基于LabVIEW的智能銅液測溫定氧儀的設計與實現

羊榮金

（杭州科技職業技術學院，浙江 杭州311402）

0　引言

風力發電是目前發電技術應用中最清潔、安全的，目前世界風力發電發展速度遠遠超過其他新能源發展速度，未來風力發電很可能成為全球電力的最主要來源。據中國風能協會預測，中國風電總裝機容量在2020年達到80億瓦，2030年達到180億瓦，2050年不低于500億瓦。我國政府將全力支持并建設智能電網，解決風電輸送的瓶頸問題，推動風電成為我國電力的主要來源之一。

同時在“十二五”規劃中，中國高鐵將作為新興產業大力優先發展，目前相關技術已經達到世界先進水平。截至2017年，中國鐵路營業里程達12.7萬公里，高鐵運營里程達2.5萬公里。而這僅僅是個開始，預計到“十三五”期末，中國鐵路營業里程將達到15萬公里以上，其中高速鐵路達3萬公里以上。

上述產業用到的發電機組、變壓器、牽引電機、接觸導線等都需要用到大量高品質的電磁線。衡量電磁線的主要質量指標有抗拉強度、延伸率、導電率、耐壓性、氧含量及表面質量，其中氧含量是其主要質量指標之一。對于生產電磁線的原材料高純無氧銅桿，如果氧含量過高會出現以下現象：①銅桿中的氧，以氧化銅狀態，從晶相組織上看氧化銅存在于晶粒邊界附近，氧化銅以夾雜形式在晶界出現對材料的韌性產生負面影響，導致銅桿的機械性能下降、在后續加工中出現斷裂現象；②由于氧化銅的存在會造成銅桿導電率降低；③加工后的銅產品在含氫氣環境中退火會產生氣泡和針孔，影響表面質量；④產品表面有瑕疵后會降低耐高壓性能。以上現象都會對相關設備運行造成運行效率下降，并存在很大的安全隱患。

浸涂法 DIP（Dip Forming Costing System）是無氧銅桿的主要生產工藝，銅桿中的氧含量取決于鑄造銅桿的銅液中的氧含量，為了保證無氧銅桿低氧含量，必須在生產作業前檢測銅液中的氧含量。通過對銅液測溫定氧原理分析，在圖形化虛擬裝置編程軟件LabVIEW2011環境開發了基于虛擬裝置技術的銅液測溫定氧儀裝置。該裝置具有數據采集、數據存儲、數據實時顯示、歷史數據再現、數字濾波、聲光報警和文件后處理等功能。

1　LabVIEW簡介

與C和BASIC等編程語言一樣，LabVIEW有一個完成任何編程任務的龐大函數庫。LabVIEW的函數庫包括測量數據采集、串口控制、數據分析、顯示及數據存儲等功能。LabVIEW也有傳統編程軟件具有的程序調試工具，比如程序運行設置斷點、以動畫方式來顯示數據及其子程序（子VI）的結果、單步執行等功能，便于程序員對程序的調試[1]。

LabVIEW （Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）是一種用圖標替代代碼行進行應用程序設計的圖形化編程語言。傳統文本編程語言根據語句和指令的先后順序決定程序執行順序，而LabVIEW則采用數據流編程方式，對于工程技術人員只需要掌握一些基本編程知識，就可以根據生產工藝要求搭建圖形化程序，大大減低了工程技術人員軟件開發門檻。

LabVIEW還提供了很多外觀與傳統裝置（如示波器、萬用表）類似的控件，可讓工程師用來方便地創建用戶自定義界面，使用圖標和連線，可以通過編程對前面板上的對象進行流程控制，這就是圖形化源代碼（簡稱G代碼）。LabVIEW的圖形化源代碼在很大程度上類似于流程圖，所以又被稱作程序框圖代碼。這是一個功能強大且容易上手的編程軟件，利用它可以非常便捷的建立自己的使用界面[2]。

2　原理分析

銅液測溫是利用一次性消耗快速熱電偶探頭作為測量專用傳感器，當熱電偶插入銅液中，溫度急劇上升，在與銅液達到溫度平衡后，將呈現一段相對較平坦的測溫曲線，稱為“平臺”曲線，如圖1所示。這段曲線所代表的溫度，就可以認為是銅液的實際溫度。由于生產過程銅液實際溫度高低不同，熱電偶的型號不同，此平臺的長度和平臺的波動曲線也不同。

圖1　溫度和氧電勢測量曲線

銅液中氧含量的測量相對比較復雜，它是通過測量銅液的溫度值和氧電勢間接計算求得，所以氧含量的測量必須采用復合測量探頭即測溫定氧探頭專用探頭，一次測量同時得到銅液溫度值和氧電勢，再經過相應換算公式計算才能得到氧含量[3]。

