凝結換熱試驗臺監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)開發(fā)

趙振宇 張吉禮馬志先

大連理工大學建筑能源研究所

凝結換熱試驗臺監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)開發(fā)

趙振宇 張吉禮*馬志先

大連理工大學建筑能源研究所

本文在凝結換熱試驗臺的基礎上，開發(fā)了以組態(tài)軟件為監(jiān)控層，虛擬儀器LabVIEW為控制層的監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。LabVIEW通過串口通訊完成對溫度、壓力、流量信號的采集以及對控制量的輸出，采集到的數(shù)據(jù)通過動態(tài)數(shù)據(jù)交換傳送到組態(tài)軟件實時數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)在監(jiān)測界面下的動態(tài)顯示、曲線分析和數(shù)據(jù)存儲。試驗表明，開發(fā)的控制器對試驗臺熱水溫度在設定值擾動下有較快的響應速度，且超調幅度小，穩(wěn)定后控制精度為±0.1℃。

凝結換熱 組態(tài)軟件 監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 溫度PID控制

對于水平管外凝結換熱，試驗是當前求解二維、三維肋管尤其管束外凝結換熱問題的主要手段。試驗中，對影響凝結換熱的因素如冷卻水溫度、熱水進水溫度、冷凝溫度、蒸汽過熱度、不凝性氣體等進行控制，除試驗系統(tǒng)設計和試驗操作上應滿足試驗需要外，還應有高效穩(wěn)定的監(jiān)控系統(tǒng)對試驗工況進行控制，進而獲得更加精確的測試結果。試驗當中涉及到的傳感器類型、信號種類以及需要采集、分析處理的試驗數(shù)據(jù)量眾多，加之工況之間過渡時間較長，因此本文以凝結換熱試驗臺為基礎開發(fā)了控制層的監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)系統(tǒng)（Supervisory Control And Data Acquisition，SCADA），實現(xiàn)了對實驗參數(shù)的實時監(jiān)測，縮短了工況調整時間，提高了凝結換熱試驗測試效率，并且實現(xiàn)了對測試數(shù)據(jù)的集中管理。

1　試驗系統(tǒng)構成

試驗系統(tǒng)原理如圖1[1]，主要包括以下幾個系統(tǒng)：熱水循環(huán)系統(tǒng)，工質循環(huán)系統(tǒng)，冷卻水循環(huán)系統(tǒng)，冷凍水循環(huán)系統(tǒng)，計算機監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

熱水箱內熱水經(jīng)電加熱器加熱到設定溫度，由熱水泵加壓輸送到蒸發(fā)器，把熱量釋放給工質后，流回熱水箱，形成熱水循環(huán)；蒸發(fā)器內工質液體吸收熱水熱量蒸發(fā)，經(jīng)輔助冷凝段氣液分離后的飽和蒸汽通過過熱段進入單管試驗冷凝段或者管束試驗冷凝段，熱量被流過管內的冷卻水帶走，凝結成液體流回蒸發(fā)器繼續(xù)被熱水蒸發(fā)，形成工質循環(huán)；被工質蒸汽加熱后的冷卻水，流回冷卻水箱，同時混入冷水，經(jīng)電加熱器加熱到設定溫度后再由冷卻水泵加壓輸送到冷凝段，形成冷卻水循環(huán)。

圖1　凝結換熱試驗臺系統(tǒng)原理圖

當試驗熱通量較小或者試驗時間在冬季時，冷卻水箱可以補充低于10℃自來水；熱通量較大或者在夏季時，使用冷水機組補充冷凍水，冷水機組與冷凍水箱構成冷凍水循環(huán)。

在此試驗臺基礎上還可以進行冷卻塔空調節(jié)能控制試驗，制冷系統(tǒng)試驗，以及溴冷機組性能測試和板式換熱器性能測試等試驗。可見該試驗系統(tǒng)是以凝結換熱試驗為主，其他相關制冷換熱試驗可以同時進行的綜合試驗平臺，要求監(jiān)控系統(tǒng)具有一定的可擴充性，以適應系統(tǒng)的添加或者調整。

