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1、中 文 摘 要摘 要本论文要做的课题是基于虚拟仪器的加热炉温控系统设计，要求加热炉温度稳定在80，允许有1的误差。本论文采用美国NI公司虚拟仪器开发软件LabVIEW8.5开发出一套低温电加热炉温度控制系统。系统具体设计方案如下：由传感器测得的炉温信号经过变送环节送给数据采集卡，采集卡对信号进行A/D转换后传输至虚拟仪器，虚拟仪器中的PID算法对信号处理后产生控制信号，再经过采集卡D/A转换后输出控制PWM波产生电路，改变PWM波占空比，产生的PWM波经过光耦MOC3041控制双向可控硅的通断，以此改变加在电阻上的电压，达到温控目的。本论文首先按照上述设计方案设计了硬件电路，接着进行系统软件的
2、设计。经过简单的实验，系统可以正常采集数据并显示。关键词：虚拟仪器，LabVIEW，温控系统，过零调功，PWMIAbstractAbstractThe task of this paper is to design a temperature control system based on virtual instrument of the furnace.And the requirements of the furnace temperature is stable at 80, allowed error of 1.This paper adopted LabVIEW8.5, a sof
3、tware to develop the virtual instrument of NI company in America,developed a set of temperature control system of low-power electric heating. The system design are showed as follows: the temperature sensors send the signal of temperature change to the data acquisition card by transmitter, then the s
4、ignal will be convert to digital signal and be send to the virtual instrument by the data acquisition card , and then the virtual instrument will output control signal after be processed by PID algorithm, and the control signal will be convert to analog signal by the data acquisition card and output
5、 to control PWM waves produce circuit to change the duty cycle of PWM waves, then the PWM waves will control the bidirectional thyristor through opticalcoupler MOC3041 to change the voltage in resistance so that the temperature will be changed.This paper designed the hardware circuit in accordance w
6、ith the above design scheme, followed by the design of the system software. After a simple experiment, the system can acquire and display the datas normally.Key words: virtual instrument, LabVIEW, temperature control system,zero-crossing power adjustment,PWMIV目 录目 录摘 要IABSTRACT (英文摘要)目 录第一章 绪论11.1 课
7、题的研究的目的和意义11.2 国内外发展状况11.3 本设计要做的工作3第二章 虚拟仪器及LABVIEW简介42.1 虚拟仪器的基本概念42.2 虚拟仪器的特点及应用42.3 LabVIEW的含义52.4 LabVIEW的发展62.5 LabVIEW的结构62.6 LabVIEW的优势6第三章 系统总体方案及硬件电路设计73.1 系统总体方案73.2 硬件电路设计73.2.1 传感器的选型73.2.2 数据采集卡的选型93.2.3 PWM波产生电路的设计113.2.4 交流过零触发PWM脉宽调功原理12第四章 温控系统软件设计144.1 登录系统设计144.2 数据采集及处理控制模块的设计17
8、4.2.1 温度信号的采集174.2.2 采集数据的处理194.2.3 PID控制信号的产生224.3 数据存储模块244.3.1 数据存入文本文件244.3.2 数据存入TDMS文件254.4 历史数据查看模块264.4.1 文本文件查看方式264.4.2 TDMS文件查看方式284.5 打印模块394.6 网络通信模块304.6.1 DataSocket的数据传输314.6.2 在Web上发布程序334.7 加热炉温控系统的集成34总结37参考文献38致谢39第一章 绪论第一章 绪论1.1 课题研究的目的和意义电加热炉被广泛应用于工业生产和科学研究中。由于这类对象使用方便，可以通过调节输出
