阐述了在化工传热实验中对采集的温控数据进行转换的方法,分析了各自的优点,较为详尽的探讨了利用Excel统计函数及VBA进行二次曲线拟合,获得拟合方程,实现温控数据的实时动态转换的过程。In the paper, the author expounded the conversion methods of temperature control data which gathered from the heat transfer experiments in chemical engineering, analyzed the merit of these methods respectively, and probed how to make conic fitting, obtain the fitted equation and achieve the real-time dynamic conversion of temperature control data by using Excel statistical functions and VBA.基于VBA的实验数据处理系统的研究与实现颁发部门:江西省教育厅2008年度科技资助项目(GJJ08461)基金项目申请人:颜

吴劲成

彭小平

颜清

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技术创新中文核心期刊《微计算机信息》(管控一体化 )2008 年第 24 卷第 10-3 期360元 / 年 邮局订阅号：82-946 《现场总线技术应用 200 例》软 件 时 空1 引言热电偶因结构简单、测温精度高而广泛用于化工传热的温控装置中。传热过程要根据温度的监控结果来对热水阀门开度进行控制，其关键即为对微转换器所采集的温控数据进行实时处理。利用常用软件 Excel 实现对温控数据的即时动态转换，方便快捷，易于掌握。2 温 控 数 据 的 转 换 及 即 时 动 态 转 换方法对于实测的铜-康铜热电偶热电动势 mV 值与温度的动态转换，是实验数据自动处理的基础。Excel 具有超强的计算功能、图表功能和函数功能，加之嵌入其中的编程语言 VBA，其信息交换和数据通讯能力大为加强，使温控数据直接在 Excel 中完成即时动态转换成为现实。图 1 铜-康铜热电偶分度表2.1 调用 VBA 程序实现温控数据的自动查表转换传热实验电动势 mV 值自动转换为温度的范围为 0℃至100℃，在 Excel 中设计一个对照铜-康铜热电偶分度表即“热电动势”表（图 1）。将铜-康铜热电偶在化工传热实验中实测的进、出口的管内、管外及管壁的毫伏值读入到“原始数据”表（图 2）后，在“V-T 转换”表（图 3）中增加一个“V->T 转换”按钮，按钮中加入一段 VBA 代码，利用 VBA 编程自动查表，实现实验毫伏值对温度的转换。如执行“视图/工具箱/控件工具箱”命令，在浮动的“控件工具箱”工具条中，添加一个按钮到“V-T 转换”表中，命名为“V->T 转换”按钮。“V->T 转换”按钮相应的 VBA 代码为：Private Sub CmdVTZH_Click()Dim eDim i, j, k, n, s As IntegerDim L, M, mV(5, 10), VT(9, 9) As Double ' 其中声明了两个大小为 6 行 16 列的二维数组Z = 11For j = 1 To 11 ' 二维数组 mV(5, 10)读入图 2 的“原始数据”表For i = 1 To 6mV(i - 1, j - 1) = Sheets("原始数据").Cells(3 + i, 2 + j)Next i, jFor n = 0 To 9 '二维数组VT(9, 9)读入图 1的“热电动势”表For s = 0 To 9VT(n, s) = Sheets("热电动势").Cells(n + 5, s + 3)Next s, nFor j = 1 To 11 ' 热电偶 mV 值转换为温度写入图 3 的“V-T 转换”表For i = 1 To 6For n = 0 To 9For s = 0 To 9If VT(n, s) = 0 Then r = 0: s = 1If mV (i - 1, j - 1) <= VT (n, s) And mV (i - 1, j - 1) >= rThene = (VT(n, s) - mV(i - 1, j - 1)) / (VT(n, s) - r) ' 在两个温传热过程温控数据的即时动态转换The real-time dynamic conversion of temperature control data in heat transfer process（１．上饶师范学院；２．