù)測(cè)，中國(guó)風(fēng)電總裝機(jī)容量在2020年達(dá)到80億瓦，2030年達(dá)到180億瓦，2050年不低于500億瓦。我國(guó)政府將全力支持并建設(shè)智能電網(wǎng)，解決風(fēng)電輸送的瓶頸問題，推動(dòng)風(fēng)電成為我國(guó)電力的主要來源之一。

同時(shí)在“十二五”規(guī)劃中，中國(guó)高鐵將作為新興產(chǎn)業(yè)大力優(yōu)先發(fā)展，目前相關(guān)技術(shù)已經(jīng)達(dá)到世界先進(jìn)水平。截至2017年，中國(guó)鐵路營(yíng)業(yè)里程達(dá)12.7萬公里，高鐵運(yùn)營(yíng)里程達(dá)2.5萬公里。而這僅僅是個(gè)開始，預(yù)計(jì)到“十三五”期末，中國(guó)鐵路營(yíng)業(yè)里程將達(dá)到15萬公里以上，其中高速鐵路達(dá)3萬公里以上。

上述產(chǎn)業(yè)用到的發(fā)電機(jī)組、變壓器、牽引電機(jī)、接觸導(dǎo)線等都需要用到大量高品質(zhì)的電磁線。衡量電磁線的主要質(zhì)量指標(biāo)有抗拉強(qiáng)度、延伸率、導(dǎo)電率、耐壓性、氧含量及表面質(zhì)量，其中氧含量是其主要質(zhì)量指標(biāo)之一。對(duì)于生產(chǎn)電磁線的原材料高純無氧銅桿，如果氧含量過高會(huì)出現(xiàn)以下現(xiàn)象：①銅桿中的氧，以氧化銅狀態(tài)，從晶相組織上看氧化銅存在于晶粒邊界附近，氧化銅以夾雜形式在晶界出現(xiàn)對(duì)材料的韌性產(chǎn)生負(fù)面影響，導(dǎo)致銅桿的機(jī)械性能下降、在后續(xù)加工中出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象；②由于氧化銅的存在會(huì)造成銅桿導(dǎo)電率降低；③加工后的銅產(chǎn)品在含氫氣環(huán)境中退火會(huì)產(chǎn)生氣泡和針孔，影響表面質(zhì)量；④產(chǎn)品表面有瑕疵后會(huì)降低耐高壓性能。以上現(xiàn)象都會(huì)對(duì)相關(guān)設(shè)備運(yùn)行造成運(yùn)行效率下降，并存在很大的安全隱患。

浸涂法 DIP（Dip Forming Costing System）是無氧銅桿的主要生產(chǎn)工藝，銅桿中的氧含量取決于鑄造銅桿的銅液中的氧含量，為了保證無氧銅桿低氧含量，必須在生產(chǎn)作業(yè)前檢測(cè)銅液中的氧含量。通過對(duì)銅液測(cè)溫定氧原理分析，在圖形化虛擬裝置編程軟件LabVIEW2011環(huán)境開發(fā)了基于虛擬裝置技術(shù)的銅液測(cè)溫定氧儀裝置。該裝置具有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示、歷史數(shù)據(jù)再現(xiàn)、數(shù)字濾波、聲光報(bào)警和文件后處理等功能。

1　LabVIEW簡(jiǎn)介

與C和BASIC等編程語言一樣，LabVIEW有一個(gè)完成任何編程任務(wù)的龐大函數(shù)庫(kù)。LabVIEW的函數(shù)庫(kù)包括測(cè)量數(shù)據(jù)采集、串口控制、數(shù)據(jù)分析、顯示及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能。LabVIEW也有傳統(tǒng)編程軟件具有的程序調(diào)試工具，比如程序運(yùn)行設(shè)置斷點(diǎn)、以動(dòng)畫方式來顯示數(shù)據(jù)及其子程序（子VI）的結(jié)果、單步執(zhí)行等功能，便于程序員對(duì)程序的調(diào)試[1]。

LabVIEW （Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）是一種用圖標(biāo)替代代碼行進(jìn)行應(yīng)用程序設(shè)計(jì)的圖形化編程語言。傳統(tǒng)文本編程語言根據(jù)語句和指令的先后順序決定程序執(zhí)行順序，而LabVIEW則采用數(shù)據(jù)流編程方式，對(duì)于工程技術(shù)人員只需要掌握一些基本編程知識(shí)，就可以根據(jù)生產(chǎn)工藝要求搭建圖形化程序，大大減低了工程技術(shù)人員軟件開發(fā)門檻。

