基于力控的管外強(qiáng)化換熱實(shí)驗(yàn)臺控制系統(tǒng)開發(fā)

王 建， 陶樂仁， 張宗楠

(上海理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，上海 200093)

0 引言

換熱器廣泛應(yīng)用于我國國民經(jīng)濟(jì)的各行各業(yè)中，如動力、核能、石油、化工、制冷、航天工業(yè)等[1]。換熱器的性能優(yōu)越對于這個行業(yè)來說至關(guān)重要。換熱性能好、強(qiáng)化傳熱就意味著節(jié)能，小到企業(yè)效益，大到國家能源問題全球能源問題都有重要意義。強(qiáng)化換熱技術(shù)作為一種能顯著改善傳熱性能的節(jié)能技術(shù)越來越受到人們的重視，其主要是通過使用強(qiáng)化換熱元件、改進(jìn)換熱器結(jié)構(gòu)、提高傳熱效率，從而提高能源使用率，達(dá)到節(jié)約成本的目的[2]。同時(shí)，對于替代制冷劑在高效換熱管內(nèi)的傳熱特性研究也非常重要，因?yàn)楦咝Q熱銅管的設(shè)計(jì)與優(yōu)化都需要這些數(shù)據(jù)。目前對于制冷劑傳熱性能的研究主要包括:管內(nèi)冷凝、沸騰，管外冷凝、沸騰[3]，而國內(nèi)對于管外強(qiáng)化傳熱的研究還多。

本文研究了一種基于力控組態(tài)軟件的單管管外強(qiáng)化換熱實(shí)驗(yàn)臺，通過傳感器測量各項(xiàng)參數(shù)，利用數(shù)據(jù)采集器將傳感器采集的信號進(jìn)行集中處理后，基于MPI通訊協(xié)議與上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊，上位機(jī)組態(tài)軟件處理并自動保存測試數(shù)據(jù)，可得到各性能參數(shù)的曲線和報(bào)表，顯著提高了測試效率和自動化程度。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)

如圖1所示，自行設(shè)計(jì)的一臺集蒸發(fā)和冷凝為一體的管外蒸發(fā)、冷凝實(shí)驗(yàn)臺，采用隔膜泵為系統(tǒng)的循環(huán)動力，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的壓縮機(jī)，既可以適用各種不同的制冷劑又可以避免潤滑油對實(shí)驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性的影響。測試實(shí)驗(yàn)段采用管殼式換熱器，殼體大空間內(nèi)走氟利昂制冷劑，管內(nèi)走水，水與制冷劑進(jìn)行熱量交換。冷凝實(shí)驗(yàn)時(shí)，加熱器H1把水加熱通過換熱器4與制冷劑換熱使制冷劑蒸發(fā)，在試驗(yàn)段，冷卻水把制冷劑蒸汽冷凝成液體。蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)時(shí)，制冷劑液體在試驗(yàn)段被加熱蒸發(fā)，蒸發(fā)的制冷劑氣體經(jīng)過換熱器2時(shí)被冷凝成液體回到儲液器。實(shí)驗(yàn)中冷水機(jī)組提供冷卻液，為乙二醇和水的混合液，冷凝實(shí)驗(yàn)時(shí)和換熱器1進(jìn)行熱交換;蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)時(shí)，冷卻液和換熱器2進(jìn)行熱交換。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置系統(tǒng)

2 實(shí)驗(yàn)臺硬件設(shè)計(jì)

圖2 測控系統(tǒng)硬件示意圖

本實(shí)驗(yàn)臺測試系統(tǒng)包括PC機(jī)控制面板、西門子PLC、Pt100鉑電阻、壓力傳感器、壓力變速器、電磁流量計(jì)、質(zhì)量流量計(jì)、電加熱器、循環(huán)水泵、制冷劑泵、冷水機(jī)組等，如圖2所示。上位機(jī)通過MPI通信協(xié)議把各種開關(guān)量信號輸入到PLC中，PLC接收到上位機(jī)發(fā)送的信號后通過已編好的程序?qū)υ囼?yàn)臺的各個開關(guān)量進(jìn)行邏輯控制起停，以實(shí)現(xiàn)上位機(jī)對實(shí)驗(yàn)臺的自動控制[4-6]。同時(shí)，各個溫度、壓力、流量等信號也通過MPI通信協(xié)議傳送到上位機(jī)組態(tài)軟件，以實(shí)現(xiàn)上位機(jī)的數(shù)據(jù)采集功能。

3 實(shí)驗(yàn)臺測控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

組態(tài)軟件是對數(shù)據(jù)采集與過程控制的專用軟件，它們是在自動控制系統(tǒng)監(jiān)控層一級的軟件平臺和開發(fā)環(huán)境，能以靈活多樣的組態(tài)方式提供良好的用戶開發(fā)界面和簡捷的使用方法，解決了控制系統(tǒng)的通用性問題[7-8]。其預(yù)設(shè)置的各種軟件模塊可以非常容易地實(shí)現(xiàn)和完成監(jiān)控層的各項(xiàng)功能，并能同時(shí)支持各種硬件廠家的計(jì)算機(jī)和I/O產(chǎn)品，與高可靠的工控計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)合，可向控制層和管理層提供軟硬件的全部接口，進(jìn)行系統(tǒng)集成[9]。