銅液氧含量與溫度、氧電勢的關系十分復雜，本裝置可以根據測溫定氧探頭廠家提供的公式及參數進行換算，比如上海賀利氏電測騎士有限公司生產的CE-CU1200-S測溫定氧復合探頭為例，其換算公式為：

式中，ao為氧含量（PPM），T為銅液溫度值（℃），EMF為氧電勢（mV）。

測溫定氧復合探頭由一個固體參考電池和PtRh/Pt熱電偶組成，固體電解池是用來測氧電勢的，熱電偶是用來測溫度的。兩種探頭集成在一個由一個圓錐形沙體內部，由銅帽和紙渣帽頭部保護，在外部有一次性的紙套管保護，如圖2所示。

圖2　測溫定氧復合探頭

3　總體設計方案

根據銅液測溫定氧原理，設計出裝置方案，如圖3所示。

圖3　測溫定氧儀設計方案

為了便于現場攜帶，方案采用研華PPC-128T 12寸一體式觸摸工業平板電腦，自帶自動數據流控制RS 485（COM2端口），測量溫度值和氧電勢分別通過宇電智能儀表AI708進行采集，上位機采用Lab－VIEW編程軟件通過RS485接口分別與兩塊儀表通訊，當測槍插入銅液后，實時采集數據記錄數據，并進行氧含量換算，測量進度可通過聲光報警器提醒測試人員，及時撤出測槍，防止測槍在銅液中停留時間過長而損壞，并根據相應的數據濾波方案，得到最終的銅液氧含量[4]。

4　方案實現

4.1　工業平板電腦RS485通訊端口設置

研華PPC-128T機型帶4個串口，其中COM2口可支持RS-232/422/485.串口模式的修改在BIOS中進行設置，具體設置方法如下：進入BIOS中，在Integrated Peripherals—Super IO選項中，將Serial Port2 Mode選項設置為 RS232/RS422/RS485，默認為RS232.若使用RS-485模式，選擇RS485，同時還需要將COM2 autoflow選項設置為enabled，打開自動流控功能。其中 COM2口定義針腳：1：RS-；2：RS+.具體參數設置如圖4所示。

圖4　PPC-128T RS485端口設置

4.2　宇電智能儀表AI708參數設置

宇電智能儀表AI708采用AIBUS通訊協議，能用簡單的指令實現強大的功能，并提供比其它常用協議（如MODBUS）更快的速率（相同波特率下快3~10倍），上位機訪問一臺AI708儀表的平均時間僅20 ms.儀表使用異步串行通訊接口，接口電平符合RS232C或RS485標準中的規定。

CE-CU1200-S測溫定氧探頭為S型熱電偶，氧電勢輸出范圍：-1V~1V。根據上述信號規格，分別設置儀表參數，可通過儀表顯示界面直接修改相應參數，也可以在通訊成功后，LabVIEW發送特定的指令方式進行修改修改。

儀表參數設置如下：數據格式為1個起始位，8位數據，無校驗位，1個停止位。通訊傳輸數據的波特率 bAud：9600 bit/S.設置溫度值儀表：Addr：01；輸入規格InP：01（S型熱電偶）。設置氧電勢儀表：Addr：02，輸入規格 InP：37（-5 V~5 V）。

4.3　LabVIEW通訊參數設置

LabVIEW串行口通信功能函數提供方便的用戶接口，常用的主要函數有VISA配置串口、串口寫入、串口讀出和串口關閉等功能，如圖5所示，可快速地定義主機串口號、從機地址、傳送的數據長度及一幀串行數據的格式規約，包括波特率、數據位、奇偶校驗和停止位等。正是利用了LabVIEW編程語言直觀、快捷的特點，工程人員可以通過功能模塊的組合和連接，能夠方便地根據儀表廠家提供的通信協議開發出適合各種不同設備之間的通信程序。

圖5　串口通信函數

在LabVIEW中進行串口通信的基本步驟是：1）初始化串口，設置串口參數與從機串行通訊參數一致；2）讀寫端口；3）延時；4）重復步驟 2）；5）退出程序前先關閉串口。

首先調用VISA Configure Serial Port打開串口并進行適當的配置，參數配置說明如圖6所示，必須需智能儀表AI708通訊參數一致才能確保正常通信，參數如下：VISA resource name：COM2；Baud rate：9600；Data bits：8；Stop bits：1；其它參數保持默認即可。

圖6　VISA Configure Serial Port參數表

4.4　測量參數采集實現

AI708儀表采用16進制數據格式來表示各種功能指令代碼及數據，標準讀指令代碼：地址代號+52H+要讀的參數代號+0+0+校驗碼。該儀表通訊協議規定如下：

地址代號為兩個相同的字節，數值定義為（儀表地址+80H）。以氧電勢儀表為例，參數Addr=02（即16進制數為02H，則01A+80H=82H），則該儀表的地址代號為：82H 82H.

