基于LabVIEW的多通道溫度監(jiān)控系統(tǒng)研究

邢翠芳，邢康林，李 祁，趙海冰

（1.海軍航空工程學(xué)院 基礎(chǔ)部，山東 煙臺 264000；2.河南工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，河南 鄭州 450007）

基于LabVIEW的多通道溫度監(jiān)控系統(tǒng)研究

邢翠芳1，邢康林2，李 祁1，趙海冰1

（1.海軍航空工程學(xué)院 基礎(chǔ)部，山東 煙臺 264000；2.河南工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，河南 鄭州 450007）

本文針對溫控系統(tǒng)的工業(yè)應(yīng)用需求，分析了溫度監(jiān)控系統(tǒng)的基本組成，探討了溫控系統(tǒng)程序編寫及功能設(shè)置的基本原則，并搭建了基于LabVIEW 的多通道溫度監(jiān)控系統(tǒng)。通過對比相關(guān)參數(shù)，分析了現(xiàn)有測溫模塊的性能特點(diǎn)。結(jié)合某型加熱爐的生產(chǎn)過程，對基于不同測溫模塊的溫控系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)測試，測試結(jié)果證明了溫控系統(tǒng)程序的正確性，測試結(jié)果的準(zhǔn)確性及監(jiān)控方案的有效性。

多通道；溫度監(jiān)控系統(tǒng)；LabVIEW；程序設(shè)計(jì)

溫度是工業(yè)生產(chǎn)中的重要工藝參數(shù)，是表征設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的一個(gè)重要指標(biāo)。在工程應(yīng)用過程中，設(shè)備出現(xiàn)相關(guān)故障的一個(gè)明顯特征就是溫度的升高[1]。溫度監(jiān)測也因此在設(shè)備故障診斷的整個(gè)技術(shù)體系中占有重要的地位。此外，溫度參數(shù)也是控制領(lǐng)域的一個(gè)重要的控制參量，它不但是各種加熱爐控制的初始參數(shù)，也是化工、制藥過程中工藝調(diào)控的關(guān)鍵參數(shù)之一。相關(guān)數(shù)據(jù)顯示：溫度檢測約占工業(yè)檢測總數(shù)的50%[2]。

因此，如何快速的搭建溫度監(jiān)測系統(tǒng)、準(zhǔn)確的監(jiān)測溫度值、判斷并調(diào)控設(shè)備及過程運(yùn)行狀態(tài)已成為測溫系統(tǒng)研究熱點(diǎn)問題。

現(xiàn)有溫度監(jiān)測產(chǎn)品較多，具備溫度監(jiān)測的主要功能。但商業(yè)化的測溫系統(tǒng)成本較高，溫度數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)量及通道數(shù)有限。不適用于實(shí)驗(yàn)室及微型企業(yè)的二次開發(fā)的多變需求。鑒于此，本文對具有操作簡便、價(jià)格適中并且具備有二次開發(fā)功能的溫度監(jiān)控系統(tǒng)做了研究。

1 系統(tǒng)原理及組成

1.1 多通道爐溫監(jiān)控系統(tǒng)原理

溫度傳感器的工作端在感應(yīng)到溫度源的溫度變化后，根據(jù)熱電效應(yīng)原理，將溫度的改變轉(zhuǎn)化為電壓信號輸出。數(shù)據(jù)采集設(shè)備（如數(shù)據(jù)采集卡、測溫模塊等）將采集的信號經(jīng)過信號放大器及濾波器處理后傳送給計(jì)算機(jī)，在經(jīng)過溫度電壓的轉(zhuǎn)換運(yùn)算后即可獲得相應(yīng)的溫度值[1]。

