基于組態軟件和智能儀表的溫度監控系統

王姣姣，李 強，楊 楠

（1.長安大學 電子與控制工程學院，陜西 西安710064；2.長安大學 信息工程學院，陜西 西安 710064）

基于組態軟件和智能儀表的溫度監控系統

王姣姣1，李 強2，楊 楠2

（1.長安大學 電子與控制工程學院，陜西 西安710064；2.長安大學 信息工程學院，陜西 西安 710064）

本系統利用組態軟件及智能儀表實現多點溫度的監控。該溫度監控系統由島電型智能儀表、裝有組態軟件的PC機、熱電阻、固態繼電器、風扇以及散熱器等設備組成。系統采用分布式控制，并利用三級控制結構實現對溫度的實時監控。上位機通過RS-485總線與智能儀表進行通信，并實時監控、存儲采集到的溫度數據。智能儀表能夠設定溫度的上下限，并通過繼電器控制風扇及加熱器調節溫度，以實現溫度的準確控制。實驗結果表明，該溫度監控系統測量精準，便于監控，具有一定的使用價值。

智能儀表；多點溫度監控；組態軟件；RS-485總線

傳統的溫室溫度是由人通過簡單的儀器儀表來測量的，并且根據經驗手動的開啟和關閉各種溫室的調節設備，效率低，控制效果不好[1]，而且無法實現電子化的記錄。隨著現代數字計算機的發展和計算機的廣泛應用，智能溫度控制儀器的產生以及廣泛的應用使溫度監控系統主要向總線標準化，高精度，多功能化以及可靠性等高新技術的方向發展。隨著溫室管理智能化要求的提高，要求溫室監控系統實現遠程通信，且能實時的記錄并保存采集到的數據，進而實現溫度的監控與調節。

智能溫控儀采用微型計算機接口技術，具有自適應、自學習的能力，具有可編程性，可記憶特性，具有四則運算、邏輯判斷、命令識別等運算功能，其內置微處理器，溫度控制在工業領域有著非常廣泛的應用[2]。本系統使用智能儀表，在基于上位機組態軟件的基礎上設計的分布式多點溫度監控系統。在分布式監控系統中，RS-48總線傳輸速度快，抗干擾能力強[3]、信號傳輸穩定、傳輸距離遠，最遠傳輸距離達1 200 m[4-5]。亞控公司的組態王（KINGVIEW）軟件能夠實現復雜的圖形界面，模擬實際環境，從而進行實時的監控。該系統能夠實時的監督和控制溫度，實時記錄溫度數據，并將溫度系統視圖化，便于觀察。

1 系統原理

1.1 RS-485總線通信

RS-485總線技術是目前在工業測控領域使用較為廣泛的一種接口技術。它是在RS-422總線的基礎上經過一系列的實踐而發展來的，采用了差分傳輸方式 （Different Driver Mode），它擁有高傳輸速率、能抑制噪聲、傳輸距離遠、共模范圍寬、相對比較經濟的通信平臺[6-7]。

上位機可以與一個或多個島電表相連。利用串行口進行連接時，可以通過RS-232/RS-485適配器與島電表RS-485端子相連。當儀表使用相同的接口和上位機進行通訊時，各個儀表的地址不能相同，這樣就要對各個儀表進行混合編址。所以在本系統中，每臺智能儀表的地址都不相同。

1.2 智能儀表通信原理

本系統采用了有日本島電公司生產的SR90系列的智能儀表SR93。該智能儀表有RS-485通信接口，傳統的工控機都是RS-232串口，這樣二者就可以通過RS232/RS485轉換器實現通信。上、下位機在通信時，上位機要根據智能儀表的設置來設定通訊的型號，通信方式，波特率，校驗方式等。SR90系列的智能儀表最重要的一個特點是：采用了無超調的PID算法使其功能得到完善。在使用之前可以先啟動它的自整定功能，使系統自動的找到合理的PID參數，這樣不僅簡化了系統的調試過程，還能使是系統自動的處于最佳工作狀態。

1.3 系統設計原理

本設計模擬3個溫室的溫度的監控。該溫度監控系統由裝有組態王的工控機、智能溫控儀表、固態繼電器、RS-422/ RS-485串口轉換模塊、加熱爐和風扇等模塊組成。該系統采用三級控制結構，實現布式溫度監控系統的設計。上位機和下位機之間采用了RS-485總線接口實現數據的發送和接收，可以實現對溫度的實時監控。上位機采用裝有組態王的PC機，通過RS-232/RS-485轉換器與下位機智能儀表進行通信，這樣就可以實現數據的監控和管理、數據的雙向高速通信、主要工藝參數的設定等。利用組態軟件能夠實現溫度監控系統的可視化，并實時的記錄溫度控制過程中溫度和報警狀況。

