基于LabVIEW的氫氣純化裝置控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

駱學(xué)軍，李樂斌，呂衛(wèi)星，胡石林

（中國原子能科學(xué)研究院，北京102413）

氫氣作為重要的工業(yè)氣體和特種氣體在石油化工、電子工業(yè)、冶金、航天航空等眾多領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。隨著環(huán)境污染問題的日益嚴(yán)重，大家開始尋找清潔能源來代替?zhèn)鹘y(tǒng)能源。氫與氧燃燒時(shí)產(chǎn)生大量的熱，唯一生成物是水，所以氫氣是理想的無污染燃料。隨著氫氣的廣泛應(yīng)用，部分行業(yè)對(duì)氫氣純度提出了要求。氫氣提純方法主要有低溫吸附法、低溫液化法、金屬氫化物氫凈化法、鈀膜擴(kuò)散法和變壓吸附法等[1]。氫氣純化系統(tǒng)能夠去除氫氣中的氧氣和水分雜質(zhì)（氧氣純化系統(tǒng)去除氧氣中的氫氣和水分雜質(zhì)），以滿足對(duì)氫氣（氧氣）純度和含水量有較高要求的用戶。針對(duì)以上情況本課題組建立了一套氫氣純化裝置，系統(tǒng)流程如圖1所示。電解槽電解產(chǎn)生氫氣，經(jīng)過三塔氫氣純化裝置去除氫氣中的氧氣和水份雜質(zhì)，然后經(jīng)過壓縮機(jī)將高純氫壓縮裝罐，提供給用戶。整個(gè)裝置包括電解系統(tǒng)、三塔純化系統(tǒng)、氫氣壓縮系統(tǒng)三部分。輔助系統(tǒng)包括水冷系統(tǒng)、水凈化系統(tǒng)、氫氣報(bào)警系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)等。純化部分有催化脫氧器、分子篩干燥器、氣水冷凝分離器、再生加熱器、集水器等設(shè)備和各種閥門，以及檢測(cè)、控制用的就地儀表和一次儀表等。三塔氫氣純化系統(tǒng)采用3 臺(tái)干燥器輪流工作，產(chǎn)品氣再生方式，不僅干燥程度高，而且沒有再生氣的損耗。針對(duì)所建立的試驗(yàn)裝置，設(shè)計(jì)出一套氫氣純化控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)由PLC、工控機(jī)、通訊卡等組成，通過LabVIEW 實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度、壓力、液位、流量等信號(hào)的連續(xù)采集、存儲(chǔ)、歷史曲線、報(bào)警等功能。裝置內(nèi)的氣動(dòng)閥門由PLC 程序控制，可實(shí)現(xiàn)干燥器工作狀態(tài)的自動(dòng)切換，并具備自動(dòng)排水功能，減少了人員工作量，提高了裝置的可靠性。通過長期試驗(yàn)運(yùn)行表明該系統(tǒng)滿足設(shè)計(jì)要求，可以很好地實(shí)現(xiàn)對(duì)工藝參數(shù)的測(cè)量與控制，保證了試驗(yàn)的穩(wěn)定運(yùn)行。

圖1 工藝流程Fig.1 Process flow chart

1 測(cè)量系統(tǒng)硬件組成

基于LabVIEW 的氫氣純化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，試驗(yàn)裝置與控制柜如圖3所示。該控制系統(tǒng)硬件主要由PLC、工控機(jī)、通訊卡、安全柵等組成。整個(gè)控制網(wǎng)絡(luò)采用星型結(jié)構(gòu)，通過以太網(wǎng)交換機(jī)將主工藝PLC、電解系統(tǒng)PLC、水冷系統(tǒng)PLC、氫壓縮機(jī)系統(tǒng)組成星型網(wǎng)絡(luò)，工控機(jī)訪問不同PLC 地址獲取工藝參數(shù)。流量計(jì)則經(jīng)RS232 接口將數(shù)據(jù)通過安裝在工控機(jī)的通訊卡傳輸。采用NI OPC Server 建立LabVIEW 與PLC 之間的通訊關(guān)系， 完成數(shù)據(jù)采集。在氫氣純化試驗(yàn)裝置中，考慮到防爆要求?，F(xiàn)場信號(hào)必須經(jīng)過安全柵隔離后進(jìn)入主工藝PLC 控制系統(tǒng)。

圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure diagram of control system

