換熱器實時監控系統的設計與實現

柏楊進，薄翠梅，平亦超，何平

（南京工業大學自動化與電氣工程學院，南京211816）

隨著中國石油、化工、冶金、醫藥、紡織、輕工、電力工業的發展，大型冷卻循環水系統的使用越來越廣泛，由此引起冷卻水在循環水系統中的腐蝕、結垢、積污的問題也越來越突出。為保證大型循環冷卻水系統的正常運轉和連續生產，必須有效地對循環系統的結垢、腐蝕等情況進行監測，從而評定出最佳的水處理方案。由于冷卻循環水水質穩定劑配方的好壞直接影響到換熱器的換熱效率及管道的腐蝕狀況、維修周期、能源消耗等諸多方面。因此，監測換熱器具有特別重要的意義。筆者用C＃語言開發了換熱器參數監控系統，該系統實現了對換熱器參數的采集和處理，其中包括數據顯示、計算、存儲、曲線繪制等，達到了實時監控的目的。

1 換熱器參數監控系統的設計

1.1 問題的提出

監測換熱器安裝在冷卻循環水旁路上進行測試，用低壓飽和蒸汽作介質。換熱器的參數包括循環水的進口溫度、出口溫度、加熱蒸汽溫度等。根據這些參數計算污垢熱阻，操作員根據污垢熱阻和水質的各項參數（如電導率及pH等）確定加藥量。對監測換熱器裝置，保持冷卻水的體積流量、進口水溫、蒸汽溫度不變，污垢熱阻可通過冷卻水進、出口溫差變化計算，計算如下式：

式中：Rsi——瞬時污垢熱阻，m2·℃／W；D——傳熱試管的內徑，m；L——傳熱試管的有效換熱長度，m；qV——循環冷卻水的體積流量，L／h；T——蒸汽溫度，℃；ti，to——冷卻水瞬時進出口溫度，℃。

因此，監測換熱器溫度參數的準確獲取至關重要，這些參數可以用相應的測量儀表進行測量。同時要求監測換熱器的進口循環水溫度可被控制，并且需要對這些測量或計算出來的參數進行實時顯示、存儲、計算、繪制曲線等。

1.2 溫度的測量與控制

監測換熱器的進口循環水溫度需要控制在一定值，這是由于監測換熱器是對實際換熱器的模擬。實際換熱后的冷卻循環水需要進行冷卻，以未換熱時的溫度進入監測換熱器，這樣監測換熱器才能更真實地模擬工業現場換熱器。該溫度控制采用簡單的PID控制，智能儀表通過溫度給定值與測量值的偏差，通過內部PID調節，輸出控制信號至變頻器。變頻器相應改變冷卻塔中的風機轉速，從而改變冷卻塔的出口循環水的溫度。通過智能儀表的調節，監測換熱器的進口循環水溫度能維持在一定值。

1.3 監控系統結構與功能設計

監控系統結構如圖1所示。

圖1 監控系統結構示意

a）在監控界面中，用戶可以觀察換熱器進出口溫度、蒸汽溫度及污垢熱阻，各參數實時變化。

b）在曲線界面中，用戶可以觀察換熱器進出口溫度和蒸汽溫度，由此計算出污垢熱阻的實時曲線。并可根據起始時間，查詢換熱器對應的溫度、熱阻及水質參數的歷史曲線。

c）在數據查詢界面中，用戶可以隨意查詢所需時間段的歷史數據或該時間段的操作記錄。

d）參數修改界面中，管理員可以修改計算污垢熱阻時的公式參數。

e）串口設置中，用戶可以根據不同電腦，配置不同的串口。可以設置的串口參數有串口號、波特率、數據位、停止位、校驗位等。

2 監控系統的程序實現

根據上述系統功能要求，系統編程流程如圖2所示。

圖2 系統編程流程示意

2.1 獲取溫度數據

監控系統中溫度數據的獲取涉及到串口編程，PC與儀表之間為串口連接，其通信協議為Modbus，程序流程如圖3所示。程序中發送指令后的延時等待非常重要，無此等待時間，系統將獲取不到真實數據。