厦门大学化学化工学院） 颜 清 1 彭小平 1 吴劲成 2YAN Qing PENG Xiao-ping WU Jin-cheng摘要: 阐 述 了 在 化 工 传 热 实 验 中 对 采 集 的 温 控 数 据 进 行 转 换 的 方 法 ，分 析 了 各 自 的 优 点 ，较 为 详 尽 的 探 讨 了 利 用 Excel 统 计函 数 及 VBA 进 行 二 次 曲 线 拟 合 ，获 得 拟 合 方 程 ，实 现 温 控 数 据 的 实 时 动 态 转 换 的 过 程 。关键词: Excel; VBA; 温控数据; 即时; 动态转换中图分类号: TP274 文献标识码： AAbstract: In the paper, the author expounded the conversion methods of temperature control data which gathered from the heat trans-fer experiments in chemical engineering, analyzed the merit of these methods respectively, and probed how to make conic fitting, ob-tain the fitted equation and achieve the real-time dynamic conversion of temperature control data by using Excel statistical functionsand VBA.Key words: Excel; VBA; Temperature control data; Real-time; Dynamic conversion文章编号:1008-0570(2008)10-3-0234-02颜 清: 副教授基金项目: 基于 VBA 的实验数据处理系统的研究与实现颁发部门: 江西省教育厅 2008 年度科技资助项目(GJJ08461) 基金项目申请人: 颜 清234- -邮局订阅号：82-946 360 元 / 年技术创新软 件 时 空《PLC 技术应用 200 例》您的论文得到两院院士关注度值之间时均匀插值Sheets("V-T 转换").Cells(i + 3, 2 + j) = n * 10 + s - eEnd Ifr = VT(n, s)Next s, n, i, jEnd Sub图 2 实测管内、管外及管壁的进、出口铜-康铜热电偶毫伏值点击“V->T 转换”按钮，得到实验测定的进、出口的管内、管外及管壁的铜-康铜热电偶 mV 值转换温度的“V-T 转换”表。VBA 代码中温度精确到小数点后两位，当热电偶 mV 值在两个温度之间时均匀插值计算，与人工查表相同，被认为是准确的。图 3 实测铜-康铜热电偶毫伏值对温度（℃）的转换表2.2 根据统计函数直接将 mV 值转换为温度图 3 中的温度数据，是点击图 3 中的“V->T 转换”按钮，执行按钮中的 VBA 代码后获得的。如果图 2 中实测的铜-康铜热电偶毫伏值是人工输入的，上述转换方法就可行。对于通过数据采集接口模块获取数据，即动态读入到图 2 的实测铜-康铜热电偶毫伏值，通过“V->T 转换”按钮转换却不合适，这时采用Excel 函数功能自动将采集的 mV 值在图 3 中转换为温度。为了方便得到相应热电偶热电动势 mV 值的预测值，可以在“V-T 转换”表中重新设计一个热电偶热电动势 mV 值与温度的对照表（图 4，表的列数有省略），直接在“V-T 转换”表中输入 Excel 直线拟合统计函数 FORECAST()，将“原始数据”表中的热电动势 mV 值转换为温度。图 4 热电偶热电动势 mV 值与温度（℃）的对照表如在“V-T 转换”表（图 3）中的 C4 单元格中输入 Excel 直线拟合统计函数公式“=FORECAST(原始数据! C4, $A$14:$CW$14,$A$15:$CW$15)”，然后利用填充柄先向下填充至 C9，再选择 C4：C9，向右填充至 M4：M9，根据图 2 实测的热电偶热电动势 mV 值，得到转换为温度的“V-T 转换”表（与图 3 相似）。其原理是在基于最小二乘法的拟合直线上，由已知 mV 值（原始数据! C4）预测温度。但直线拟合预测所得的“V-T 转换”表与图 3 相比较，存在一定误差，平均绝对误差为 0.51℃，若用二次拟合曲线预测将精确得多。2.3 统计函数实现二次曲线拟合二次曲线拟合是将温度 T 与热电偶热电动势 V 拟合成以下形式的二次曲线函数关系：（1）由于 V=0 时，T=0（℃），故 a3=0。将（1）式代入热电偶热电动势 mV 值与温度（℃）的对照表，得以下矩阵形式：（2）式（2）矩阵写成 T=VA，根据最小二乘法二次曲线拟合原理，两边同乘 V 的转置矩阵 VT：VTT =VVTA，可得到求解（1）式系数的二元一次方程组，容易求出 a1,a2。