1.2 多通道爐溫監(jiān)控系統(tǒng)組成

通常，典型的監(jiān)控系統(tǒng)主要有信號輸入模塊、信號調(diào)理模塊、信號分析模塊及控制輸出模塊組成[3]。信號輸入模塊主要完成溫度的信號的采集。將溫度量的變化轉(zhuǎn)為電壓信號輸入到信號調(diào)理模塊。信號調(diào)理模塊主要用來完成溫度信號的信號調(diào)理。由于單元測試的溫度信號電壓值較小，需要對其進(jìn)行放大處理以方便溫度信號的遠(yuǎn)距離傳輸。之后進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，完成模擬量與數(shù)字量的轉(zhuǎn)換。信號分析模塊主要完成溫度信號的動(dòng)態(tài)顯示及儲(chǔ)存分析。信號的輸出模塊主要實(shí)現(xiàn)對部設(shè)備進(jìn)行動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)調(diào)控。按照該模式，構(gòu)建了基于LabVIEW的多通道溫度監(jiān)控系統(tǒng)。其具有溫度檢測及輸出控制功能（報(bào)警信息），可以滿足工業(yè)需求。該系統(tǒng)的原理如圖1所示。

圖1 溫度監(jiān)控系統(tǒng)原理圖

2 監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

目前，可采用的編程語言主要有：Visual C++，Visual Basic，Delphi，C++Builder，Visual Studio，.Net及 LabVIEW等。上述前幾種語言，語言編譯環(huán)境較差并且程序編寫復(fù)雜，工作量大。再次開發(fā)時(shí)對軟件編寫者的綜合素質(zhì)要求高。相比而言，基于對象的圖形化編程語言LabVIEW則可以被更高效的編寫為監(jiān)控程序。作為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件，它目前廣泛地被工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和研究實(shí)驗(yàn)室所接受并大量應(yīng)用[2]。

此外，LabVIEW軟件提供了多種圖形化的編程控件，可以供用戶方便的使用。用戶通過基于順序結(jié)構(gòu)的程序運(yùn)行流程，可以清晰的理順系統(tǒng)運(yùn)行邏輯，方便糾錯(cuò)。

2.1 前面板設(shè)計(jì)及功能探討

溫控系統(tǒng)的前面板設(shè)計(jì)應(yīng)遵循界面友好、操作簡單及功能齊全的標(biāo)準(zhǔn)。前面板設(shè)計(jì)內(nèi)容主要包含基本參數(shù)設(shè)置（如采樣通道、采樣速率、緩沖區(qū)大小以及觸發(fā)溫度等），分析顯示分析 （如求取溫度信號的上升下降時(shí)間，最高溫度值及相應(yīng)的發(fā)生時(shí)間）及溫度數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)及調(diào)用[3-4]。根據(jù)上述原則，設(shè)置的前面板如圖2所示。

圖2 監(jiān)控系統(tǒng)前面板

監(jiān)控系統(tǒng)的主界面具備有數(shù)據(jù)采集、通道溫度顯示、數(shù)據(jù)保存、超限報(bào)警及控制輸出功能。在數(shù)據(jù)采集欄中，通過下拉菜單欄，使用者可以選擇采樣通道、采樣率、溫度源類型（熱電偶、熱電阻等）、最高及最低溫度區(qū)間等；在通道溫度顯示欄中，可以看到溫度的實(shí)時(shí)曲線。同時(shí)，為滿足用戶將理論曲線與實(shí)際溫度曲線對比分析需求，編制了綜合顯示圖。為實(shí)現(xiàn)該功能，將LabVIEW控件中的波形圖表及任意仿真曲線發(fā)生器兩個(gè)功能相結(jié)合，通過調(diào)整顯示圖參數(shù)設(shè)置，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)曲線和理論曲線的同時(shí)顯示。在數(shù)據(jù)保存環(huán)節(jié)中，溫度信號值被保存為TDMS格式，該格式是一種二進(jìn)制記錄文件，它兼顧了高速、易存取和方便等多種優(yōu)勢。經(jīng)系統(tǒng)運(yùn)行測試，雙通道48小時(shí)溫度測量，該信號格式的信號儲(chǔ)存空間為25 Mb。證明其可以實(shí)現(xiàn)用戶對信號高速保存、小容量存儲(chǔ)的需求。數(shù)據(jù)回放是監(jiān)控系統(tǒng)的常用功能之一，在該程序中，提供了兩種不同的調(diào)用方式。其一，調(diào)用實(shí)時(shí)溫度曲線的歷史數(shù)據(jù)。其二，采用TDMS讀取函數(shù)，調(diào)用并讀取保存的TDMS文件，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)的回放。作為監(jiān)控系統(tǒng)的核心功能，超限報(bào)警?？紤]到用戶在實(shí)際運(yùn)行中的需求，該監(jiān)控系統(tǒng)軟件提供了高溫臨界報(bào)警以及溫度區(qū)間報(bào)警兩種功能。以加熱爐為例，高溫臨界報(bào)警用以解決加熱爐系統(tǒng)運(yùn)行異常，造成熱源無限加熱的錯(cuò)誤動(dòng)作。而溫度區(qū)間報(bào)警則適用于保溫階段的溫度監(jiān)控，該階段溫度的非正常上下波動(dòng)則會(huì)被系統(tǒng)識別，并及時(shí)提供報(bào)警信息。同時(shí)，利用控制輸出功能，在對報(bào)警信息進(jìn)行分析識別之后，實(shí)現(xiàn)控制相關(guān)對象的功能。