圖3 數據獲取程序流程示意

2.2 數據的處理及曲線繪制

在獲取各溫度數據及計算得到的熱阻數據后，需要定時將數據存入到數據庫中。對數據庫的操作包括查詢、插入、修改、刪除。數據存儲采用SQL中的insert指令。在C＃中，定時用到timer控件，定時存儲程序如圖4所示。數據存儲到數據庫后，用戶需要對歷史數據進行查詢，并將結果保存在Excel工作簿中，查詢的時間段由用戶自己決定。

圖4 數據存儲程序流程示意

實時曲線顯示時，定義了公共類“實時數據”和公有變量，將串口獲得的數據傳遞給畫實時曲線的數據數組。用戶點擊“實時曲線”就能得到曲線顯示界面。歷史曲線顯示時，畫圖數據由用戶在界面中選擇時間段，根據時間段查詢數據庫所得。程序和導出歷史數據相似。在查詢到的數據送至Datagridview后，再將Datagridview中的數據送至數組。由于定義了曲線繪制類Curve，在主程序中調用該畫圖類Curve，即可。

軟件其他功能如登錄退出系統、參數修改等，這些功能僅涉及到數據庫查詢、修改，程序實現簡單。

3 監控系統的應用

整個監控系統開發完畢后應用于山東日照亞太森博紙漿廠循環水處理系統。在換熱器監控界面中，可實時顯示換熱器的各進出口流體溫度參數和水質參數。且同一界面中，可以同時看到各溫度及由溫度計算出來的熱阻變化情況，如圖5所示。根據歷史曲線的變化情況，可以用來評價加藥處理后的效果，也可以指導水處理時的加藥量。該套監控系統的應用給用戶帶來了極大的方便。

圖5 換熱器溫度及熱阻歷史曲線界面

4 結束語

為保證大型循環冷卻水系統的正常運轉和連續生產，必須有效地對循環系統的結垢、腐蝕等情況進行監測，從而評定出最佳的水處理方案。用C＃語言開發的換熱器參數監控系統，實現了對水處理現場參數的監測和保存，可以指導水處理方案的設計。監控系統對現場數據的采集和處理，簡單方便可靠。

［1］ 顧學群，劉建峰.基于PC機的溫度采集記錄系統［J］.儀表技術，2004（03）：37－38.

［2］ 楊述斌.工業現場溫度采集系統設計與實現［J］.中國科技信息，2007（23）：75－78.

［3］ 張躍廷，韓陽，張宏宇.C＃數據庫系統開發實例精選［M］.北京：人民郵電出版社，2007.

［4］ 姜偉，尹靜濤.串行通信標準在工業現場數據采集中的應用［J］.中國科技信息，2009（18）：102－103.

［5］ 陳池，陳巒，任金忠.基于Modbus協議的RS－485工業現場總線系統［J］.裝備制造技術，2009（05）：93－96.

［6］ 仲崇權，楊素英，張立勇.基于RS4－85總線的溫度采集模塊［J］.工業控制計算機，1999，12（05）：29－31.

［7］ 張凱，劉偉軍，岳震，等.利用VC＋＋6.0實現溫度采集模塊的串行通信［J］.機械設計與制造，2005（07）：149－152.

［8］ 鐘斌，黎和昌，敬新益，等.利用Visual C＋＋和ADAM模塊開發溫度采集與控制系統［J］.南昌工程學院學報，2005，24（03）：46－49.

［9］ 李慶華，姜會文，邱書波.VC6.0下應用MSComm控件實現RS－485串行通信［J］.微計算機信息，2002，18（10）：53－57.

［10］ 聶華，王潔，曾宇.基于VC＋＋開發串口通信的方法［J］.中國信息導報，2003（01）：54－56.