2　SCADA系統(tǒng)硬件組成

硬件組成如圖2所示。凝結換熱試驗當中采用三線制的Pt100測量需要實時監(jiān)測的溫度，如熱水供水溫度、冷卻水供水溫度、蒸發(fā)器工質溫度、過熱器出口溫度、工質冷凝溫度、熱水出口溫度，通過研華ADAM4015熱電阻輸入模塊采集；0.1級精密壓力變送器測量工質側的壓力，0.5級渦輪流量計測量熱水和冷卻水流量，產(chǎn)生的電流信號由Agilent34970A（配34901采集板卡，6位半精度）采集；T型熱電偶測量冷卻水溫升，產(chǎn)生的電壓信號由Keithley2700數(shù)字萬用表（配7701采集板卡，6位半精度）采集；兩路數(shù)字量輸出通過兩個固態(tài)繼電器分別控制熱水泵、冷卻水泵的啟停，其中一路數(shù)字量輸出通過6個并聯(lián)的固態(tài)繼電器控制6個熱水箱電加熱器的通斷，另一路數(shù)字量輸出通過3個并聯(lián)的固態(tài)繼電器控制3個冷卻水箱電加熱器的通斷。

圖2　SCADA系統(tǒng)硬件組成

溫度傳感器使用一等標準水印溫度計和顯示精度為0.001的恒溫水槽進行標定，流量計使用量程為16kg、精度為±0.1g的電子天平與高精度流量計量箱（6位半顯示格式）進行標定，壓力傳感器使用一等標準活塞式壓力計（0.1～6 MPa，0.02級精度）進行校驗。

采集模塊/儀表和數(shù)字量輸出模塊均采用串口與PC機進行通訊。

3　軟件開發(fā)

典型的計算機控制系統(tǒng)通?？梢苑譃樵O備層、控制層和監(jiān)控層，上文的硬件系統(tǒng)屬于設備層。本文使用組態(tài)軟件開發(fā)了系統(tǒng)監(jiān)測界面（屬于監(jiān)控層），完成對整個試驗系統(tǒng)的集中管理，使用LabVIEW編程語言開發(fā)了數(shù)據(jù)采集和溫度控制系統(tǒng)（屬于控制層），完成對試驗過程的實時監(jiān)測與工況控制。兩種開發(fā)環(huán)境之間通過動態(tài)數(shù)據(jù)交換（Dynamic Data Exchange，DDE）進行數(shù)據(jù)交換，這樣可以同時發(fā)揮組態(tài)軟件組態(tài)靈活多樣、動畫形象、可擴充性好，以及圖形化編程語言通訊效率高、控制算法豐富的優(yōu)勢。采取有效的編程技術可以把兩種編程環(huán)境充分融合到一起。SCADA系統(tǒng)的軟件結構如圖3。

圖3　SCADA系統(tǒng)軟件結構

3.1組態(tài)軟件

監(jiān)控組態(tài)軟件是對現(xiàn)場生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行采集與過程控制的專用軟件，提供了良好的用戶開發(fā)界面和簡捷的工程實現(xiàn)方法，只要將其預設置的各種軟件模塊進行簡單的“組態(tài)”，便可以非常容易地實現(xiàn)和完成監(jiān)控層的各項功能，“組態(tài)”的方式可以大大縮短系統(tǒng)集成的時間，提高了集成效率。同時還可以方便地向控制層提供軟、硬件的接口，實現(xiàn)與“第三方”軟、硬件系統(tǒng)的集成。

實時數(shù)據(jù)庫（DB）作為信息化平臺的數(shù)據(jù)處理、組織和管理的核心[2]，是構建分布式應用系統(tǒng)的基礎，由管理器和運行系統(tǒng)組成。運行系統(tǒng)可以完成對生產(chǎn)實時數(shù)據(jù)的各種操作：如實時數(shù)據(jù)處理、歷史數(shù)據(jù)存儲、報警處理等；管理器是管理實時數(shù)據(jù)庫的開發(fā)系統(tǒng)，通過管理器DbManager生成實時數(shù)據(jù)庫的基礎組態(tài)數(shù)據(jù)，對運行系統(tǒng)進行部署，在DbManager中相應點勾選歷史數(shù)據(jù)保存，就可以在歷史趨勢曲線中調取觀察歷史數(shù)據(jù)。