對于溫度異常情況下的報(bào)警提示，現(xiàn)有產(chǎn)品多采用報(bào)警燈及報(bào)警聲音作為提示。它可以滿足短時(shí)現(xiàn)場監(jiān)控的實(shí)際應(yīng)用。但是，對于長時(shí)間、無人狀態(tài)下的連續(xù)監(jiān)控而言，如何及時(shí)的傳遞報(bào)警信息顯得尤為必要。為此，該系統(tǒng)提供了多種報(bào)警方式以實(shí)現(xiàn)對不同使用現(xiàn)場的需要。具體包擴(kuò)：報(bào)警燈、報(bào)警聲音提示；在線郵件提醒通知[3-6]。在基于 Microsoft Outlook軟件基礎(chǔ)上，采用LabVIEW軟件編寫了可以通知多位用戶的報(bào)警郵件發(fā)送程序。該功能的前面板及后置程序如圖3所示。

2.2 程序框圖的設(shè)計(jì)

程序框圖不僅包括采集主程序，還包括存儲(chǔ)、綜合顯示及報(bào)警信息輸出等功能的實(shí)現(xiàn)。與單通道數(shù)據(jù)采集不同，要實(shí)現(xiàn)多通道數(shù)據(jù)的獨(dú)立、無序、準(zhǔn)確采集，在LabVIEW軟件程序編寫中必須注意以下問題：

1）減少潛嵌套循環(huán)的使用。通常，單一重復(fù)功能的實(shí)現(xiàn)多伴隨著循環(huán)結(jié)構(gòu)。大量循環(huán)結(jié)構(gòu)的堆積，會(huì)造成進(jìn)入死循環(huán)的可能性。原因在于嵌套循環(huán)的總停止必須基于隔層循環(huán)的終止。為很好地解決上述問題，LabVIEW軟件引入了生產(chǎn)消費(fèi)者結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)多重循環(huán)的獨(dú)立調(diào)用，滿足了程序編制的需要。

2）初始參數(shù)的輸入及設(shè)置。LabVIEW軟件提供的圖形化輸入界面及參數(shù)設(shè)置界面可以很好地方便用戶的設(shè)置。但是，在測試過程中，經(jīng)常出現(xiàn)參數(shù)遺漏輸入及參數(shù)輸入超程的情況，因此，在程序的編寫過程中，要注意盡可能地將關(guān)鍵參數(shù)以常量的形式輸入程序中。

圖3 郵件發(fā)送程序前面板及程序圖

3）控件標(biāo)簽的標(biāo)注。多通道溫度監(jiān)測系統(tǒng)的后臺程序比較復(fù)雜，為了方便用戶修改調(diào)試，盡可能在每個(gè)圖標(biāo)前標(biāo)注標(biāo)簽。同時(shí)，采用LabVIEW軟件中的整理功能，將各種小程序整理。這樣，在今后程序調(diào)試及修改中，程序員的效率將得到極大提升。