功能參數代號（0-56H）：儀表的參數定義1個8位二進制數的參數代號來表示。它在指令中表示要讀的參數名。

校驗碼：校驗碼采用標準16位求和校驗方式，讀指令的校驗碼算法為：要讀參數的代號X 256+82+Addr.

儀表返回數據：儀表一共返回10個字節數據內容，其格式為：測量值+給定值+輸出值及報警狀態+所讀參數值+校驗碼。

根據上述通訊協議，在LabVIEW軟件中繪制讀幀指令及串口讀程序框圖，如圖7所示，將讀取的PV值存入變量，供程序調用。

圖7　測量參數讀取程序框圖

以讀取溫度值儀表為例，儀表地址：01H，讀取地址：16H，根據AI708儀表AIBUS通訊協議，向端口2發送16進制數據：8181521600005316，儀表通訊成功后返回數據：B7440000 6E708025A6DA，其中B7H代表測量值PV低位，44H代表測量值PV高位，實際測量PV值為44B7，換算成十進制數為17 591，即溫度值1 759.1℃.

5　程序設計實現

5.1　測量值采集和數據處理

根據銅液測溫定氧特性，典型的參數設置為當測溫定氧復合探頭插入銅液后，溫度急劇上升，到達起點溫度：1 000℃后，開始采集并記錄溫度值和氧電勢，持續時間10 s或者測量溫度超過1 300℃，只需滿足其一條件，即自動停止數據采集，并通過聲光報警器提醒測量人員將測槍從銅液中撤出，防止燒熔測槍。以上參數通過參數設置界面可以進行調整，如圖8所示為數據采集和處理參數設置界面。

圖8　數據采集和處理參數設置界面

為了確保數據準確，需對采集到的數據進行濾波處理，采用恒周期為50 ms采樣，在滿足采集條件下的數組中自動搜索第一次滿足連續50個樣本的標準差σ小于0.5的平均值作為測量結果。如果數組中找不到滿足條件的樣本，則認為本次測量無效，需更新探頭重新測量。如圖9所示為采用標準差計算測量結果程序框圖。

圖9　采用標準差計算測量結果程序框圖

5.2　氧濃度值換算

由于測溫定氧廠家探頭類型不同，氧濃度換算參數需要相應的進行改變，在程序中可以設置多組探頭參數配方，測量人員根據需要進行調用。在LabVIEW中利用Formula Node公式節點，公式節點語法與文本編程語言的語法相似，與C語言一樣，賦值結束后使用分號（；）。將已測得的溫度值和氧電勢值導入公式節點，通過自定義公式和參數配方，換算成氧濃度。如圖10所示為氧濃度換算程序框圖。

圖10　氧濃度換算程序框圖

根據測溫定氧復合探頭廠家提供的探頭參數配方為：f1=8.936，f2=-9562.3，f 3=10.08，f4=f5=0.銅液溫度值T=1 145℃，氧電勢EMF=-290 mV，根據公式（1），得到銅液氧濃度ao=1.4 ppm.

5.3　人機交互界面

人機交互界面將測量相關信息顯示在界面上，便于用戶進行參數設置和信息讀取。

友好的人機界面將測量數據以曲線圖形、圖表形式展現在用戶面前，便于測量人員及時掌握測量進度。從界面中可以顯示測量探頭狀態、測量進度、當前溫度和氧電勢，同時為了便于統計，可輸入作業人員姓名和測量位置等信息，這些信息在測溫完成后，會以表格形式自動匯總，可以根據用戶需要進行查閱。

經過長期的生產現場實踐檢驗，根據測溫定氧儀的測試結果，保證了銅桿中的低氧含量，提供了產品品質。圖11所示為測溫定氧儀測試現場。

圖11　測溫定氧儀測試現場

6　結束語

在LabVIEW2011軟件平臺利用工業平板電腦RS485通訊串口，通過AIBUS通訊協議，實現與多個儀表進行數據通訊，采集相關數據并通過計算機數據運算，測出銅液中的氧濃度。經工廠長期現場實踐證明，該裝置自動化程度高、測溫結果準確穩定、軟件界面友好，已達到預期的設計目標。