LabVIEW還提供了很多外觀與傳統(tǒng)裝置（如示波器、萬用表）類似的控件，可讓工程師用來方便地創(chuàng)建用戶自定義界面，使用圖標(biāo)和連線，可以通過編程對(duì)前面板上的對(duì)象進(jìn)行流程控制，這就是圖形化源代碼（簡(jiǎn)稱G代碼）。LabVIEW的圖形化源代碼在很大程度上類似于流程圖，所以又被稱作程序框圖代碼。這是一個(gè)功能強(qiáng)大且容易上手的編程軟件，利用它可以非常便捷的建立自己的使用界面[2]。

2　原理分析

銅液測(cè)溫是利用一次性消耗快速熱電偶探頭作為測(cè)量專用傳感器，當(dāng)熱電偶插入銅液中，溫度急劇上升，在與銅液達(dá)到溫度平衡后，將呈現(xiàn)一段相對(duì)較平坦的測(cè)溫曲線，稱為“平臺(tái)”曲線，如圖1所示。這段曲線所代表的溫度，就可以認(rèn)為是銅液的實(shí)際溫度。由于生產(chǎn)過程銅液實(shí)際溫度高低不同，熱電偶的型號(hào)不同，此平臺(tái)的長(zhǎng)度和平臺(tái)的波動(dòng)曲線也不同。

圖1　溫度和氧電勢(shì)測(cè)量曲線

銅液中氧含量的測(cè)量相對(duì)比較復(fù)雜，它是通過測(cè)量銅液的溫度值和氧電勢(shì)間接計(jì)算求得，所以氧含量的測(cè)量必須采用復(fù)合測(cè)量探頭即測(cè)溫定氧探頭專用探頭，一次測(cè)量同時(shí)得到銅液溫度值和氧電勢(shì)，再經(jīng)過相應(yīng)換算公式計(jì)算才能得到氧含量[3]。

銅液氧含量與溫度、氧電勢(shì)的關(guān)系十分復(fù)雜，本裝置可以根據(jù)測(cè)溫定氧探頭廠家提供的公式及參數(shù)進(jìn)行換算，比如上海賀利氏電測(cè)騎士有限公司生產(chǎn)的CE-CU1200-S測(cè)溫定氧復(fù)合探頭為例，其換算公式為：

式中，ao為氧含量（PPM），T為銅液溫度值（℃），EMF為氧電勢(shì)（mV）。

測(cè)溫定氧復(fù)合探頭由一個(gè)固體參考電池和PtRh/Pt熱電偶組成，固體電解池是用來測(cè)氧電勢(shì)的，熱電偶是用來測(cè)溫度的。兩種探頭集成在一個(gè)由一個(gè)圓錐形沙體內(nèi)部，由銅帽和紙?jiān)鳖^部保護(hù)，在外部有一次性的紙?zhí)坠鼙Ｗo(hù)，如圖2所示。

圖2　測(cè)溫定氧復(fù)合探頭

3　總體設(shè)計(jì)方案

根據(jù)銅液測(cè)溫定氧原理，設(shè)計(jì)出裝置方案，如圖3所示。

圖3　測(cè)溫定氧儀設(shè)計(jì)方案

為了便于現(xiàn)場(chǎng)攜帶，方案采用研華PPC-128T 12寸一體式觸摸工業(yè)平板電腦，自帶自動(dòng)數(shù)據(jù)流控制RS 485（COM2端口），測(cè)量溫度值和氧電勢(shì)分別通過宇電智能儀表AI708進(jìn)行采集，上位機(jī)采用Lab－VIEW編程軟件通過RS485接口分別與兩塊儀表通訊，當(dāng)測(cè)槍插入銅液后，實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)記錄數(shù)據(jù)，并進(jìn)行氧含量換算，測(cè)量進(jìn)度可通過聲光報(bào)警器提醒測(cè)試人員，及時(shí)撤出測(cè)槍，防止測(cè)槍在銅液中停留時(shí)間過長(zhǎng)而損壞，并根據(jù)相應(yīng)的數(shù)據(jù)濾波方案，得到最終的銅液氧含量[4]。

4　方案實(shí)現(xiàn)

4.1　工業(yè)平板電腦RS485通訊端口設(shè)置

研華PPC-128T機(jī)型帶4個(gè)串口，其中COM2口可支持RS-232/422/485.串口模式的修改在BIOS中進(jìn)行設(shè)置，具體設(shè)置方法如下：進(jìn)入BIOS中，在Integrated Peripherals—Super IO選項(xiàng)中，將Serial Port2 Mode選項(xiàng)設(shè)置為 RS232/RS422/RS485，默認(rèn)為RS232.若使用RS-485模式，選擇RS485，同時(shí)還需要將COM2 autoflow選項(xiàng)設(shè)置為enabled，打開自動(dòng)流控功能。其中 COM2口定義針腳：1：RS-；2：RS+.具體參數(shù)設(shè)置如圖4所示。