利用組態(tài)軟件豐富的圖庫以及動畫功能開發(fā)出系統(tǒng)監(jiān)測界面，監(jiān)測系統(tǒng)分為演示狀態(tài)和工作狀態(tài)。演示狀態(tài)下不具有控制功能，但可以對不同的系統(tǒng)循環(huán)進行動畫演示，幫助試驗者更好地理解系統(tǒng)原理；工作狀態(tài)下可以通過LabVIEW完成對系統(tǒng)的控制。如圖4為系統(tǒng)在演示狀態(tài)下的畫面。

圖4　SCADA系統(tǒng)監(jiān)測界面

組態(tài)軟件最大的特點是以“組態(tài)方式”進行系統(tǒng)集成，如果開發(fā)更加強大的功能，還需要借助動作腳本功能。本文以趨勢曲線模板為基礎二次開發(fā)出曲線分析窗口，如圖5，可以實現(xiàn)實時趨勢曲線和歷史趨勢曲線的切換、曲線縮放，以及對時間軸范圍按需要進行設置，這樣可以對數(shù)據(jù)進行分析顯示，同時對相應的數(shù)據(jù)進行存儲。

圖5　SCADA系統(tǒng)曲線分析

3.2虛擬儀器LabVIEW

LabVIEW是一款圖形化的編程軟件，又稱為G語言，編寫的程序稱為Virtual Instruments（VI）并以“.vi”為后綴。LabVIEW用來開發(fā)虛擬儀器，就是在以計算機為核心的硬件平臺上，功能由用戶設計和定義，測試功能由測試軟件實現(xiàn)的一種計算機儀器系統(tǒng)。這一概念遵循了“軟件就是儀器”的原則，用戶可以自由組合計算機平臺的硬件、軟件，尤其可以最大限度地整合硬件功能，降低系統(tǒng)的開發(fā)成本和維護成本。

一個VI由以下三部分構成：1）前面板front panel，即用戶界面，用來創(chuàng)建前面板；2）程序框圖block diagram，用來創(chuàng)建圖形化原代碼；3）圖表和連線板icon and connector，用以識別VI的接口，以便在創(chuàng)建VI時調用另一個VI。當一個VI應用在其它VI中，則稱為子VI，子VI相當于文本編程語言中的子程序。

3.3I/O通訊

研華ADAM4015熱電阻輸入模塊和ADAM4055數(shù)字輸出模塊均采用VISA串口通訊，Agilent34970a、Keithley2700采用相應的驅動樣例，然后形成相應的子VI在主程序中調用。

虛擬儀器軟件架構VISA（Virtual Instrumentation Software Architecture）建立了與儀器接口總線無關的標準I/O軟件規(guī)范[3]，該規(guī)范適用于串口、GPIB、VXI等多種接口，是一個具有一致接口的I/O函數(shù)操作函數(shù)集，為計算機和儀器的順利通訊提供了通道。

以ADAM4015模塊溫度采集為例，在一個層疊式順序結構中依次設置VISA資源名稱、VISA串口配置函數(shù)、VISA寫入函數(shù)、VISA讀取函數(shù)以及延遲函數(shù)完成對模塊中某個通道溫度值的采集。

數(shù)據(jù)采集功能應用了典型的生產(chǎn)者/消費者模式，熱電阻輸入模塊采集到的溫度值經(jīng)過去極值平均濾波算法后，通過隊列傳輸?shù)絃abVIEW的DDE傳送循環(huán)，組態(tài)軟件實時數(shù)據(jù)庫作為客戶端接收到LabVIEW服務器的數(shù)據(jù)，在監(jiān)測界面上把相應監(jiān)測點的參數(shù)實時動態(tài)顯示出來并存儲到歷史數(shù)據(jù)庫。

