基于组态软件和智能仪表的温度监控系统

王姣姣，李 强，杨 楠

（1.长安大学 电子与控制工程学院，陕西 西安710064；2.长安大学 信息工程学院，陕西 西安 710064）

基于组态软件和智能仪表的温度监控系统

王姣姣1，李 强2，杨 楠2

（1.长安大学 电子与控制工程学院，陕西 西安710064；2.长安大学 信息工程学院，陕西 西安 710064）

本系统利用组态软件及智能仪表实现多点温度的监控。该温度监控系统由岛电型智能仪表、装有组态软件的PC机、热电阻、固态继电器、风扇以及散热器等设备组成。系统采用分布式控制，并利用三级控制结构实现对温度的实时监控。上位机通过RS-485总线与智能仪表进行通信，并实时监控、存储采集到的温度数据。智能仪表能够设定温度的上下限，并通过继电器控制风扇及加热器调节温度，以实现温度的准确控制。实验结果表明，该温度监控系统测量精准，便于监控，具有一定的使用价值。

智能仪表；多点温度监控；组态软件；RS-485总线

传统的温室温度是由人通过简单的仪器仪表来测量的，并且根据经验手动的开启和关闭各种温室的调节设备，效率低，控制效果不好[1]，而且无法实现电子化的记录。随着现代数字计算机的发展和计算机的广泛应用，智能温度控制仪器的产生以及广泛的应用使温度监控系统主要向总线标准化，高精度，多功能化以及可靠性等高新技术的方向发展。随着温室管理智能化要求的提高，要求温室监控系统实现远程通信，且能实时的记录并保存采集到的数据，进而实现温度的监控与调节。

智能温控仪采用微型计算机接口技术，具有自适应、自学习的能力，具有可编程性，可记忆特性，具有四则运算、逻辑判断、命令识别等运算功能，其内置微处理器，温度控制在工业领域有着非常广泛的应用[2]。本系统使用智能仪表，在基于上位机组态软件的基础上设计的分布式多点温度监控系统。在分布式监控系统中，RS-48总线传输速度快，抗干扰能力强[3]、信号传输稳定、传输距离远，最远传输距离达1 200 m[4-5]。亚控公司的组态王（KINGVIEW）软件能够实现复杂的图形界面，模拟实际环境，从而进行实时的监控。该系统能够实时的监督和控制温度，实时记录温度数据，并将温度系统视图化，便于观察。

1 系统原理

1.1 RS-485总线通信

RS-485总线技术是目前在工业测控领域使用较为广泛的一种接口技术。它是在RS-422总线的基础上经过一系列的实践而发展来的，采用了差分传输方式 （Different Driver Mode），它拥有高传输速率、能抑制噪声、传输距离远、共模范围宽、相对比较经济的通信平台[6-7]。

上位机可以与一个或多个岛电表相连。利用串行口进行连接时，可以通过RS-232/RS-485适配器与岛电表RS-485端子相连。当仪表使用相同的接口和上位机进行通讯时，各个仪表的地址不能相同，这样就要对各个仪表进行混合编址。所以在本系统中，每台智能仪表的地址都不相同。

1.2 智能仪表通信原理

本系统采用了有日本岛电公司生产的SR90系列的智能仪表SR93。该智能仪表有RS-485通信接口，传统的工控机都是RS-232串口，这样二者就可以通过RS232/RS485转换器实现通信。上、下位机在通信时，上位机要根据智能仪表的设置来设定通讯的型号，通信方式，波特率，校验方式等。SR90系列的智能仪表最重要的一个特点是：采用了无超调的PID算法使其功能得到完善。在使用之前可以先启动它的自整定功能，使系统自动的找到合理的PID参数，这样不仅简化了系统的调试过程，还能使是系统自动的处于最佳工作状态。

