基于LabVIEW的智能铜液测温定氧仪的设计与实现

羊荣金

（杭州科技职业技术学院，浙江 杭州311402）

0　引言

风力发电是目前发电技术应用中最清洁、安全的，目前世界风力发电发展速度远远超过其他新能源发展速度，未来风力发电很可能成为全球电力的最主要来源。据中国风能协会预测，中国风电总装机容量在2020年达到80亿瓦，2030年达到180亿瓦，2050年不低于500亿瓦。我国政府将全力支持并建设智能电网，解决风电输送的瓶颈问题，推动风电成为我国电力的主要来源之一。

同时在“十二五”规划中，中国高铁将作为新兴产业大力优先发展，目前相关技术已经达到世界先进水平。截至2017年，中国铁路营业里程达12.7万公里，高铁运营里程达2.5万公里。而这仅仅是个开始，预计到“十三五”期末，中国铁路营业里程将达到15万公里以上，其中高速铁路达3万公里以上。

上述产业用到的发电机组、变压器、牵引电机、接触导线等都需要用到大量高品质的电磁线。衡量电磁线的主要质量指标有抗拉强度、延伸率、导电率、耐压性、氧含量及表面质量，其中氧含量是其主要质量指标之一。对于生产电磁线的原材料高纯无氧铜杆，如果氧含量过高会出现以下现象：①铜杆中的氧，以氧化铜状态，从晶相组织上看氧化铜存在于晶粒边界附近，氧化铜以夹杂形式在晶界出现对材料的韧性产生负面影响，导致铜杆的机械性能下降、在后续加工中出现断裂现象；②由于氧化铜的存在会造成铜杆导电率降低；③加工后的铜产品在含氢气环境中退火会产生气泡和针孔，影响表面质量；④产品表面有瑕疵后会降低耐高压性能。以上现象都会对相关设备运行造成运行效率下降，并存在很大的安全隐患。

浸涂法 DIP（Dip Forming Costing System）是无氧铜杆的主要生产工艺，铜杆中的氧含量取决于铸造铜杆的铜液中的氧含量，为了保证无氧铜杆低氧含量，必须在生产作业前检测铜液中的氧含量。通过对铜液测温定氧原理分析，在图形化虚拟装置编程软件LabVIEW2011环境开发了基于虚拟装置技术的铜液测温定氧仪装置。该装置具有数据采集、数据存储、数据实时显示、历史数据再现、数字滤波、声光报警和文件后处理等功能。

1　LabVIEW简介

与C和BASIC等编程语言一样，LabVIEW有一个完成任何编程任务的庞大函数库。LabVIEW的函数库包括测量数据采集、串口控制、数据分析、显示及数据存储等功能。LabVIEW也有传统编程软件具有的程序调试工具，比如程序运行设置断点、以动画方式来显示数据及其子程序（子VI）的结果、单步执行等功能，便于程序员对程序的调试[1]。

LabVIEW （Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）是一种用图标替代代码行进行应用程序设计的图形化编程语言。传统文本编程语言根据语句和指令的先后顺序决定程序执行顺序，而LabVIEW则采用数据流编程方式，对于工程技术人员只需要掌握一些基本编程知识，就可以根据生产工艺要求搭建图形化程序，大大减低了工程技术人员软件开发门槛。

LabVIEW还提供了很多外观与传统装置（如示波器、万用表）类似的控件，可让工程师用来方便地创建用户自定义界面，使用图标和连线，可以通过编程对前面板上的对象进行流程控制，这就是图形化源代码（简称G代码）。LabVIEW的图形化源代码在很大程度上类似于流程图，所以又被称作程序框图代码。这是一个功能强大且容易上手的编程软件，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

铜液测温是利用一次性消耗快速热电偶探头作为测量专用传感器，当热电偶插入铜液中，温度急剧上升，在与铜液达到温度平衡后，将呈现一段相对较平坦的测温曲线，称为“平台”曲线，如图1所示。这段曲线所代表的温度，就可以认为是铜液的实际温度。由于生产过程铜液实际温度高低不同，热电偶的型号不同，此平台的长度和平台的波动曲线也不同。

图1　温度和氧电势测量曲线

铜液中氧含量的测量相对比较复杂，它是通过测量铜液的温度值和氧电势间接计算求得，所以氧含量的测量必须采用复合测量探头即测温定氧探头专用探头，一次测量同时得到铜液温度值和氧电势，再经过相应换算公式计算才能得到氧含量[3]。

