基于虛擬儀器的換熱器溫度耐久試驗系統設計

王冠軍

（浙江盾安熱工科技有限公司，諸暨311835）

0 引言

中國房間空調器市場規模逐年穩步增長，已經成為世界最大房間空調器生產國，空調器的年用電量已經超過全國電力消耗的首位[1-2]。開發高效換熱器在節約能用以及應對環保冷媒具有重要意義。微通道換熱器是近年來興起的高效換熱器具有結構緊湊、體積小、重量輕、單位體積內換熱面積大等諸多優勢，近年來已經在制冷空調領域中廣泛應用[3]。

冷暖型空調的室外換熱器工作運行環境經常處于溫度高低交替變化，極端情況下換熱器如果結構或材料選用不當，會出現裂縫導致制冷劑泄漏導致空調器不能工作。而且隨著國家對能效要求的提高，目前很多廠家選擇低GWP的制冷劑和綠色制冷劑，例如R32和R290[4-5]。但是R32和R290都是可燃性制冷劑，對整機防止泄漏要求會更高，所以必須對室外換熱器進行溫度交變可靠性試驗。

本文依據換熱器溫度交變試驗要求，設計了微通道換熱器溫度交變壽命試驗臺架和上位機控制系統。試驗臺架采用西門子S7-1200系列PLC作為下位機來控制固態繼電器，固態繼電器控制介質箱中的電加熱器。為了保證溫度循環中介質溫度的穩定性和重復性，達到高精度的良好效果，本文采用PID閉環負反饋控制技術，基于美國國家儀器公司（NI）虛擬儀器軟件平臺LabVIEW開發的上位機控制系統，利用計算機強大的數據處理能力，將試驗臺中不同儀表的各個實時信號采集到測控軟件中，來實現試驗數據的實時監測和記錄，同時具備智能計算和安全保護功能，有效地保證了微通道換熱器溫度交變測試系統的長期運行。

1 試驗系統設計

1.1 試驗臺架系統需求分析

溫度交變試驗是模擬空調系統切換化霜過程時換熱器的冷熱變換過程，屬于換熱器機械加速壽命測試。根據試驗目的與要求并討論分析后，本系統采用冷熱循環兩套系統，通過切換控制閥將冷熱流體通過換熱器達到冷熱交變的目的，其系統原理圖如圖2所示。

圖2 溫度交變試驗系統

根據空調運行特點與換熱器溫度交變測試要求，確定本測試系統采用計算機軟件采集記錄試驗過程中的溫度、壓力等信息，同時并能夠與用戶進行信息交互，這樣能夠根據試驗過程反饋的信息及時調整參數設置。所以合理的方案是上位機結合下位機的系統設計。目前比較成熟的測控系統有4類不同級別的方案，如圖3所示。

圖3 測控系統不同方案

制冷空調用換熱器溫度交變測試實際較長，根據不同應用環境的嚴酷條件，最長可運行3個月左右。另外考慮到測控系統的穩定性和經濟性，確定了PLC作為下位機，計算機作為上位機的PC&PLC組合，最后確定的系統方案如圖4所示。

圖4 測控系統設計

西門子S7-1200系列PLC運行速度快、穩定可靠、市場占有率達、維護便捷，所以成為下位機的首選，西門子S7-1200系列PLC支持多種協議的以太網通信方式，而TCP/IP方式具有更多的靈活性，更快的數據響應等特定，所以選擇TCP通信協議。S7-1200系列PLC集成有PROFINET接口，該接口可用于PLC程序的上傳和下載，HMI與PLC通信，計算機與PLC通信，同時支持Modbus TCP/IP協議。另外，S7-1200PLC具有豐富的模擬量模塊供工程人員選擇，本系統中需要用到1只熱電偶模塊，和1只模擬量輸入模塊，確定的系統配置PLC硬件如圖5所示。上位機采用研華IPC610L系列工業控制計算機。上位機與下位機采用TCP通信協議。

圖5 S7-1200 PLC配置實物

1.2 PLC的PID控制

溫度交變試驗系統中兩個水箱加熱器的控制策略有所不同，高溫水箱特點是設備開始運行時加熱功率較大，待達到設定溫度后，其加熱負荷依據被試件的熱損失大小而定，所以是單一控制選用常規PID控制即可同時也兼顧控制系統的結構簡單。低溫水箱特點是具有加熱負荷和降溫負荷，降溫負荷體現在制冷功率中，下限溫度低于20攝氏度時，主要使用制冷量來平衡被試件的熱負荷。當下限溫度高于20攝氏度時，需要開啟加熱器。這是因為制冷量采用循環泵控制循環流量，單獨依靠水泵控制精度不高，尤其是制冷量大于被試件熱負荷時，需要開啟加熱器以平衡制冷量總功率。

