基于LabVIEW的多通道温度测控系统设计

金仁江 肖志华

(国电南瑞科技股份有限公司江苏南京210061)

基于LabVIEW的多通道温度测控系统设计

金仁江 肖志华

(国电南瑞科技股份有限公司江苏南京210061)

提出一种多通道的温度测控系统设计方法，利用热电偶作为温度传感器，传感器经NI 9211输入模块信号调理后进入计算机分析显示。软件利用LabVIEW图形化开发环境，结合DAQmx和PID软件包，实现参数的灵活配置。实验验证了该方法的准确性和较高的执行效率。

LabVIEW;数据采集;PID

0 引言

虚拟仪器(Virtual Instrument，简称VI)，即是在通用计算机平台上，用户根据自己的需求来定义和设计仪器的测量功能。其实质是以计算机为基础，配以相应测试功能的硬件作为信号输入输出的接口，完成信号的采集、测量与调理，从而完成各种测试功能的一种计算机化仪器系统［1］。近年来，随着虚拟仪器技术的发展成熟和PC机功能的完善，其已成为现代测试技术的主流。

温度测量是测量领域最重要最广泛的功能之一，频繁应用于气象观测、环境研究、工业自动化生产过程中［2］。例如钢铁制造、半导体电子生产过程等。在特定条件下的产品制造与工业质量保持稳定方面，温度测量是基础且十分重要，因此设计一种能够进行多点温度自动检测控制的系统就具有了较为广泛的应用价值。

1 温度测控系统总体设计

1.1 系统功能及组成

本文中介绍的温度测控硬件系统包括4根K型热电偶、NI 9211板卡、NI USB-9162、计算机。软件主要采用LabVIEW 2009，包含DAXmx、PID控制包等。系统可同时采集4路温度信号，可自定义采样数率及采样点数目，可显示各通道当前测量温度值以及整个测试过程中的最大值、最小值及平均值。具备设置越限报警的功能，以图表的形式显示整个测试过程中各个通道的温度变化情况，并对测量的原始数据进行记录存档。系统组成原理框图如图1所示。

图1 温度测控系统组成原理框图

1.2 NI 9211数据采集卡简介

温度测量误差一定程度上取决于热电偶类型、热电偶精度、待测温度，以及冷端温度［3］。由于热电偶生成的信号易被噪声干扰，需要由NI 9211进行热电偶信号的处理和滤波。NI 9211可连接热电偶输入信号，热电偶正极连接TC+端子，热电偶负极连结TC-端子。在模块内部，4个COM端子连至模块的隔离参考地。

NI 9211板卡内部结构如图2所示。该板卡具有4个热电偶通道，1个内部归零通道，1个内部冷端补偿通道。ADC分辨率24位。工作温度范围由NIST定义(J，K，T，E，N，B，R和S型热电偶)。转换时间单个通道70 ms，所有通道总共420 ms，能够满足一般的工业应用需要。

图2 NI 9211通道的输入电路

1.3 温度控制电路

温度控制接口电路采用三极管驱动继电器方式，原理图如图3所示。当温度高于设定温度时，微机输出占空比小的方波信号，经温度控制接口电路控制加热器使之单位时间内加热时间变短，从而使温度降低。当温度低于设定值时，控制过程正好相反，如此反复使温度保持恒定。

图3 温度控制电路原理图

2 软件系统设计

2.1 软件界面设计

软件界面提供了温控系统的各项主要参数设定，包括通道设置、热电偶传感器类型设定、采样点数目及采样率、告警上下限、预期温度、PID参数等。在软件界面上可以实时观测单个或者多个通道的温度变化，并以不同颜色进行区分。测试结束后会给出每个通道的最大值、最小值以及平均值，方便测试者现场人工快速得出结论。测试过程中，可以对整个测试数据进行归档处理，以便后期分析处理。整个软件界面如图4所示。