铜液氧含量与温度、氧电势的关系十分复杂，本装置可以根据测温定氧探头厂家提供的公式及参数进行换算，比如上海贺利氏电测骑士有限公司生产的CE-CU1200-S测温定氧复合探头为例，其换算公式为：

式中，ao为氧含量（PPM），T为铜液温度值（℃），EMF为氧电势（mV）。

测温定氧复合探头由一个固体参考电池和PtRh/Pt热电偶组成，固体电解池是用来测氧电势的，热电偶是用来测温度的。两种探头集成在一个由一个圆锥形沙体内部，由铜帽和纸渣帽头部保护，在外部有一次性的纸套管保护，如图2所示。

图2　测温定氧复合探头

3　总体设计方案

根据铜液测温定氧原理，设计出装置方案，如图3所示。

图3　测温定氧仪设计方案

为了便于现场携带，方案采用研华PPC-128T 12寸一体式触摸工业平板电脑，自带自动数据流控制RS 485（COM2端口），测量温度值和氧电势分别通过宇电智能仪表AI708进行采集，上位机采用Lab－VIEW编程软件通过RS485接口分别与两块仪表通讯，当测枪插入铜液后，实时采集数据记录数据，并进行氧含量换算，测量进度可通过声光报警器提醒测试人员，及时撤出测枪，防止测枪在铜液中停留时间过长而损坏，并根据相应的数据滤波方案，得到最终的铜液氧含量[4]。

4　方案实现

4.1　工业平板电脑RS485通讯端口设置

研华PPC-128T机型带4个串口，其中COM2口可支持RS-232/422/485.串口模式的修改在BIOS中进行设置，具体设置方法如下：进入BIOS中，在Integrated Peripherals—Super IO选项中，将Serial Port2 Mode选项设置为 RS232/RS422/RS485，默认为RS232.若使用RS-485模式，选择RS485，同时还需要将COM2 autoflow选项设置为enabled，打开自动流控功能。其中 COM2口定义针脚：1：RS-；2：RS+.具体参数设置如图4所示。

图4　PPC-128T RS485端口设置

4.2　宇电智能仪表AI708参数设置

宇电智能仪表AI708采用AIBUS通讯协议，能用简单的指令实现强大的功能，并提供比其它常用协议（如MODBUS）更快的速率（相同波特率下快3~10倍），上位机访问一台AI708仪表的平均时间仅20 ms.仪表使用异步串行通讯接口，接口电平符合RS232C或RS485标准中的规定。

CE-CU1200-S测温定氧探头为S型热电偶，氧电势输出范围：-1V~1V。根据上述信号规格，分别设置仪表参数，可通过仪表显示界面直接修改相应参数，也可以在通讯成功后，LabVIEW发送特定的指令方式进行修改修改。

仪表参数设置如下：数据格式为1个起始位，8位数据，无校验位，1个停止位。通讯传输数据的波特率 bAud：9600 bit/S.设置温度值仪表：Addr：01；输入规格InP：01（S型热电偶）。设置氧电势仪表：Addr：02，输入规格 InP：37（-5 V~5 V）。

4.3　LabVIEW通讯参数设置

LabVIEW串行口通信功能函数提供方便的用户接口，常用的主要函数有VISA配置串口、串口写入、串口读出和串口关闭等功能，如图5所示，可快速地定义主机串口号、从机地址、传送的数据长度及一帧串行数据的格式规约，包括波特率、数据位、奇偶校验和停止位等。正是利用了LabVIEW编程语言直观、快捷的特点，工程人员可以通过功能模块的组合和连接，能够方便地根据仪表厂家提供的通信协议开发出适合各种不同设备之间的通信程序。

图5　串口通信函数

在LabVIEW中进行串口通信的基本步骤是：1）初始化串口，设置串口参数与从机串行通讯参数一致；2）读写端口；3）延时；4）重复步骤 2）；5）退出程序前先关闭串口。

首先调用VISA Configure Serial Port打开串口并进行适当的配置，参数配置说明如图6所示，必须需智能仪表AI708通讯参数一致才能确保正常通信，参数如下：VISA resource name：COM2；Baud rate：9600；Data bits：8；Stop bits：1；其它参数保持默认即可。

图6　VISA Configure Serial Port参数表

4.4　测量参数采集实现

AI708仪表采用16进制数据格式来表示各种功能指令代码及数据，标准读指令代码：地址代号+52H+要读的参数代号+0+0+校验码。该仪表通讯协议规定如下：

地址代号为两个相同的字节，数值定义为（仪表地址+80H）。以氧电势仪表为例，参数Addr=02（即16进制数为02H，则01A+80H=82H），则该仪表的地址代号为：82H 82H.