1.3 系统设计原理

本设计模拟3个温室的温度的监控。该温度监控系统由装有组态王的工控机、智能温控仪表、固态继电器、RS-422/ RS-485串口转换模块、加热炉和风扇等模块组成。该系统采用三级控制结构，实现布式温度监控系统的设计。上位机和下位机之间采用了RS-485总线接口实现数据的发送和接收，可以实现对温度的实时监控。上位机采用装有组态王的PC机，通过RS-232/RS-485转换器与下位机智能仪表进行通信，这样就可以实现数据的监控和管理、数据的双向高速通信、主要工艺参数的设定等。利用组态软件能够实现温度监控系统的可视化，并实时的记录温度控制过程中温度和报警状况。

系统加热模块分为3个温度区，认为这3个温度区就是3个温室，每个温室的温度报警上下限通对仪表的设置进行修改，可各不相同。该控制系统中的扰动主要有：风扇和加热器。

图1为系统的总体结构框图。

图1 系统总体结构框图

系统控制原理图如图2所示，热电阻将采集到的温度通过温度变送器传送到智能仪表，智能仪表将采集的温度（温度过程值PV）与内部设定的温度（温度设定值SV，是一个范围）进行比较，如果实时温度大于设定温度的上限，智能仪表控制继电器动作，使风扇运转，温室通风，直到温室温度达到仪表设定范围内；如果实时温度小于设定温度的下限，继电器动作使加热器工作，温室加热，直到温室温度达到仪表设定范围内。这样就实现温室温度的控制。

图2 系统控制原理图

2 设备选型

2.1 测温传感器

电阻式温度传感器的工作原理实际是电阻的阻值会随着温度的变化而变化。一般情况下，电阻式温度传感器的电阻都是由是金属所制。在工业领域得到最广泛应用的是铂金属制作的电阻式温度传感器[8]。相对于其他的金属而言，铂热电阻温有很多优点，比如它线性度好、精度高、测量范围宽，且耐酸碱性的这些特点都得到工业界的青睐。

热电阻能够进行温度的测量是因为它可以将非电学的物理量转化为电学量，即温度传感器能将变化的温度信号转换成电信号。温度传感器由传感器与信号转换器组成，信号转换器主要模块分别是信号处理和转换单元、测量单元，有的变送器有现场总线和显示单元等。本设计采用的铂热电阻是Pt100。Pt100温度变送器主要有3种引线方式，一般情况下，采用三线制的接法。三线制的接线法可以消除电路中引线电阻对测量精度的影响[9]。热电阻的测量电路是不平衡电桥电路，会引入导线电阻，对电路测量精度产生影响，但采用了三线制的接线法，就会消除导线电阻带来的误差，提高电路的测量精度[10]。

2.2 温度变送器

温度变送器一般采用热电偶或热电阻作为它的测温元件，它的工作流程为，将测温元件检测到的温度信号传输至温度变送器模块，再经过稳压滤波，运算放大，非线性校正，A/D转换，恒流及反向保护电路等模块的处理后，把温度信号转换成与其成线性关系的电流信号输出，电流范围为4～20 mA[11]。

2.3 RS232/RS485转换模块

研华ADAM-4520转换模块可实现RS-232和RS485信号的相互转换[12]，可以实现工业级的远距离通讯。它可以不用修改PC机上的任何软硬件就可以把RS-232信号转换为RS-485信号。也就是说4520模块可以实现RS-232信号到RS-485信号的隔离。4520转换器的隔离转换器模块可以使用RS-422接口或RS-485接口进行信号传输，这样可以获得更高的数据传输速率，更强的联网能力和更大的传输范围。ADAM-4520转换模块的组成电路可以自动的监控数据的流向，这样就可以不用处理网络中的握手请求，也就是说，一对双绞线就可以进行数据的传送和接收。

4520转换器模块也可以进行反向通讯，也就是说，RS-485串口可以转换为RS-232串口，但是要注意，4520模块不能设置RS-485总线设备的通讯地址，所以反向通讯时只能是一对一通讯。RS-232设备可以通过4520转换模块与RS-485实现数据的传送。