遵循上述原則，設(shè)計(jì)的監(jiān)控系統(tǒng)的程序如圖4所示。

圖4 溫度監(jiān)控系統(tǒng)部分程序圖

3 監(jiān)控系統(tǒng)硬件選擇

溫度監(jiān)控系統(tǒng)的硬件的選擇應(yīng)基于價(jià)格適中、功能完善、支持多種溫度信號輸入、具有多通道數(shù)據(jù)采集、支持LabVIEW軟件編程的原則。此外，在由外部控制的情況下，應(yīng)該考慮硬件設(shè)施的對外輸出功能。綜合上述因素，在支持的通道數(shù)、接口編程難易、是否支持輸出及價(jià)格高低等四方面分析比較了常見的測溫模塊。其各自有缺點(diǎn)對比如表1所示。

表1 常見測溫模塊比較表

通過對比可以發(fā)現(xiàn)，同等性能的測溫模塊，NI系列產(chǎn)品能夠具有編程簡單方便實(shí)用的特點(diǎn)。但是其不具備反饋輸出功能，無法將控制量進(jìn)行輸出。而阿爾泰的測溫產(chǎn)品，在價(jià)格上比研華及NI同類型產(chǎn)品便宜，但是在軟件連接上略微復(fù)雜，不具備輸出功能。無法滿足用戶多樣的需求。研華測溫模塊價(jià)格適中，并且?guī)в蠰abVIEW驅(qū)動(dòng)函數(shù)（DAQ NAVI，類似于 LabVIEW軟件中的 DAQ max函數(shù)），可以方便的同LabVIEW軟件相接，進(jìn)行溫度采集。同時(shí)，自帶的模擬和數(shù)字量輸出功能可以完成各種控制功能。

4 測溫系統(tǒng)測試及結(jié)果分析

4.1 測溫系統(tǒng)測試條件

根據(jù)由 LabVIEW編制的溫度監(jiān)控系統(tǒng)程序，選擇NIUSB-6212以及研華USB-4718兩種測溫模塊硬件設(shè)備進(jìn)行測溫系統(tǒng)運(yùn)行測試。測溫系統(tǒng)的測試以洛陽亞博窯爐公司的某兩型玻璃加熱升降爐為溫度源（加熱范圍在0～1 600℃），以B型號熱電偶為溫度測試傳感器，結(jié)合某型玻璃生產(chǎn)過程，進(jìn)行了全程溫度監(jiān)測。實(shí)驗(yàn)分別對單通道和多通道進(jìn)行了測試，并保存溫度數(shù)據(jù)。為確保測試的準(zhǔn)確性，實(shí)驗(yàn)之前對B型熱電偶進(jìn)行了校準(zhǔn)。此外，測溫系統(tǒng)安裝直接影響著系統(tǒng)的監(jiān)控效果[5，7]。為提高測試結(jié)果的準(zhǔn)確性，采用B型熱電偶專用溫度補(bǔ)償線，并參照其使用規(guī)則，科學(xué)的布線進(jìn)而降低誤差影響，測溫系統(tǒng)裝置、顯示及安裝如圖5所示。

圖5 測溫系統(tǒng)裝置、顯示及安裝示意圖

4.2 測溫系統(tǒng)測試結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)通過分析比較加熱爐溫度值與溫度信號采集值得差值，確定溫度監(jiān)控系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。為細(xì)化分析比較間隔，以50℃作為一區(qū)間段進(jìn)行誤差計(jì)算。對于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的獲得，一方面，溫度監(jiān)控系統(tǒng)會(huì)自主記錄測溫?cái)?shù)值。另一方面，操作者目視觀察加熱爐子的溫度示數(shù)變化，在經(jīng)對比計(jì)算后，完成溫度曲線誤差計(jì)算。具體的溫度差值曲線如圖6所示。