圖4　PPC-128T RS485端口設(shè)置

4.2　宇電智能儀表AI708參數(shù)設(shè)置

宇電智能儀表AI708采用AIBUS通訊協(xié)議，能用簡(jiǎn)單的指令實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的功能，并提供比其它常用協(xié)議（如MODBUS）更快的速率（相同波特率下快3~10倍），上位機(jī)訪問一臺(tái)AI708儀表的平均時(shí)間僅20 ms.儀表使用異步串行通訊接口，接口電平符合RS232C或RS485標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定。

CE-CU1200-S測(cè)溫定氧探頭為S型熱電偶，氧電勢(shì)輸出范圍：-1V~1V。根據(jù)上述信號(hào)規(guī)格，分別設(shè)置儀表參數(shù)，可通過儀表顯示界面直接修改相應(yīng)參數(shù)，也可以在通訊成功后，LabVIEW發(fā)送特定的指令方式進(jìn)行修改修改。

儀表參數(shù)設(shè)置如下：數(shù)據(jù)格式為1個(gè)起始位，8位數(shù)據(jù)，無校驗(yàn)位，1個(gè)停止位。通訊傳輸數(shù)據(jù)的波特率 bAud：9600 bit/S.設(shè)置溫度值儀表：Addr：01；輸入規(guī)格InP：01（S型熱電偶）。設(shè)置氧電勢(shì)儀表：Addr：02，輸入規(guī)格 InP：37（-5 V~5 V）。

4.3　LabVIEW通訊參數(shù)設(shè)置

LabVIEW串行口通信功能函數(shù)提供方便的用戶接口，常用的主要函數(shù)有VISA配置串口、串口寫入、串口讀出和串口關(guān)閉等功能，如圖5所示，可快速地定義主機(jī)串口號(hào)、從機(jī)地址、傳送的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度及一幀串行數(shù)據(jù)的格式規(guī)約，包括波特率、數(shù)據(jù)位、奇偶校驗(yàn)和停止位等。正是利用了LabVIEW編程語言直觀、快捷的特點(diǎn)，工程人員可以通過功能模塊的組合和連接，能夠方便地根據(jù)儀表廠家提供的通信協(xié)議開發(fā)出適合各種不同設(shè)備之間的通信程序。

圖5　串口通信函數(shù)

在LabVIEW中進(jìn)行串口通信的基本步驟是：1）初始化串口，設(shè)置串口參數(shù)與從機(jī)串行通訊參數(shù)一致；2）讀寫端口；3）延時(shí)；4）重復(fù)步驟 2）；5）退出程序前先關(guān)閉串口。

首先調(diào)用VISA Configure Serial Port打開串口并進(jìn)行適當(dāng)?shù)呐渲?，參?shù)配置說明如圖6所示，必須需智能儀表AI708通訊參數(shù)一致才能確保正常通信，參數(shù)如下：VISA resource name：COM2；Baud rate：9600；Data bits：8；Stop bits：1；其它參數(shù)保持默認(rèn)即可。

圖6　VISA Configure Serial Port參數(shù)表

4.4　測(cè)量參數(shù)采集實(shí)現(xiàn)

AI708儀表采用16進(jìn)制數(shù)據(jù)格式來表示各種功能指令代碼及數(shù)據(jù)，標(biāo)準(zhǔn)讀指令代碼：地址代號(hào)+52H+要讀的參數(shù)代號(hào)+0+0+校驗(yàn)碼。該儀表通訊協(xié)議規(guī)定如下：

地址代號(hào)為兩個(gè)相同的字節(jié)，數(shù)值定義為（儀表地址+80H）。以氧電勢(shì)儀表為例，參數(shù)Addr=02（即16進(jìn)制數(shù)為02H，則01A+80H=82H），則該儀表的地址代號(hào)為：82H 82H.

功能參數(shù)代號(hào)（0-56H）：儀表的參數(shù)定義1個(gè)8位二進(jìn)制數(shù)的參數(shù)代號(hào)來表示。它在指令中表示要讀的參數(shù)名。

校驗(yàn)碼：校驗(yàn)碼采用標(biāo)準(zhǔn)16位求和校驗(yàn)方式，讀指令的校驗(yàn)碼算法為：要讀參數(shù)的代號(hào)X 256+82+Addr.

儀表返回?cái)?shù)據(jù)：儀表一共返回10個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)內(nèi)容，其格式為：測(cè)量值+給定值+輸出值及報(bào)警狀態(tài)+所讀參數(shù)值+校驗(yàn)碼。

根據(jù)上述通訊協(xié)議，在LabVIEW軟件中繪制讀幀指令及串口讀程序框圖，如圖7所示，將讀取的PV值存入變量，供程序調(diào)用。

圖7　測(cè)量參數(shù)讀取程序框圖

以讀取溫度值儀表為例，儀表地址：01H，讀取地址：16H，根據(jù)AI708儀表AIBUS通訊協(xié)議，向端口2發(fā)送16進(jìn)制數(shù)據(jù)：8181521600005316，儀表通訊成功后返回?cái)?shù)據(jù)：B7440000 6E708025A6DA，其中B7H代表測(cè)量值PV低位，44H代表測(cè)量值PV高位，實(shí)際測(cè)量PV值為44B7，換算成十進(jìn)制數(shù)為17 591，即溫度值1 759.1℃.