3 电气设计原理

温度监控的电气图如图3所示，它的实现过程是：用Pt100热电阻来检测温度，并将检测到的温度信号发送到智能仪表的端口46、端口47和端口48，再设定的温度值进行比较，并通过智能仪表温的端口39输出加热信号，从端口40输出散热信号，从而达到对温室温度的监督和控制。

图3 电气设计原理图

4 组态式人机监控界面设计

随着自动化技术在工业生产过程中的迅速发展，人们对测控技术和自动化检测技术的要求越来越苛刻。不仅希望这些技术的实用性好，可靠性高，操作界面清晰，还要求系统要有比较短的开发周期以便于系统的升级，组态软件可以满足上面的要求。组态软件中有各种各样的控制软件包，操控界面简洁清晰，即使用户没有掌握太多的编程语言，也可以利用它提供各种通用工具模块进行复杂工程的设计，而且可以满足工业设计的要求。组态王的这种特点使工程的管理和组织更为方便。

组态王是由北京亚控公司开发的一款实用性比较强的软件，它的主要由3大部分组成，分别是工程管理器、工程浏览器和画面运行系统这3大部分[13]。其中工程管理器是用来创建一个新项目和现有项目的管理，如新建、删除、重命名、修改工程等。工程浏览器可以定义外部设备，构造数据库，系统配置，变量的构造等。画面运行系统可以进行模拟实际环境，把外部设备采集到的数据记录并保存在数据库中，还可以用动画的方式把数据的变化以表格或者是曲线的形式进行表示，也可以进行报警记录等操作等。组态王与外部设备进通信时，需要外部设备为通讯的接口提供驱动程序[14]，这样组态王就可以通过驱动程序与外部设备进行数据交换。

4.1 数据库的构造

组态王的核心是数据库的构造，上下位机通过数据库进行通信，在定义变量的时候，构建的不同设备，也就是逻辑变量的时候，要致命变量名，类型和一些附加信息等，而且逻辑设备的属性要和实际外部设备的属性要一致，比如它的型号，通信方式，波特率，校验方式等。这样就能实现实际环境和模拟环境的连接。

内存变量的基本类型是：I/O实数，如图4（a）所示，图4（b）为变量“温室1当前温度”的报警定义设置图。设置了当前温度低于10℃度时，报警文本显示“当前温度太低”。当前温度在10℃度到20℃之间时，报警文本显示 “当前温度偏低”。当前温度大于30℃时，报警文本显示“当前温度偏高”。当前温度大于40℃时，报警文本显示“当前温度太高”。图4（c）为变量“温室1当前温度”记录和安全区设置图，设置为“数据变化记录”，变化灵敏度设为1。图4（d）是本设计中定义的所有变量列表。

图4 变量定义

4.2 动画连接

打开画面运行系统，绘制系统的可视化界面。可视化功能的实现：主界面与5.1节中定义的变量通过组态软件强大仿真功能，并结合其强大的数据库和丰富的功能模块，与低层的数据采集设备实现通信，丰富的图形控件和工况图库，既提供了可视化界面所需的组件，还提供了画面制作向导[15]，这样就可以根据向导实现动画连接。

4.3 组态监控功能

数据的实时显示：能够实时的显示每个温室的温度，便于观察。

加热通风显示：当温室当前温度大于设定值时，通风设备（风扇）运作，此时通风显示灯闪烁，当温室当前温度低于设定值时，加热设备（加热棒）运作，此时加热显示灯闪烁。

实时曲线表：组态可以根据当前的温度绘制出实时曲线表，可以设置曲线的坐标系数，以及时间间距等，提供了温室问的变化趋势，方便观察温室温度变化情况。

历史报警表：当温室监控系统温度低于10℃度时，报警文本显示“当前温度太低”；温度在 10℃度到 20℃之间时，报警文本显示“当前温度偏低”；温度大于30℃时，报警文本显示“当前温度偏高”；温度大于40℃时，报警文本显示“当前温度太高”。历史报警表可以反映温室温度控制的过程中温度的变化状态。