圖3 試驗(yàn)裝置與控制柜Fig.3 Test device and control cabinet

2 測(cè)量系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

虛擬儀器是基于計(jì)算機(jī)的儀器，是一種用圖標(biāo)代替文本行創(chuàng)建應(yīng)用程序的圖形化編程語言。LabVIEW 提供了大量的工具與函數(shù)用于數(shù)據(jù)采集、分析、顯示和存儲(chǔ)[2]。同時(shí)它還提供了大量常用于自動(dòng)化測(cè)試測(cè)量領(lǐng)域的圖形控件， 因此被工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和研究實(shí)驗(yàn)室所廣泛接受，已成為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件，適用于實(shí)驗(yàn)室及小批量生產(chǎn)線等經(jīng)常需要改變儀器和設(shè)備參數(shù)功能的場合[3-4]。LabVIEW 軟件可以通過多種方式與任何可編程控制器進(jìn)行通訊。用于過程控制的OPC 定義了在控制設(shè)備和人機(jī)界面之間進(jìn)行實(shí)時(shí)對(duì)象數(shù)據(jù)通信標(biāo)準(zhǔn)。OPC 服務(wù)器適用于幾乎所有PLC 和可編程自動(dòng)化控制器。本文在PLC、工控機(jī)、通訊卡等硬件的基礎(chǔ)上，通過LabVIEW 編寫程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)工藝參數(shù)的實(shí)時(shí)采集、信號(hào)處理、歷史趨勢(shì)圖、報(bào)警、存儲(chǔ)等功能。

2.1 前面板設(shè)計(jì)

前面板作為圖形用戶界面，將采集的過程信息與分析結(jié)果實(shí)時(shí)顯示在畫面中。在前面板實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互訪問。在本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)中建立了10 個(gè)流程畫面， 將設(shè)備儀表的運(yùn)行數(shù)據(jù)分布于各畫面中，方便試驗(yàn)人員觀察運(yùn)行情況及時(shí)調(diào)節(jié)參數(shù)設(shè)置。前面板設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 前面板設(shè)計(jì)Fig.4 Front panel design

2.2 多協(xié)議通訊混合集成設(shè)計(jì)

程序設(shè)計(jì)包含2 個(gè)方面內(nèi)容，一部分是下位機(jī)主要是PLC， 另一部分是上位機(jī)主要是LabVIEW。裝置中設(shè)備通訊協(xié)議包含串行通訊（自定義協(xié)議）、網(wǎng)絡(luò)通訊（工業(yè)以太網(wǎng)、Profibus、Profinet），各個(gè)軟件之間又包含OPC 通訊協(xié)議。下位機(jī)編程用到軟件是STEP7，主要完成壓力、液位、溫度等常規(guī)信號(hào)的采集和報(bào)警信號(hào)的輸出，這部分的內(nèi)容不再贅述。上位機(jī)軟件用到NI OPC Server 和LabVIEW， 完成PLC 之間信息傳輸、 信號(hào)的分析處理和流量計(jì)的通訊。在LabVIEW 軟件中，每一個(gè)程序前面板都對(duì)應(yīng)著一段框圖程序。程序框圖是實(shí)現(xiàn)VI 邏輯功能的圖形化源代碼。本設(shè)計(jì)使用LabVIEW 數(shù)據(jù)記錄與監(jiān)控模塊。該模塊包含了諸多工具，包括將數(shù)據(jù)記錄到聯(lián)網(wǎng)歷史數(shù)據(jù)庫、實(shí)時(shí)與歷史趨勢(shì)、報(bào)警與事件管理、 將LabVIEW 實(shí)時(shí)目標(biāo)與OPC 設(shè)備連在一個(gè)完整的系統(tǒng)中，為用戶界面提高安全性等[5-6]。下面從3 個(gè)方面介紹軟件部分的程序設(shè)計(jì)。