3.4DDE通訊

動態(tài)數(shù)據(jù)交換DDE（Dynamic Data Exchange）是Windows平臺上兩個正在運行的應用程序之間通信的協(xié)議，使用共享的內存在應用程序之間進行數(shù)據(jù)交換，它能夠及時更新數(shù)據(jù)，在兩個應用程序之間信息是自動更新的，無須用戶參與。

組態(tài)軟件和LabVIEW對DDE客戶或者服務器兩者都同時支持。DDE通訊需要具備四個要素[4]：機器名、應用程序名、主題和項目名構成。

機器名：遠程機器名稱，若為本機可以忽略。

應用程序名：DDE服務器的名字，通常使用服務器軟件程序的名字。

主題名：DDE服務器上數(shù)據(jù)組的名字?？赡苁菙?shù)據(jù)的文件名或工作表名。

項目名：單個數(shù)據(jù)項。

以LabVIEW為服務器，作為客戶端為例：LabVIEW程序框圖中使用DDE函數(shù)編寫數(shù)據(jù)發(fā)送程序，如圖6（a）；在組態(tài)軟件設備組態(tài)中選擇DDE，通訊參數(shù)做如圖6（b）的設置，在數(shù)據(jù)庫組態(tài)中連接至此數(shù)據(jù)項，即可以完成從LabVIEW當中采集到的熱水溫度傳送到組態(tài)軟件實時數(shù)據(jù)庫并顯示在監(jiān)測畫面上。

圖6　SCADA系統(tǒng)DDE通訊

4　溫度控制系統(tǒng)設計

PID控制作為一種反饋控制系統(tǒng)被廣泛應用于工業(yè)領域，LabVIEW當中的PID and Fuzzy Logic Toolkit提供了開發(fā)控制系統(tǒng)的各種VI，包括PID控制和模糊邏輯控制兩類，后者主要用于更復雜的非線性系統(tǒng)控制。

4.1獲取被控對象動態(tài)特性

試驗當中涉及到的溫度控制對象有熱水進口溫度和冷卻水供水溫度，以熱水進口溫度為例進行階躍響應試驗開環(huán)狀態(tài)下得到被控對象的階躍響應曲線，如圖7。

圖7　熱水進口溫度階躍響應曲線

可知熱水進口溫度為不具有自平衡能力的對象，傳遞函數(shù)可以近似表示為積分環(huán)節(jié)和純滯后環(huán)節(jié)的串聯(lián)，即：，其中ε為飛升速度，τ為延遲時間，構建如圖8的控制系統(tǒng)。

圖8　熱水溫度PID控制原理圖

其中G(s)為PID控制器傳遞函數(shù)，G0(s)為被控對象傳遞函數(shù)，r為給定值，d為擾動，t為被控溫度，則G（s）=KP+KI/s+KDs，G0(s)=ε/se-τs。

在d為階躍擾動時，控制系統(tǒng)的靜態(tài)偏差為：

可見PID控制對于不具有平衡能力的對象也可以達到使其穩(wěn)態(tài)誤差為零的控制目標，但比具有自平衡能力的對象難控制[5]。

4.2PID控制系統(tǒng)開發(fā)

LabVIEW中的PID算法可以使控制器具有更穩(wěn)定的性能。本文采用PID Advanced VI開發(fā)PID控制系統(tǒng)，PID Advanced VI除了可以實現(xiàn)基本的PID算法外，還可以實現(xiàn)一些高級的功能，比如手動與自動之間的無擾切換、非線性積分動作等。有些試驗測試需要關掉PID控制器中的自動算法，在開環(huán)或者手動的模式下控制系統(tǒng)。當手動切換到自動模式或者其他參數(shù)發(fā)生變化，采用積分和校正算法以避免控制器輸出發(fā)生突變。

把采樣數(shù)據(jù)添加到PID Control Input Filter VI的輸入端，輸出接入到PID控制器PV值輸入端，即可對采樣信號應用五階低通FIR濾波器，過濾掉小于采樣值1/10的輸入值。