系統加熱模塊分為3個溫度區，認為這3個溫度區就是3個溫室，每個溫室的溫度報警上下限通對儀表的設置進行修改，可各不相同。該控制系統中的擾動主要有：風扇和加熱器。

圖1為系統的總體結構框圖。

圖1 系統總體結構框圖

系統控制原理圖如圖2所示，熱電阻將采集到的溫度通過溫度變送器傳送到智能儀表，智能儀表將采集的溫度（溫度過程值PV）與內部設定的溫度（溫度設定值SV，是一個范圍）進行比較，如果實時溫度大于設定溫度的上限，智能儀表控制繼電器動作，使風扇運轉，溫室通風，直到溫室溫度達到儀表設定范圍內；如果實時溫度小于設定溫度的下限，繼電器動作使加熱器工作，溫室加熱，直到溫室溫度達到儀表設定范圍內。這樣就實現溫室溫度的控制。

圖2 系統控制原理圖

2 設備選型

2.1 測溫傳感器

電阻式溫度傳感器的工作原理實際是電阻的阻值會隨著溫度的變化而變化。一般情況下，電阻式溫度傳感器的電阻都是由是金屬所制。在工業領域得到最廣泛應用的是鉑金屬制作的電阻式溫度傳感器[8]。相對于其他的金屬而言，鉑熱電阻溫有很多優點，比如它線性度好、精度高、測量范圍寬，且耐酸堿性的這些特點都得到工業界的青睞。

熱電阻能夠進行溫度的測量是因為它可以將非電學的物理量轉化為電學量，即溫度傳感器能將變化的溫度信號轉換成電信號。溫度傳感器由傳感器與信號轉換器組成，信號轉換器主要模塊分別是信號處理和轉換單元、測量單元，有的變送器有現場總線和顯示單元等。本設計采用的鉑熱電阻是Pt100。Pt100溫度變送器主要有3種引線方式，一般情況下，采用三線制的接法。三線制的接線法可以消除電路中引線電阻對測量精度的影響[9]。熱電阻的測量電路是不平衡電橋電路，會引入導線電阻，對電路測量精度產生影響，但采用了三線制的接線法，就會消除導線電阻帶來的誤差，提高電路的測量精度[10]。

2.2 溫度變送器

溫度變送器一般采用熱電偶或熱電阻作為它的測溫元件，它的工作流程為，將測溫元件檢測到的溫度信號傳輸至溫度變送器模塊，再經過穩壓濾波，運算放大，非線性校正，A/D轉換，恒流及反向保護電路等模塊的處理后，把溫度信號轉換成與其成線性關系的電流信號輸出，電流范圍為4～20 mA[11]。

2.3 RS232/RS485轉換模塊

研華ADAM-4520轉換模塊可實現RS-232和RS485信號的相互轉換[12]，可以實現工業級的遠距離通訊。它可以不用修改PC機上的任何軟硬件就可以把RS-232信號轉換為RS-485信號。也就是說4520模塊可以實現RS-232信號到RS-485信號的隔離。4520轉換器的隔離轉換器模塊可以使用RS-422接口或RS-485接口進行信號傳輸，這樣可以獲得更高的數據傳輸速率，更強的聯網能力和更大的傳輸范圍。ADAM-4520轉換模塊的組成電路可以自動的監控數據的流向，這樣就可以不用處理網絡中的握手請求，也就是說，一對雙絞線就可以進行數據的傳送和接收。

4520轉換器模塊也可以進行反向通訊，也就是說，RS-485串口可以轉換為RS-232串口，但是要注意，4520模塊不能設置RS-485總線設備的通訊地址，所以反向通訊時只能是一對一通訊。RS-232設備可以通過4520轉換模塊與RS-485實現數據的傳送。

3 電氣設計原理

溫度監控的電氣圖如圖3所示，它的實現過程是：用Pt100熱電阻來檢測溫度，并將檢測到的溫度信號發送到智能儀表的端口46、端口47和端口48，再設定的溫度值進行比較，并通過智能儀表溫的端口39輸出加熱信號，從端口40輸出散熱信號，從而達到對溫室溫度的監督和控制。