5　程序設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

5.1　測(cè)量值采集和數(shù)據(jù)處理

根據(jù)銅液測(cè)溫定氧特性，典型的參數(shù)設(shè)置為當(dāng)測(cè)溫定氧復(fù)合探頭插入銅液后，溫度急劇上升，到達(dá)起點(diǎn)溫度：1 000℃后，開始采集并記錄溫度值和氧電勢(shì)，持續(xù)時(shí)間10 s或者測(cè)量溫度超過1 300℃，只需滿足其一條件，即自動(dòng)停止數(shù)據(jù)采集，并通過聲光報(bào)警器提醒測(cè)量人員將測(cè)槍從銅液中撤出，防止燒熔測(cè)槍。以上參數(shù)通過參數(shù)設(shè)置界面可以進(jìn)行調(diào)整，如圖8所示為數(shù)據(jù)采集和處理參數(shù)設(shè)置界面。

圖8　數(shù)據(jù)采集和處理參數(shù)設(shè)置界面

為了確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，需對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，采用恒周期為50 ms采樣，在滿足采集條件下的數(shù)組中自動(dòng)搜索第一次滿足連續(xù)50個(gè)樣本的標(biāo)準(zhǔn)差σ小于0.5的平均值作為測(cè)量結(jié)果。如果數(shù)組中找不到滿足條件的樣本，則認(rèn)為本次測(cè)量無效，需更新探頭重新測(cè)量。如圖9所示為采用標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算測(cè)量結(jié)果程序框圖。

圖9　采用標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算測(cè)量結(jié)果程序框圖

5.2　氧濃度值換算

由于測(cè)溫定氧廠家探頭類型不同，氧濃度換算參數(shù)需要相應(yīng)的進(jìn)行改變，在程序中可以設(shè)置多組探頭參數(shù)配方，測(cè)量人員根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)用。在LabVIEW中利用Formula Node公式節(jié)點(diǎn)，公式節(jié)點(diǎn)語法與文本編程語言的語法相似，與C語言一樣，賦值結(jié)束后使用分號(hào)（；）。將已測(cè)得的溫度值和氧電勢(shì)值導(dǎo)入公式節(jié)點(diǎn)，通過自定義公式和參數(shù)配方，換算成氧濃度。如圖10所示為氧濃度換算程序框圖。

圖10　氧濃度換算程序框圖

根據(jù)測(cè)溫定氧復(fù)合探頭廠家提供的探頭參數(shù)配方為：f1=8.936，f2=-9562.3，f 3=10.08，f4=f5=0.銅液溫度值T=1 145℃，氧電勢(shì)EMF=-290 mV，根據(jù)公式（1），得到銅液氧濃度ao=1.4 ppm.

5.3　人機(jī)交互界面

人機(jī)交互界面將測(cè)量相關(guān)信息顯示在界面上，便于用戶進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和信息讀取。

友好的人機(jī)界面將測(cè)量數(shù)據(jù)以曲線圖形、圖表形式展現(xiàn)在用戶面前，便于測(cè)量人員及時(shí)掌握測(cè)量進(jìn)度。從界面中可以顯示測(cè)量探頭狀態(tài)、測(cè)量進(jìn)度、當(dāng)前溫度和氧電勢(shì)，同時(shí)為了便于統(tǒng)計(jì)，可輸入作業(yè)人員姓名和測(cè)量位置等信息，這些信息在測(cè)溫完成后，會(huì)以表格形式自動(dòng)匯總，可以根據(jù)用戶需要進(jìn)行查閱。

經(jīng)過長(zhǎng)期的生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐檢驗(yàn)，根據(jù)測(cè)溫定氧儀的測(cè)試結(jié)果，保證了銅桿中的低氧含量，提供了產(chǎn)品品質(zhì)。圖11所示為測(cè)溫定氧儀測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)。

圖11　測(cè)溫定氧儀測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)

6　結(jié)束語

在LabVIEW2011軟件平臺(tái)利用工業(yè)平板電腦RS485通訊串口，通過AIBUS通訊協(xié)議，實(shí)現(xiàn)與多個(gè)儀表進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，采集相關(guān)數(shù)據(jù)并通過計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)運(yùn)算，測(cè)出銅液中的氧濃度。經(jīng)工廠長(zhǎng)期現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐證明，該裝置自動(dòng)化程度高、測(cè)溫結(jié)果準(zhǔn)確穩(wěn)定、軟件界面友好，已達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)。