圖6 單通道測試溫度差值曲線圖

通過對比觀察：使用NI USB-9213及研華USB-4718測溫模塊進(jìn)行溫度測量時(shí)，兩種不同爐子溫度變化趨勢一致。在常溫段溫度值與實(shí)際溫度示數(shù)相差較大，隨著爐溫的升高，溫度差值逐漸減小。在溫度到達(dá)180℃以后，兩者溫度差值穩(wěn)定。區(qū)別在于兩者溫度差值大小不同。

對于雙通道溫度測試，總體趨勢與單通道溫度變化趨勢一致。其溫度變化曲線如圖7所示。但是，在1 200℃時(shí)，采用NI9213測溫模塊獲得的溫度實(shí)時(shí)曲線開始出現(xiàn)變化。兩通道數(shù)據(jù)出現(xiàn)震蕩，偏離正常溫度值。隨著溫度升高，該震蕩幅值逐漸變大，在1 500℃時(shí)，兩通道溫度均不準(zhǔn)確，差值在100℃左右。與之相比，研華USB-4712測溫模塊數(shù)值準(zhǔn)確，在+/-2℃范圍內(nèi)浮動(dòng)，滿足了常規(guī)溫度監(jiān)控的需要。

此外，對于兩個(gè)不同加熱爐，由于所使用的熱電偶的性能不相同。因此，測出的溫度曲線之間存在差異。但經(jīng)過軟件補(bǔ)償之后，其可以準(zhǔn)確的顯示溫度值。對于硬件設(shè)備的性能的差異，后續(xù)有待繼續(xù)分析。

通過測溫實(shí)驗(yàn)，說明編寫的基于LabVIEW的溫度監(jiān)控系統(tǒng)程序的準(zhǔn)確性。同時(shí)，通過設(shè)置報(bào)警參數(shù)，也實(shí)現(xiàn)了報(bào)警郵件的及時(shí)準(zhǔn)確發(fā)送。經(jīng)過工業(yè)現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用，滿足了用戶的監(jiān)控需求。此外，對兩種不同的溫度采集模塊的性能也有了充分的掌握。

5 結(jié)束語

文中分析了溫度監(jiān)控系統(tǒng)的基本組成，并編制了基于LabVIEW的多通道溫度監(jiān)控系統(tǒng)。結(jié)合應(yīng)用需求探討了程序編制及功能設(shè)置。通過多項(xiàng)參考條件對比，提出了溫度監(jiān)控系統(tǒng)的硬件選購方案。在某型加熱爐上進(jìn)行了系統(tǒng)測試，測試結(jié)果證明編制程序的正確性及提出的監(jiān)控方案的有效性。此外，實(shí)驗(yàn)結(jié)果也說明了部分硬件設(shè)備的性能?？梢詾楣こ碳夹g(shù)人員提供一定使用參考。

圖7 雙通道測試溫度差值曲線圖

Research on multi-channel temperature monitoring system based on Labview

XING Cui-fang1，XING Kang-lin2，LI Qi1,ZHAO Hai-bing1
（1.Department of Basic Sciences，Naval Aeronautical and Astronautical University，Yantai 264000，China；2.College of Mechanical&Electrical engineering，Henan University of Technology，Zhengzhou 450007，China）

This paper aims to design a Multi-channel Temperature Monitoring System to satisfy the variable needs of industry.The structure，composition and functions of temprature monitoring system were discussed individually，and a new and practical temperature monitoring system was designed with LabVIEW.In additional，the comprehensive property of existing temperature measurement modules was got by comparasion of their parameters.Combined with the heating process of one furnace，the temperature monitoring systems based on different temperature measurement modules was tested and compared.The test results proved the correctness of temperature monitoring program based on Labview and the effectiveness in this temperature monitoring plan.

multi-channel;temperature monitoring system;LabVIEW；programming

TP277；TH811；TP314

B

1674－6236（2016）15-0138-04

2015-07-23 稿件編號：201507155

海軍航空工程學(xué)院基礎(chǔ)研究基金（HYJC201508）

邢翠芳（1982—），女，山東文登人，碩士研究生，講師。研究方向：傳感器網(wǎng)絡(luò)與數(shù)控。