2.2.1 LabVIEW 與OPC Server 通訊

LabVIEW 與OPC Server 通訊的方式主要有3種。一是通過ActiveX 自動(dòng)化接口實(shí)現(xiàn)對(duì)OPC SERVER 訪問， 二是通過NI 的DataSocket 技術(shù)，三是利用DSC 模塊與OPC Server 通訊。本系統(tǒng)是利用LabVIEW 的DSC 模塊與OPC Server 進(jìn)行通訊。DSC 模塊使用標(biāo)簽連接OPC 數(shù)據(jù)。首先在標(biāo)簽組態(tài)中建立與OPC 數(shù)據(jù)項(xiàng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，生成.scf 文件。這里注意將PLC 的地址、數(shù)據(jù)類型等設(shè)置正確。然后綁定共享變量與標(biāo)簽。具體操作如下： 創(chuàng)建一個(gè)LabVIEW Library，在里面建立一個(gè)I/O Server，在建立過程中可以瀏覽到本機(jī)或網(wǎng)絡(luò)上哪些OPC Server可以連接， 然后將I/O Server 與你需要連接的OPC Server 綁定， 最后新建一個(gè)共享變量并將其與I/O Server 中列出的OPC 標(biāo)簽綁定，用戶就可以把共享變量當(dāng)作普通變量進(jìn)行操作。具體見圖5所示。首次運(yùn)行程序時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)共享變量錯(cuò)誤或警告的提示， 大多是由于程序運(yùn)行時(shí)間太快，OPC 服務(wù)器還沒有進(jìn)行數(shù)據(jù)初始化。此時(shí)可適當(dāng)在程序中加入延時(shí)并將NI OPC Server 首先運(yùn)行起來。

圖5 NI OPC Server 設(shè)置Fig.5 NI OPC Server settings

2.2.2 LabVIEW 與智能儀表通訊

智能儀表主要是質(zhì)量流量計(jì)， 它是由RS-232組成的串行總線接口。程序設(shè)計(jì)時(shí)將帶有RS-232總線接口的儀器作為I/O 接口設(shè)備， 通過串行總線與PC 計(jì)算機(jī)進(jìn)行通訊。串口通訊主要適用于速度較低的測(cè)試系統(tǒng)，具有接口簡單、使用方便的特點(diǎn)。在LabVIEW 中集成有VISA 驅(qū)動(dòng)函數(shù)，它的一個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)是可移植性強(qiáng)。任何調(diào)用VISA 函數(shù)的程序都可以很容易地按照通訊步驟完成通訊連接。VISA通過特定的儀器驅(qū)動(dòng)程序與儀器通訊，按照儀器的通訊協(xié)議編寫相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序。第一步是完成串口參數(shù)的設(shè)置，包括串口資源分配、波特率、數(shù)據(jù)位、、停止位、校驗(yàn)位等。其次使用VISA Write 發(fā)送數(shù)據(jù)，使用VISA Read 接收數(shù)據(jù)。在接收數(shù)據(jù)之前需要使用VISA Bytes at Serial Port 查詢當(dāng)前串口接收緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)。如果VISA Read 要讀取的字節(jié)數(shù)大于緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)，VISA Read 操作將一直等待，直至Time out 或者緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)達(dá)到要求的字節(jié)數(shù)。當(dāng)然也可以分批讀取接收緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)或者只從中讀取一定字節(jié)的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)接收完成后，用VISA Close 結(jié)束通訊。此時(shí)需要注意在讀寫操作中加入適量的延時(shí)操作，這樣可以提高接收數(shù)據(jù)的正確性與完整性。具體通訊程序見圖6所示。

圖6 流量計(jì)通訊程序Fig.6 Flow meter communication procedures

2.2.3 數(shù)據(jù)顯示與分析處理

通過NI OPC Server 與RS232 接口通訊得到的數(shù)據(jù)，在前面板進(jìn)行實(shí)時(shí)的動(dòng)態(tài)顯示，數(shù)據(jù)分布在不同的流程圖界面上。在程序框圖界面編寫數(shù)據(jù)曲線顯示程序，包括壓力、溫度、流量等參數(shù)的趨勢(shì)圖、歷史曲線圖。從曲線圖上可以直觀發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)的異常變化。同一類變量參數(shù)在同一圖表中顯示采用不同的線形和顏色加以區(qū)。采集的所有數(shù)據(jù)以文本文件格式進(jìn)行存儲(chǔ)，幫助試驗(yàn)人員對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步分析處理。同時(shí)在程序設(shè)計(jì)上還編寫了報(bào)警程序，在參數(shù)異常時(shí)聲光報(bào)警提示操作人員。

3 結(jié)語

LabVIEW 作為一個(gè)功能強(qiáng)大、 方便的圖形化編程語言，近年得到廣泛的應(yīng)用，甚至高校已經(jīng)開通相關(guān)課程。在本次氫氣純化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，根據(jù)所建立的試驗(yàn)裝置和工藝的要求，開發(fā)了一套基于Lab-VIEW 的氫氣純化控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)操作界面友好，參數(shù)調(diào)整簡便，可移植性強(qiáng)。經(jīng)過長期試驗(yàn)運(yùn)行結(jié)果表明，控制系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，易于操作，滿足工藝要求。