9、功率来控制温度，进而得到较好的控制性能，故在冶金、机械、化工等领域中得到了广泛的应用。在许多工业过程控制中，工业加热炉是关键部件，炉温控制精度及其工作稳定性已成为产品质量的决定性因素。温度控制不好，将给企业带来不可弥补的损失。同时，优良的加热炉温控系统，不但可以保障工业生产的顺利进行，还可以大幅度提高生产效率，节约能源资源，降低生产成本，贡献低碳社会。因此，优良且可靠的加热炉温控系统在工业生产中是十分必要的。近年来，随着计算机技术的迅猛发展，现代测控技术越来越离不开计算机。美国NI公司顺应时代发展，适时提出虚拟仪器概念。通过几年的发展，虚拟仪器已广泛应用于国民生产各个环节。本课题采用NI公司的
10、虚拟仪器开发软件LabVIEW8.5，开发设计出一款低温加热炉温控系统。1.2 国内外发展状况电阻炉通过利用电源使得炉腔内的加热介质或电热元件发热，以此对物料或工件进行加热的工业炉。在机械工业中，电阻炉主要用于金属锻压前加热、钎焊、金属热处理加热、玻璃陶瓷焙烧和退火、粉末冶金烧结、砂型和油漆膜层的干燥、低熔点金属熔化等工序1。自从发现楞茨-焦耳定律这一电流的热效应以后，电热法最先应用于家用电器，后来在具有陶瓷纤维电阻的实验室小电炉中也采用此法。到20世纪20年代，伴随着镍铬合金的发明及广泛应用，在工业领域，电阻炉已得到了广泛的普及。工业领域使用的电阻炉一般说来由电热元件、金属壳体、砌体、炉用机
11、械和电气控制系统、炉门等部分组成。不同结构的电阻炉的加热功率大不相同，低功率的不足一千瓦，大功率的可达数千千瓦。根据工作温度的不同，电阻炉可分为低温炉、中温炉和高温炉。低温炉的工作温度在 650以下，中温炉的工作温度为6501000，高温炉的工作温度1000以上。它们的加热方式也不同：高温和中温炉主要采用辐射方式加热，低温炉主要采用对流传热方式加热。电加热炉随着科学技术的发展和工业生产水平的提高，已经在冶金、化工、机械等各类工业控制中得到了广泛应用，并且在国民经济中占有举足轻重的低位。电热炉是具有非线性、大滞后、时变性、升温单向等特点的控制对象。目前，对于加热炉温控系统的设计大多是由单片机作为
12、控制单元的,经过PID算法，由单片机控制功率控制元件，进而达到温控目的。功率控制元件多采用可控硅、固态继电器，也有采用传统的继电接触器进行控制。采用可控硅作为功率控制元件，调功方式主要有可控硅移相调压和双向可控硅过零调功2。基于单片的温控系统的缺点也很明显，比如系统硬件开销大，程序设计比较复杂，开发周期较长，实现的功能比较单一等等。随着计算机技术的发展，将单片机与计算机相结合，以单片机作为下位机，以计算机作为上位机，已成为设计者普遍采用方法。此外，在控制算法上，当对温控系统有较高的设计要求时，传统的PID算法可能满足不了要求。所以，也有人将模糊神经网络算法引入到加热炉温控系统中。如此一来，既能
13、用模糊规则来描述神经网络的推理过程，有可以通过神经网络来不断调整模糊规则；既能处理加热炉生产过程中的模糊和不确定因素，又可以适应加热炉对象的非线性和时变性。伴随着计算机技术、通信技术、微电子技术、软件技术的迅速发展，测量领域内不断涌现出新的测量理论、测量方法和新的仪器结构，传统仪器的概念越来越受到新技术新思想的挑战。特别是计算机软件技术与将计算机作为核心的仪器系统的紧密结合，出现了一种全新的仪器虚拟仪器(Virtual Instrument，VI)，引发了仪器概念的突破性变革。虚拟仪器(Virtual Instrumention)是基于计算机的仪器，它根据仪器的需求，组成数据采集系统。研究虚拟
14、仪器主要涉及两方面的基础理论，即数字信号处理和计算机数据采集。目前，仪器技术发展的一个重要方向是将仪器与计算机紧密结合。概括起来，这种结合有两种方式。第一种方式，把计算机载入仪器中，智能化的仪器就是采用这种方式。由于计算机的功能越来越强大并且体积日趋缩小，采用这种方式构成的仪器的功能也越来越强大。第二种方式，把仪器载入计算机中，以计算机硬件及其操作系统为平台，实现仪器的各种功能。采用第二种方式的主要是虚拟仪器。1986年，虚拟仪器的概念在美国NI公司诞生。时至今日，虚拟仪器技术已成为当代测控领域的热点技术。其发展大致可分为如下三个阶段3。(1) 采用计算机技术增强仪器的各功能。通过RS-232
15、C和GPIB总线，用户就可以将传统仪器与计算机连接起来，就可以实现使用计算机来进行仪器的控制了。(2) 仪器结构更加开放。仪器的发展离不开技术的进步，插入式的计算机数据采集卡和VXI总线标准的确立这两大硬件技术进步，促使仪器的结构得以开放，使得由用户定义仪器功能和由供应商定义仪器功能的区别得以消除。(3) 虚拟仪器的结构框架得到了广泛的认可和采用。像在软件领域中一样，虚拟仪器开始采用面向对象技术，在构建虚拟仪器时，它把用户需要知道的东西封装起来，使得编程更加简便高效。在虚拟仪器的硬件和软件领域中，已经产生了许多行业标准，几个虚拟仪器的平台已经得到广泛认可。目前在这一领域内，使用较为广泛或者说首选的虚拟仪器开发软件是美国NI公司的LabVIEW。采用LabVIEW开发加热炉温控系统，可以充分发挥G语言(Graphics Language，图形化编程语言)编程的优势。1.3 本设计要做的工作根据电加热炉大惯性、大滞后的特点，采用PID控制算法，由虚拟仪器控制实现交流过零触发PWM脉宽调功，功率控制器件选用双向可控硅。硬件的设计任务主要