101×2 矩阵与其 2×101 转置矩阵相乘运算十分繁琐，但在Excel 中，用求和函数求算既准确又快捷。如图 5 所示，N4：P104单元格区域为（2）式中矩阵数据，在 N105 和 N106 单元格中分别输入公式“{=SUM（N4：N104*$O$4:$O$104）}"和“{=SUM（N4：N104*$P$4:$P$104）}"(求和公式输入后同时按下 [Shift]+[Ctrl]+[Enter] 键会出现{}符号，不需另外输入), 利用填充柄向右填充即完成操作，得到求解待定系数的二元一次方程组：44933.75=6453.704a1+1886.847a2 和 14129.98=1886.847a1+590.3048a2,在P107 和 P108 单元格中输入一般的公式就能求得二次拟合曲线的两项系数:a1=-0.54641 和 a2=25.68314,得二次曲线拟合函数：T= -0.54641V2 + 25.68314V。接着在“V-T 转换”表 C4 单元格中输入公式“=-0. 54641* 原始数据! C4* 原始数据! C4+25.68314*原始数据! C4，利用填充柄与前类似操作，得到的“V-T 转换”表几乎与图 3 相同，绝对误差在小数点后第二位，平均绝对误差为 0.05℃，很精确，适合温控数据采集过程中的即时动态转换。图 5 统计函数实现二次曲线拟合2.3 温控数据的即时动态转换由温控数据采集接口模块获取数据，Excel 每隔 50s 动态读入热电偶毫伏值至“原始数据”表中，这时利用以下 VBA 模块实现温控数据的动态转换。Sub CJSJ()'"采集数据" VBA 模块("V-T 转换").Calculate ' 重新计算" V-T 转换"工作表...... ' 相关的读入采集数据等宏命令("原始数据").Calculate ' 重新计算"原始数据"工作表CJSHJ ' 调用"采集时间"模块End Sub“采集数据”模块的 VBA 宏语言中调用了“采集时间”。“采集时间”模块的宏语言为：Sub CJSHJ()'"采集时间"VBA 模块Application.OnTime Now + TimeValue ("00:00:50"), "CJSJ"'50 秒后重新调用"采集数据"模块 （下转第 ２４９ 页）T aV a V a= + +0 0 01 0.039 0.0392 0.078 0.078... ... ...100 4.277 4.277 aa              =                235- -邮局订阅号：82-946 360 元 / 年技术创新软 件 时 空《PLC 技术应用 200 例》您的论文得到两院院士关注误差平方和 ；用所有样本点建模，样本点 代入模型，得到预测值 ，计算误差平方和 ，若，NNPLS 训练结束。 否则，计算残差： ＝ － , ＝ －，转至第二步，用 、 代替 、 ，求解 多 一 个主 元，循 环往复，直至 。4.3 模型验证为了考察 NNPLS 模型对门尼粘度的预测精度， 我们对一个月的化验分析值与模型预测值做了比较，如图 3。从图中可以看出，测试数据门尼粘度预测输出与实际输出之间的最大偏差为 3.6,满足生产预测需要(预测偏差小于 5)。图 3 对于测试数据门尼粘度预测输出与实际输出的关系曲线据此可以认为，模型的预测效果良好，能用于指导生产。5 结束语本 文 提 出 用 NNPLS 算 法 预 测 合 成 橡 胶 生 产 装 置 中 门 尼 粘度,并详细叙述了 BP 神经网络与 PLS 相结合的一种 NNPLS 实现方法。 经过仿真，结果表明，该预测模型能够满足生产需求。BP 神经网络的预测模型容易出现过拟合问题，PLS 对相关输入处理非常有效，但只能从数据中提取线性信息。 考虑到实际过程的各个过 程 变 量之 间，常 常存 在 较 强的 相 关 性，以 及 过程 变 量 与 质 量 指 标 之 间 的 非 线 性 ， 预 测 工 艺 质 量 参 数 采 用NNPLS 模型结构，是一个合理、有效的途径。 由于训练中分别采用 了 共 轭 梯 度 法 和 交 叉 确 认， 大 大 提 高 运 算 速 度 和 精 度 ，使NNPLS 模型又快又准确预测橡胶生产过程中门尼粘度的变化，能使操作者及时了解生产中门尼粘度值，并根据预测的门尼粘度值与当前的工艺参数调整控制生产，为合成橡胶生产装置的优化控制创造条件。参考文献[1]李桢.丁苯橡胶门尼粘度的软测量建模.广州：华南理工大学，2004.[2]曹柳林，江弘，陈红.利用神经元网络实现门尼粘度的预估.北京化工大学学报，1997，24（4）：60-63.[3]Qin S J, McAvoy T J, Nonlinear PLS modeling using neural net－work[J].Computer Chem. Eng.,1992,16(4):379-391.