4.4 组态监控主界面运行结果

温室温度监控系统上位机运行主界面如图5所示。

图5 温室温度监控仿真结果

其中一个模拟温室的实物图如图6所示。

5 结 论

综上所述，该系统以组态王为开发平台，利用智能仪表和RS-485总线实现温室内不同点的温度的控制与检测，与传统的人工控温相比，组态王提供了友好的人机界面，便于数据统计，且该系统可成本比较低、靠性高、功耗较低、操作简单。不仅可以使用于温室，还可用于其他场合，具有很好的实用价值。

图6 模拟温室温度监控图

[1]韩慧.基于RS-485总线的温室环境监测系统[J].仪表技术与传感器，2012（3）:60-63.

[2]邓云伟，杜卫星，杨光玲.基于组态软件和FP23智能仪表的温度监控系统设计[J].价值工程，2013，32（20）:208-210.

[3]Romani R，Goes L C S.Cabin Temperature Control Model for Commercial Aircraft[C]//AIAA Modeling and Simulation Technologies Conference，2012:1-15.

[4]Tu Y，Lin GP.Dynamic simulation of aircraft envronmental control system based on flowmaster[J].Journal of Aircraft，2011，48（6）:2031-2041.

[5]Kim E，Kang S，Lee S.RS485 image sensor for digital cinema system[J].Journal of Sensors，2016（2016）:1-8.

[6]王庆华.基于Cortex-M3的WSN网关的设计[D].郑州:郑州大学，2012.

[7]刘衍伟，陈渊睿.基于RS485总线的监控系统研究与设计[J].微处理机，2011，32（2）:64-67.

[8]朱杰.智能温度传感器的研究[D].太原:中北大学，2013.

[9]韩清堃.电容式储运油泥含水率测量方法研究[D].杭州:浙江大学，2014.

[10]任大呈.液体流量控制仪的研究[D].天津:河北工业大学，2013.

[11]林秋华.温度变送器测试系统的研究[D].大连:大连理工大学，2014.

[12]张大龙，赵武云，杨婉霞.基于组态王的玉米果穗烘干监控系统设计[J].中国农业科技导报，2013，15（2）:115-119.

[13]王建，宋永昌.电气自动化通用设备应用系列 组态王软件入门与典型应用[M].北京:中国电力出版社，2014.

[14]张琼琼，马跃，王志成.组态式人机界面编辑与仿真技术[J].计算机系统应用，2015，24（4）:26-31.

[15]陈青，刘畅生，王水平.组态软件设计与开发[M].西安:西安电子科技大学出版社，2003.

Temperature monitoring system based on king view and intelligent instrument

WANG Jiao-jiao1，LI Qiang2，YANG Nan2
（1.School of Electronic and Control Engineering，Chang’an University，Xi’an 710064，China；2.School of Information Engineering，Chang’an University，Xi’an 710064，China）

The system is based on the study of intelligent instrumentation and kingview for the design of multi-point temperature monitoring.The temperature monitoring system consists of the equipment such as intelligent instrumentations，a PC equipped with King View soft，heat resistance，solid state relays，fans，radiators and so on.This system is controlled by distributed，and three level control structures can realize a system of real-time monitoring of the temperature.The intelligent instrumentation and lower computer uses the RS-485 bus to communicate，and upper computer can real-time monitoring and save the temperature data.Intelligent instrument can set the upper and lower temperature，also use solid state to control the operation of the interference of the external devices，so as to control temperature.Experimental results show that the temperature control monitoring system is accurate to measure the temperature，which is convenient to Monitor，and has a certain value.

intelligent instrument；multi-point temperature control；kingview；RS-485 bus

TN98

A

1674－6236（2016）23-0101-04

2016-03-15稿件编号：201603176

国家自然科学基金（61302150）；陕西省自然科学基金（2012JM8011）

王姣姣（1991—），女，陕西榆林人，硕士。研究方向：计算机控制和自动化测控技术。