功能参数代号（0-56H）：仪表的参数定义1个8位二进制数的参数代号来表示。它在指令中表示要读的参数名。

校验码：校验码采用标准16位求和校验方式，读指令的校验码算法为：要读参数的代号X 256+82+Addr.

仪表返回数据：仪表一共返回10个字节数据内容，其格式为：测量值+给定值+输出值及报警状态+所读参数值+校验码。

根据上述通讯协议，在LabVIEW软件中绘制读帧指令及串口读程序框图，如图7所示，将读取的PV值存入变量，供程序调用。

图7　测量参数读取程序框图

以读取温度值仪表为例，仪表地址：01H，读取地址：16H，根据AI708仪表AIBUS通讯协议，向端口2发送16进制数据：8181521600005316，仪表通讯成功后返回数据：B7440000 6E708025A6DA，其中B7H代表测量值PV低位，44H代表测量值PV高位，实际测量PV值为44B7，换算成十进制数为17 591，即温度值1 759.1℃.

5　程序设计实现

5.1　测量值采集和数据处理

根据铜液测温定氧特性，典型的参数设置为当测温定氧复合探头插入铜液后，温度急剧上升，到达起点温度：1 000℃后，开始采集并记录温度值和氧电势，持续时间10 s或者测量温度超过1 300℃，只需满足其一条件，即自动停止数据采集，并通过声光报警器提醒测量人员将测枪从铜液中撤出，防止烧熔测枪。以上参数通过参数设置界面可以进行调整，如图8所示为数据采集和处理参数设置界面。

图8　数据采集和处理参数设置界面

为了确保数据准确，需对采集到的数据进行滤波处理，采用恒周期为50 ms采样，在满足采集条件下的数组中自动搜索第一次满足连续50个样本的标准差σ小于0.5的平均值作为测量结果。如果数组中找不到满足条件的样本，则认为本次测量无效，需更新探头重新测量。如图9所示为采用标准差计算测量结果程序框图。

图9　采用标准差计算测量结果程序框图

5.2　氧浓度值换算

由于测温定氧厂家探头类型不同，氧浓度换算参数需要相应的进行改变，在程序中可以设置多组探头参数配方，测量人员根据需要进行调用。在LabVIEW中利用Formula Node公式节点，公式节点语法与文本编程语言的语法相似，与C语言一样，赋值结束后使用分号（；）。将已测得的温度值和氧电势值导入公式节点，通过自定义公式和参数配方，换算成氧浓度。如图10所示为氧浓度换算程序框图。

图10　氧浓度换算程序框图

根据测温定氧复合探头厂家提供的探头参数配方为：f1=8.936，f2=-9562.3，f 3=10.08，f4=f5=0.铜液温度值T=1 145℃，氧电势EMF=-290 mV，根据公式（1），得到铜液氧浓度ao=1.4 ppm.

5.3　人机交互界面

人机交互界面将测量相关信息显示在界面上，便于用户进行参数设置和信息读取。

友好的人机界面将测量数据以曲线图形、图表形式展现在用户面前，便于测量人员及时掌握测量进度。从界面中可以显示测量探头状态、测量进度、当前温度和氧电势，同时为了便于统计，可输入作业人员姓名和测量位置等信息，这些信息在测温完成后，会以表格形式自动汇总，可以根据用户需要进行查阅。

经过长期的生产现场实践检验，根据测温定氧仪的测试结果，保证了铜杆中的低氧含量，提供了产品品质。图11所示为测温定氧仪测试现场。

图11　测温定氧仪测试现场

6　结束语

在LabVIEW2011软件平台利用工业平板电脑RS485通讯串口，通过AIBUS通讯协议，实现与多个仪表进行数据通讯，采集相关数据并通过计算机数据运算，测出铜液中的氧浓度。经工厂长期现场实践证明，该装置自动化程度高、测温结果准确稳定、软件界面友好，已达到预期的设计目标。