此實(shí)驗(yàn)臺的軟件設(shè)計(jì)主要包括圖形界面開發(fā)、I/O設(shè)備組態(tài)、數(shù)據(jù)庫組態(tài)和動畫連接四部分。

3.1 圖形界面開發(fā)

力控組態(tài)軟件具有功能強(qiáng)大的圖形開發(fā)環(huán)境Draw，采用面向?qū)ο蟮膱D形開發(fā)技術(shù)創(chuàng)建人機(jī)界面系統(tǒng)和高可靠性快速性的圖形界面運(yùn)行系統(tǒng)View，用來運(yùn)行Draw創(chuàng)建的圖形窗口[10-11]。實(shí)驗(yàn)中將采集到的數(shù)據(jù)在組態(tài)軟件中進(jìn)行顯示和處理，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)臺各項(xiàng)參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控、趨勢曲線的顯示和報(bào)表查詢的生成等功能。

根據(jù)此實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的特點(diǎn)，利用Forcecontrol 6.1設(shè)計(jì)的系統(tǒng)圖形界面如圖3所示，圖形界面中設(shè)計(jì)了冷水機(jī)組、板式換熱器、制冷劑泵、水泵、加熱器水罐、視液境、電磁閥、電動三通閥、球閥、溫度感應(yīng)器、壓力感應(yīng)器、管道以及畫面自動切換按鈕、實(shí)時(shí)溫度曲線、壓焓圖等模塊。通過友好的用戶界面，用戶可以方便地設(shè)定要求的工況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并對實(shí)驗(yàn)過程中的各項(xiàng)控制參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄和存儲。

3.2 I/O設(shè)備組態(tài)

I/O設(shè)備組態(tài)是對包括應(yīng)用程序的軟件設(shè)備和現(xiàn)場采集交換數(shù)據(jù)的硬件設(shè)備在內(nèi)的廣義上的I/O設(shè)備的驅(qū)動程序進(jìn)行配置，使其與組態(tài)軟件進(jìn)行通信構(gòu)成一個完整的系統(tǒng)[12-13]。I/O設(shè)備配置完成后就可以在創(chuàng)建I/O數(shù)據(jù)連接的過程中使用這些設(shè)備。此實(shí)驗(yàn)臺控制中，I/O設(shè)備組態(tài)通訊協(xié)議選擇西門子S7-300/400(MPI)，通訊方式為同步(板卡、適配器、API等)，如圖4所示。

3.3 數(shù)據(jù)庫組態(tài)

圖3 實(shí)驗(yàn)臺監(jiān)控圖形界面

圖4 I/O設(shè)備組態(tài)及其配置

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫是整個監(jiān)控系統(tǒng)的核心，它負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理和歷史數(shù)據(jù)的存儲，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)處理及報(bào)警信息處理，數(shù)據(jù)服務(wù)請求處理，完成過程數(shù)據(jù)的雙向數(shù)據(jù)通信[14]。力控實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫是以點(diǎn)為數(shù)據(jù)對象來索引數(shù)據(jù)的，一個點(diǎn)由若干參數(shù)組成，系統(tǒng)以點(diǎn)參數(shù)為單位存放各種信息。在力控軟件中，進(jìn)入數(shù)據(jù)庫組態(tài)后，分別建立數(shù)據(jù)采集和控制的數(shù)據(jù)點(diǎn)，選擇模擬I/O點(diǎn)，輸入點(diǎn)名、說明，并與已定義好的I/O設(shè)備進(jìn)行連接。創(chuàng)建完成后的數(shù)據(jù)庫如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)庫組態(tài)

3.4 動畫連接

動畫連接是指畫面中的圖形對象對變量或表達(dá)式的對應(yīng)關(guān)系，建立連接后在監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)根據(jù)變量或表達(dá)式的數(shù)據(jù)變化，圖形對象改變其顏色、大小等外觀，文本會動態(tài)刷新[15]。建立了動畫連接后，計(jì)算機(jī)圖形界面就可將實(shí)驗(yàn)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行真實(shí)顯示，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)刷新。以溫度顯示為例，如圖6所示，在數(shù)值輸出中選擇“模擬”選項(xiàng)，并雙擊，彈出“模擬量輸出”對話框，在“選擇變量”中即可選擇相應(yīng)的要輸出的變量，設(shè)置完成后即可實(shí)現(xiàn)對溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

圖6 動畫連接

4 結(jié)語

力控組態(tài)軟件是一種集網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、總線技術(shù)和COM技術(shù)與一體的大型應(yīng)用軟件系統(tǒng)[16]。本文介紹了基于力控組態(tài)軟件而開發(fā)的單管管外強(qiáng)化換熱實(shí)驗(yàn)臺監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)臺的數(shù)據(jù)采集、自動控制與監(jiān)控，顯著提高了測試效率。測試平臺能夠?qū)Ω黜?xiàng)參數(shù)進(jìn)行全面的檢測，并具有完善的數(shù)據(jù)處理分析功能。實(shí)際運(yùn)行表明，系統(tǒng)可以很快達(dá)到平衡狀態(tài)，對于溫度、壓力等數(shù)據(jù)的測量精度很高，且操作簡單，界面直觀方便，自動化程度高。

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