控制器輸出方式得到一個占空比D（百分比形式），通過脈寬調制把模擬量轉換為數(shù)字量，即在采樣周期ΔT內，前ΔT×D的時間內，控制器輸出數(shù)字量1，即高電平，余下ΔT×(1-D)時間內，控制器輸出數(shù)字量0，即低電平，通過數(shù)字量輸出模塊ADAM4055傳送給固態(tài)繼電器控制電加熱器的通斷。

采用臨界比例帶法對PID參數(shù)進行整定：設定采樣周期為10s，得到系統(tǒng)處于臨界振蕩狀態(tài)的比例系數(shù)和振蕩周期，按照無自平衡能力對象來考慮， TI=0.67Tx，TD=0.25TI，可得 PID增益為：KC=71，TI= 5.7min，TD=1.4min.

在相應的VI節(jié)點處單擊右鍵可以創(chuàng)建輸入或者顯示控件，即可構建一個PID控制器，前面板如圖9。

圖9　溫度控制前面板

其中PV為熱水溫度監(jiān)測值，SP為熱水溫度設定值，OP為控制器輸出值，Automatic為手動、自動模式切換按鈕，Reinitialize為初始化控制器按鈕，PID Gains為控制器增益，Sampling Time dt(s)為采樣時間。

4.3控制結果及分析

重調設定值17.9℃到21.2℃溫度響應曲線如圖10，可見被控溫度在經(jīng)歷一個較小幅度的超調后便穩(wěn)定在設定值附近，控制精度為±0.1℃。

圖10　重調設定值的熱水溫度響應曲線

5　結論

本文在凝結換熱試驗臺上開發(fā)了以組態(tài)軟件為監(jiān)控層，以虛擬儀器LabVIEW為控制層的SCADA系統(tǒng)以及硬件系統(tǒng)。通過LabVIEW與數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)字萬用表、數(shù)字量輸出模塊進行通訊，完成對試驗當中的溫度、壓力、流量信號的采集，以及控制量的輸出。采集到的數(shù)據(jù)通過DDE傳送到實時數(shù)據(jù)庫，并在監(jiān)測界面動態(tài)顯示出來，在此基礎上還可以進一步進行曲線分析以及數(shù)據(jù)存儲。在試驗過程當中，SCADA系統(tǒng)可以自動完成不同工況的切換，以及試驗數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理，提高了凝結換熱試驗的測試效率。

[1]馬志先.水平管束外膜狀凝結換熱試驗與理論研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學,2012

[2]龔力.監(jiān)控組態(tài)軟件運行平臺關鍵技術的研究[D].南京:東南大學,2006

[3]牛群峰.LabVIEW虛擬儀器系統(tǒng)開發(fā)與實踐[M].北京:中國電力出版社,2011

[4]裴鋒.LabVIEW與ForceControl組態(tài)軟件DDE通訊的實現(xiàn)[J]. 2005,(2):13-15

[5]楊獻勇.熱工過程自動控制(第2版)[M].北京:清華大學出版社,2008

Development of SCADA System for the Experimental Plant of Condensation Heat Transfer

ZHAO Zhen-yu,ZHANG Ji-li,MA Zhi-xian
Institute of Building Energy of Dalian University of Technology

A SCADA system based on configuration software as supervisory layer and LabVIEW as control layer was developed for the experimental plant of condensation heat transfer.Signals like temperature,pressure and flow are gathered and control output by LabVIEW through serial ports.Data collected is transferred to the database in SCADA system and will be displayed,analyzed and stored in the monitoring interface.The experimental results show that the PID controller can make the hot water temperature a faster response with a small overshoot and an accuracy of 0.1℃under set point disturbance.

condensation heat transfer,configuration software,SCADA,temperature PID control

1003-0344（2015）06-078-5

2014-6-24

張吉禮（1969～），男，博士，教授；大連市凌工路2號大連理工大學建設工程學部3號實驗樓417房間（116024）；0411-84707753；E-mail:zjldlut@dlut.edu.cn

國家自然科學基金（51078053）；“十二五”國家科技部支撐計劃（2011BAJ03B12-3）；中國博士后科學基金資助項目與中央高?；究蒲袠I(yè)務費（DUT12RC(3)81）