加熱系統的閉環控制系統中選用熱電偶測溫，熱電偶模塊將傳感器采集到的溫度變化信號轉換為4-20mA模擬量信號，輸入到PLC中的內置A/D端口，PLC的CPU將采樣后的數字量與溫度設定值比較后得到溫度誤差，經過PID運算得到控制輸出量，將控制量轉換為PWM脈寬調制信號，通過PLC晶體管高速開關量輸出接口DO,輸出到調功器，從而實現電加熱器的功率控制。

本系統選用的PLC為PWM輸出端口，但是筆者采用的是雙穩態程序來模擬PWM輸出方式，此方式靈活性強，可設計成功能塊，可并且便于移植到其他程序中使用，體現其功能的通用性。實際工程PLC的PID控制程序如圖6所示。

圖6 PID控制梯形圖

1.3 PLC的TCP通信程序

PLC與上位機能否順利進行通信是本測控系統的關鍵點，測量單元將各類測量傳感器，固態繼電器和變頻器的信號實時傳送到計算機中，主要信號包括：

（1）高低溫水槽的溫度，測試樣機進出口的溫度，循環水泵的進口溫度；

（2）水泵電機變頻器的頻率，水泵出口壓力，換熱器出口壓力；

（3）管路總流量，冷水機組設置參數；

確定了需要發送的參數后編制下位機通信程序。首先需配置CPU的IP地址為192.168.0.1。啟用系統存儲器字節和時鐘存儲器字節。配置完成后，添加發送數據塊和接收數據塊，發送數據塊用于存儲PLC向上位機發送的數據，接收數據塊用于存儲上位機向PLC發送的數據。在Main程序中添加開放式用戶通信中的發送程序塊TSEND_C和接收程序塊TRCV_C，詳細設置參數見圖7所示。

圖7 閉環控制原理

2 上位機軟件設計

2.1 虛擬儀器LabVIEW簡介

美國NI公司LabVIEW是一種采用圖形化編程語言的軟件開發平臺，以數據流的方式來執行，具有豐富的圖形界面顯示模塊，對各類通信協議及數據庫多有良好的支持[6]。LabVIEW目前已在數據采集和工業控制領域得到廣泛應用，具有所見即所得的開發界面，易于上手。相對于傳統的代碼式編程語言的工程人員要求高軟件開發時間久等問題，虛擬儀器軟件平臺縮短了軟件的開發周期，具有經濟、靈活、擴展方便等優點[7-8]。

2.2 與PLC通信的實現

首先創建TCP連接“TCP OpenConnection”塊，并設置與PLC相同的IP地址，緊接著添加“TCP Read”塊，輸入斷區長度與PLC的發送數據塊長度一致。然后添加發送數據“TCP Write”塊，將參數設置值與反饋值，最后添加關閉連接“TCP Close Connection”塊，通信原理性程序如圖8所示。

圖8 TCP通信程序框圖

測試數據的記錄和查詢是測控軟件重要部分之一，在系統設計方案中考慮到數據庫的穩定性和便捷性采用Access數據庫，LabVIEW中需使用LabSQL工具包實現對數據庫的訪問。

3 試驗驗證

3.1 溫度疲勞試驗參數的確定

一般型式試驗按最嚴格條件來考核樣品性能，微通道換熱器采用T3氣候環境測試結果作為基準。在焓差實驗室中進行整機測試，待機組各個工況參數穩定后30分鐘進行數據采集，來得到換熱器進出口的溫度差。

3.2 測控軟件及測試過程

換熱器交變耐久測試系統采用計算機軟件為控制中心，開始試驗時，首先輸入測試條件，包括高溫上限、低溫下限、循環周期、切換時間等。設置好參數后，點擊開始按鈕后，系統即可自動開始試驗，試驗過程中的界面如圖10所示。

圖1 微通道換熱器

圖9 高溫工況下的進出口溫度

圖10 測控軟件界面

4 結語

本文設計的基于LabVIEW和PLC的微通道換熱器測量控制系統，可以完成計算機對PLC的TC通信，PLC的PID控制可以實現高低溫水槽溫度的準確控制，并且溫度波動較少。試驗結果證明了，該測控軟件具有界面友好，操作簡單，功能豐富，運行穩定可靠。

另外，微通道換熱器溫度交變測試結果也可推廣到其他換熱器應用于制冷空調時考量換熱器的壽命評估，根據測試結果來改善結構設計使得換熱器結構更合理，進一步提升了換熱器的設計水平。