基于LabVIEW的儲液罐狀態監控系統設計

王俊峰　黃昆　吳麗麗　彭瑞　黃心雨

【摘 要】利用LabVIEW2015虛擬儀器軟件開發平臺，以計算機、USB-4716數據采集卡、傳感器和信號調理電路作為硬件平臺，設計了一個儲液罐狀態監控系統，實現對儲液罐中液體的液位、溫度、壓力的實時監測和液位的PID控制功能。

【關鍵詞】LabVIEW;USB-4716;儲液罐;狀態監控

中圖分類號： TP274 文獻標識碼： A 文章編號： 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）公司研制的虛擬環境開發平臺，它突破了傳統電子儀器以硬件為主體的模式，其組成可以概括為數據的采集與控制，數據的分析與處理，結果的輸出與顯示三大功能模塊[1]。本設計就是以儲液罐為被控對象，以儲液罐的液位為控制量，通過PID控制器發出的控制信號對儲液罐的液位進行精確的控制，并利用LabVIEW2015平臺對液體的壓力、液位和溫度信息進行顯示和存儲。

1 系統整體設計方案

本文設計的儲液罐狀態監控系統主要由硬件系統和軟件系統組成。其中硬件系統包括了PT100溫度傳感器，松下D3B壓力傳感器和USB-4716數據采集卡（圖1所示）以及計算機。

軟件系統進行了模塊化編程，主要可分為數據采集模塊、數據處理模塊、數據存儲模塊、數據顯示模塊和PID液位控制模塊五個模塊[2]。系統整體設計方案如圖2所示。

2 硬件系統設計及實現

溫度傳感器和壓力傳感器將液體的溫度、壓力等物理信號經過信號調理電路進行放大處理，得到1～5V（4～20mA）的標準信號，將其輸入到USB-4716數據采集卡的模擬輸入通道中進行A/D轉換，再由USB總線傳送到計算機中進行運算。將實際液位與預設液位的偏差值e（t）通過增量式PID控制算法產生控制信號輸出，再經過USB-4716數據采集卡進行D/A轉換成模擬信號對控制器電磁閥開度進行控制，以達到對液位的精確控制。

本設計所采用的PT100傳感器信號調理電路圖及D3B傳感器接線圖如圖3和圖4所示。

3 軟件系統程序設計及實現

當虛擬儀器的硬件平臺建立起來之后，設計、開發、研究虛擬儀器的主要任務就是編制應用程序。

系統軟件程序主要由仿真系統和實際系統組成，每個系統又可分為前面板設計和程序框圖設計兩大部分[3]。

3.1 仿真系統

仿真系統的前面板設計如圖5所示，其中預設液位為25cm。根據PID增量式算法對實際液位進行控制。不斷的調整PID參數使其達到最優控制效果，以整定實際系統中PID控制參數。由圖5中曲線可看出，此時控制效果較為理想，實際液位在剛達到預設液位有一定波動后基本保持不變，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 實際系統

實際系統的前面板和程序設計如圖7和圖8所示。

4 調試結果

如圖9所示，測得液體溫度為26.5℃，預設液位為12.1cm，實際液位為12cm，未報警，液體壓力顯示為1.18Kpa。繼續向容器中注水，如圖10所示，當實際液位超過預設液位達到13.8cm，此時，報警指示燈亮，液體壓力顯示為1.35Kpa。

5 結束語

本文利用LabVIEW2015軟件平臺，結合傳感器、信號調理電路、USB-4716數據采集卡、計算機等硬件系統實現了對儲液罐中液體的溫度、液位、壓力的監測和PID液位控制功能。利用仿真系統進行建模即可對PID控制參數進行整定，降低了開發的復雜性和縮短了開發周期，并具有良好的人機交互式界面，在日常生活及工業控制中具有很強的工程實踐性。

【參考文獻】

[1]張重雄，張思維.虛擬儀器技術分析與設計[M].北京：電子工業出版社，2012.

[2]張軍，黃昆，魯玉梅，等.基于LabVIEW和聲卡的數據采集分析系統設計[J].科技視界，2018，235（13）：172-173.

[3]黃昆，譚鈞劍，郝小江.基于USB4716的虛擬信號處理儀設計[J].計算機與網絡，2015，41（11）：73-75.

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