[4]梁军，汪小勇，王文庆.基于神经网络 PLS 方法的软测量建模研究.浙江大学学报（工学版），2004，38（6）：676-681作者 简 介：李 桢（1970-），男，广 东 湛 江 人 ,高 级 工 程 师，硕 士 学位 , 主 要 从 事 自 动 化 控 制 系 统 的 应 用 与 维 护 工 作 ； 肖 迳（1944-），男，副教授. 刘美（1967-），女，副教授，博士.(525000 广东 茂名 中国石化股份有限公司茂名分公司) 李 桢(510640 广东 广州 华南理工大学自动化科学与工程学院) 肖 迳(525000 广东 茂名 茂名学院自动化系)刘美(Maoming Branch，SINOPEC，Maoming，525000，Guangdong，China) LI Zhen(College of Automation Science and Technology, South ChinaUniversity of Technology, Guangzhou, 510640, Guangdong,China) XIAO Jing(Department of Automation, Maoming University, Maoming,525000, Guangdong, China )LIU Mei通讯地址：(525000 广东 广东省茂名市中石化股份茂名分公司化工分部仪表车间)李桢(收稿日期:2008.08.13)(修稿日期:2008.09.25)(上接第 235 页)End Sub可以看出，“采集数据”模块和“采集时间”模块形成循环调用，Excel 根据读入“原始数据”工作表后的温控数据，实现“V-T转换”表的动态变化。 由于温控数据转换的自动化，采用“统计函数直接将 mV 值转换为温度”的温控数据的动态转换方法较为合适。3 结束语如果对保存后的温控数据进行 V-T 转换， 采用 VBA 编程自动查表方法较为合适， 所创建的 VBA 模块可以通过插入一个工具控件箱按钮运行。 若要对采集的温控数据进行即时 V-T转换，采用统计函数拟合二次曲线的方法较为合适。在 Excel 中编写 了 几段 简 单 的 VBA 模 块，当 运行“采 集 数据”VBA 模 块 之后，再与“采集时间”VBA 模块（读入一次 热 电 偶毫 伏 值 的时 间间隔为 50 秒）形成循环调用，从而实现温控数据的即时动态转换。用人们熟悉的常用软件 Excel 进行信息交换和数据通讯，完成即时动态转换，给人以启迪，有实用意义。本文作者创新点：在常用软件 Excel 中，利用统计函数快捷地进行二次曲线拟合获得拟合方程， 利用 VBA 进行信息交换和数据通讯，完成温控数据的即时动态转换。参考文献[1]王永华,张诗,李斌,罗刚,牛彦杰.基于 ExcelVBA 技术的自动数据采集系统.南京工业大学学报, 2006,28(5): 93-95.[2]肖汉,敏冯毅.串行通信在实时数据采集中的应用. 微计算机信息(测控自动化),2007,23(5-1):100-101.[3]燕红波,杨庆,东刘芳.基于 Matlab 工程数表处理方法的研究.微计算机信息(测控自动化),2007,23(9-1):207-208[4]许新乐. Excel 填充柄在精馏塔逐级计算中的应用.青海大学学报,2006,24(6):57-59.[5]罗传义,时景荣.逐步回归分析 VBA 程序.吉林化工学院学报,2007,24(4):56-60.[6]彭小平,颜清.Excel 中基于 VBA 的嵌入式“化工实验数据处理”自定义程序.计算机与应用化学,2008,25(1):107-110.[7]彭小平,颜清.基于 VBA 的“自动出卷”嵌入式应用程序.华东交通大学学报,2004,24(4):68-71.作者简介: 颜 清(1962-),女 ,上饶 师 范 学院 副 教 授 ,研 究 方 向为计算机控制与信息处理;彭小平（1956-），男，上饶师范学院副教授,研究方向为化学工程与计算机化学。Biography: YIAN Qing (1962- ), Female, adjunct professor ofMathematics and Department, Shangrao Normal university. Re-search Field: Computer Control and Information Processing.通讯地址：(334001 上饶师范学院数学与计算机系)颜 清(收稿日期:2008.08.13)(修稿日期:2008.09.25)( )== −∑ iy( )== −∑ − ≤E E t p F F ( )N t qE F E F249- -

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