图4 温度测控系统软件主界面

2.2 程序框图设计

1)温度采集模块设计。本软件系统主要可分为温度采集显示以及温度控制两个功能。根据模块化的思想，在显示以及控制之前，需要对设备的通道选择以及热电偶参数、采样参数进行设置。然后测试系统，利用图形显示实时温度，并进行归档保存。采集模块系统框图如图5所示。

图5 温度数据采集模块程序框图

2)PID控制模块设计。PID算法是软件中控制部分的核心，该算法采用PID模糊控制技术，通过比例、积分、微分三方面的结合调整，形成一个模糊控制来解决惯性温度误差问题。增量式PID算法的输出量为:

其中，en，en－1，en－2分别为第n次、n－1次和n－2次的偏差值。kp、Ti、Td分别为比例系数、积分系数和微分系数，T为采样周期［4］。计算机每隔固定时间T将现场温度与用户设定目标温度的差值送入式(1)，由公式输出量决定PWM方波的占空比，从而控制加热时间改变温度。温度低，PWM波形占空比增大，输出导通时间长，输出截止散热时间短。通过不断地加热和散热，让系统温度恒定。

3 测试结果分析

本温度采集控制系统应用于实验室液体温场稳定性和一致性测定及控制中，在一个方形盛水容器中将4个热电偶探头放置于容器的四个角落进行数据采集，采样点数目100个，采样频率2 HZ。实验数据如表1所示。

表1 液体温场四通道测量值(℃)

从实测数据中可以看出，各被测点温度偏差最大为0.23℃，整个温场最大偏差为0.35℃。被测温场的均匀性较好。

单独对于通道1设置预期温度36.5℃，整定设置控制系统的PID参数。一般来讲，对于温控系统，KP取20%～60%;TI取3～15分;TD取0.5～3分，如果过渡过程时间过长，被控量迟迟回不到设定值，往往是比例带KP选大了或者TI选长了［5-6］。用试探法逐步调试确定，使PID系数分别为1.5，0. 01，2，对于通道1温度进行设定控制，外部加热电路开始工作，在PID的调节下，系统温度最终稳定在设定值附近，达到预期效果。

4 结束语

多通道温度采集控制系统，采用NI标准的数据采集模块，配置灵活，扩展性好。通过配置各类热电偶传感器，能够满足一般的工业多通道温度测试及数据采集的需求。系统搭配温度控制电路，既可以单独作为监测被测对象温度的功能，也可引入适当的PID参数进行相应控制功能，实现系统的闭环测控。

［1］阮奇桢.我和LabVIEW［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2009:1-5.

［2］王魁汉.温度测量实用技术［M］.北京:机械工业出版社，2007(1):3-10.

［3］靖苏铜，赵福堂.基于LabVIEW的热电偶温度测量系统［J］.仪器仪表标准化与计量，2005(12):37-39.

［4］刘金琨.先进PID控制MATLAB仿真［M］.北京:电子工业出版社，2004:1-13.

［5］金志强，包启亮.一种基于LabVIEW的PID控制设计的方法［J］.微计算机信息，2005(6):5-6，75.

［6］罗泽文，罗钧，廖红华.多模模糊PID控制［J］.重庆大学学报:自然科学版，2005(2):20-22.

Design of Multichannel Temperature Data Acquisition and Control System Based on LabVIEW

JIN Ren-jiang XIAO Zhi-hua
(NARI Technology Development Co.，Ltd.，Nanjing 210061，China)

The paper puts forward the design of a multichannel temperature data acquisition and control system by making use of the thermocouple as the temperature sensor，the signal modulated by NI 9211 4-channel thermocouple as the input module，and sending into the computer for analysis and display.Based on a graphic development environment of LabVIEW and its software package，all parameters can be configured flexibly.Experimental results validate the favorable performance of high accuracy and efficiency of the proposed method.

LabVIEW;Data Acquisition;PID

TP 273.5

B

1672-2434(2011)01-0020-03

2010-09-29

金仁江(1982-)，男，助理工程师，从事研究方向:测量控制、集成控制