圖3 電氣設計原理圖

4 組態式人機監控界面設計

隨著自動化技術在工業生產過程中的迅速發展，人們對測控技術和自動化檢測技術的要求越來越苛刻。不僅希望這些技術的實用性好，可靠性高，操作界面清晰，還要求系統要有比較短的開發周期以便于系統的升級，組態軟件可以滿足上面的要求。組態軟件中有各種各樣的控制軟件包，操控界面簡潔清晰，即使用戶沒有掌握太多的編程語言，也可以利用它提供各種通用工具模塊進行復雜工程的設計，而且可以滿足工業設計的要求。組態王的這種特點使工程的管理和組織更為方便。

組態王是由北京亞控公司開發的一款實用性比較強的軟件，它的主要由3大部分組成，分別是工程管理器、工程瀏覽器和畫面運行系統這3大部分[13]。其中工程管理器是用來創建一個新項目和現有項目的管理，如新建、刪除、重命名、修改工程等。工程瀏覽器可以定義外部設備，構造數據庫，系統配置，變量的構造等。畫面運行系統可以進行模擬實際環境，把外部設備采集到的數據記錄并保存在數據庫中，還可以用動畫的方式把數據的變化以表格或者是曲線的形式進行表示，也可以進行報警記錄等操作等。組態王與外部設備進通信時，需要外部設備為通訊的接口提供驅動程序[14]，這樣組態王就可以通過驅動程序與外部設備進行數據交換。

4.1 數據庫的構造

組態王的核心是數據庫的構造，上下位機通過數據庫進行通信，在定義變量的時候，構建的不同設備，也就是邏輯變量的時候，要致命變量名，類型和一些附加信息等，而且邏輯設備的屬性要和實際外部設備的屬性要一致，比如它的型號，通信方式，波特率，校驗方式等。這樣就能實現實際環境和模擬環境的連接。

內存變量的基本類型是：I/O實數，如圖4（a）所示，圖4（b）為變量“溫室1當前溫度”的報警定義設置圖。設置了當前溫度低于10℃度時，報警文本顯示“當前溫度太低”。當前溫度在10℃度到20℃之間時，報警文本顯示 “當前溫度偏低”。當前溫度大于30℃時，報警文本顯示“當前溫度偏高”。當前溫度大于40℃時，報警文本顯示“當前溫度太高”。圖4（c）為變量“溫室1當前溫度”記錄和安全區設置圖，設置為“數據變化記錄”，變化靈敏度設為1。圖4（d）是本設計中定義的所有變量列表。

圖4 變量定義

4.2 動畫連接

打開畫面運行系統，繪制系統的可視化界面?？梢暬δ艿膶崿F：主界面與5.1節中定義的變量通過組態軟件強大仿真功能，并結合其強大的數據庫和豐富的功能模塊，與低層的數據采集設備實現通信，豐富的圖形控件和工況圖庫，既提供了可視化界面所需的組件，還提供了畫面制作向導[15]，這樣就可以根據向導實現動畫連接。

4.3 組態監控功能

數據的實時顯示：能夠實時的顯示每個溫室的溫度，便于觀察。

加熱通風顯示：當溫室當前溫度大于設定值時，通風設備（風扇）運作，此時通風顯示燈閃爍，當溫室當前溫度低于設定值時，加熱設備（加熱棒）運作，此時加熱顯示燈閃爍。

實時曲線表：組態可以根據當前的溫度繪制出實時曲線表，可以設置曲線的坐標系數，以及時間間距等，提供了溫室問的變化趨勢，方便觀察溫室溫度變化情況。

歷史報警表：當溫室監控系統溫度低于10℃度時，報警文本顯示“當前溫度太低”；溫度在 10℃度到 20℃之間時，報警文本顯示“當前溫度偏低”；溫度大于30℃時，報警文本顯示“當前溫度偏高”；溫度大于40℃時，報警文本顯示“當前溫度太高”。歷史報警表可以反映溫室溫度控制的過程中溫度的變化狀態。

4.4 組態監控主界面運行結果

溫室溫度監控系統上位機運行主界面如圖5所示。

圖5 溫室溫度監控仿真結果

其中一個模擬溫室的實物圖如圖6所示。

5 結 論

綜上所述，該系統以組態王為開發平臺，利用智能儀表和RS-485總線實現溫室內不同點的溫度的控制與檢測，與傳統的人工控溫相比，組態王提供了友好的人機界面，便于數據統計，且該系統可成本比較低、靠性高、功耗較低、操作簡單。不僅可以使用于溫室，還可用于其他場合，具有很好的實用價值。

圖6 模擬溫室溫度監控圖

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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稿件編號：201603176

國家自然科學基金（61302150）；陜西省自然科學基金（2012JM8011）

王姣姣（1991—），女，陜西榆林人，碩士。研究方向：計算機控制和自動化測控技術。