柏楊進(jìn)，薄翠梅，平亦超，何平

（南京工業(yè)大學(xué)自動化與電氣工程學(xué)院，南京211816）

隨著中國石油、化工、冶金、醫(yī)藥、紡織、輕工、電力工業(yè)的發(fā)展，大型冷卻循環(huán)水系統(tǒng)的使用越來越廣泛，由此引起冷卻水在循環(huán)水系統(tǒng)中的腐蝕、結(jié)垢、積污的問題也越來越突出。為保證大型循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)和連續(xù)生產(chǎn)，必須有效地對循環(huán)系統(tǒng)的結(jié)垢、腐蝕等情況進(jìn)行監(jiān)測，從而評定出最佳的水處理方案。由于冷卻循環(huán)水水質(zhì)穩(wěn)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(jiān)測換熱器具有特別重要的意義。筆者用C＃語言開發(fā)了換熱器參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對換熱器參數(shù)的采集和處理，其中包括數(shù)據(jù)顯示、計(jì)算、存儲、曲線繪制等，達(dá)到了實(shí)時(shí)監(jiān)控的目的。

1 換熱器參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1.1 問題的提出

監(jiān)測換熱器安裝在冷卻循環(huán)水旁路上進(jìn)行測試，用低壓飽和蒸汽作介質(zhì)。換熱器的參數(shù)包括循環(huán)水的進(jìn)口溫度、出口溫度、加熱蒸汽溫度等。根據(jù)這些參數(shù)計(jì)算污垢熱阻，操作員根據(jù)污垢熱阻和水質(zhì)的各項(xiàng)參數(shù)（如電導(dǎo)率及pH等）確定加藥量。對監(jiān)測換熱器裝置，保持冷卻水的體積流量、進(jìn)口水溫、蒸汽溫度不變，污垢熱阻可通過冷卻水進(jìn)、出口溫差變化計(jì)算，計(jì)算如下式：

式中：Rsi——瞬時(shí)污垢熱阻，m2·℃／W；D——傳熱試管的內(nèi)徑，m；L——傳熱試管的有效換熱長度，m；qV——循環(huán)冷卻水的體積流量，L／h；T——蒸汽溫度，℃；ti，to——冷卻水瞬時(shí)進(jìn)出口溫度，℃。

因此，監(jiān)測換熱器溫度參數(shù)的準(zhǔn)確獲取至關(guān)重要，這些參數(shù)可以用相應(yīng)的測量儀表進(jìn)行測量。同時(shí)要求監(jiān)測換熱器的進(jìn)口循環(huán)水溫度可被控制，并且需要對這些測量或計(jì)算出來的參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示、存儲、計(jì)算、繪制曲線等。

1.2 溫度的測量與控制

監(jiān)測換熱器的進(jìn)口循環(huán)水溫度需要控制在一定值，這是由于監(jiān)測換熱器是對實(shí)際換熱器的模擬。實(shí)際換熱后的冷卻循環(huán)水需要進(jìn)行冷卻，以未換熱時(shí)的溫度進(jìn)入監(jiān)測換熱器，這樣監(jiān)測換熱器才能更真實(shí)地模擬工業(yè)現(xiàn)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(nèi)部PID調(diào)節(jié)，輸出控制信號至變頻器。變頻器相應(yīng)改變冷卻塔中的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，從而改變冷卻塔的出口循環(huán)水的溫度。通過智能儀表的調(diào)節(jié)，監(jiān)測換熱器的進(jìn)口循環(huán)水溫度能維持在一定值。

1.3 監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能設(shè)計(jì)

監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

a）在監(jiān)控界面中，用戶可以觀察換熱器進(jìn)出口溫度、蒸汽溫度及污垢熱阻，各參數(shù)實(shí)時(shí)變化。

b）在曲線界面中，用戶可以觀察換熱器進(jìn)出口溫度和蒸汽溫度，由此計(jì)算出污垢熱阻的實(shí)時(shí)曲線。并可根據(jù)起始時(shí)間，查詢換熱器對應(yīng)的溫度、熱阻及水質(zhì)參數(shù)的歷史曲線。

c）在數(shù)據(jù)查詢界面中，用戶可以隨意查詢所需時(shí)間段的歷史數(shù)據(jù)或該時(shí)間段的操作記錄。

d）參數(shù)修改界面中，管理員可以修改計(jì)算污垢熱阻時(shí)的公式參數(shù)。

e）串口設(shè)置中，用戶可以根據(jù)不同電腦，配置不同的串口?？梢栽O(shè)置的串口參數(shù)有串口號、波特率、數(shù)據(jù)位、停止位、校驗(yàn)位等。

2 監(jiān)控系統(tǒng)的程序?qū)崿F(xiàn)

根據(jù)上述系統(tǒng)功能要求，系統(tǒng)編程流程如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)編程流程示意

2.1 獲取溫度數(shù)據(jù)

監(jiān)控系統(tǒng)中溫度數(shù)據(jù)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(xié)議為Modbus，程序流程如圖3所示。程序中發(fā)送指令后的延時(shí)等待非常重要，無此等待時(shí)間，系統(tǒng)將獲取不到真實(shí)數(shù)據(jù)。

圖3 數(shù)據(jù)獲取程序流程示意

2.2 數(shù)據(jù)的處理及曲線繪制

在獲取各溫度數(shù)據(jù)及計(jì)算得到的熱阻數(shù)據(jù)后，需要定時(shí)將數(shù)據(jù)存入到數(shù)據(jù)庫中。對數(shù)據(jù)庫的操作包括查詢、插入、修改、刪除。數(shù)據(jù)存儲采用SQL中的insert指令。在C＃中，定時(shí)用到timer控件，定時(shí)存儲程序如圖4所示。數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫后，用戶需要對歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢，并將結(jié)果保存在Excel工作簿中，查詢的時(shí)間段由用戶自己決定。

圖4 數(shù)據(jù)存儲程序流程示意

實(shí)時(shí)曲線顯示時(shí)，定義了公共類“實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)”和公有變量，將串口獲得的數(shù)據(jù)傳遞給畫實(shí)時(shí)曲線的數(shù)據(jù)數(shù)組。用戶點(diǎn)擊“實(shí)時(shí)曲線”就能得到曲線顯示界面。歷史曲線顯示時(shí)，畫圖數(shù)據(jù)由用戶在界面中選擇時(shí)間段，根據(jù)時(shí)間段查詢數(shù)據(jù)庫所得。程序和導(dǎo)出歷史數(shù)據(jù)相似。在查詢到的數(shù)據(jù)送至Datagridview后，再將Datagridview中的數(shù)據(jù)送至數(shù)組。由于定義了曲線繪制類Curve，在主程序中調(diào)用該畫圖類Curve，即可。

軟件其他功能如登錄退出系統(tǒng)、參數(shù)修改等，這些功能僅涉及到數(shù)據(jù)庫查詢、修改，程序?qū)崿F(xiàn)簡單。

3 監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用

整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)完畢后應(yīng)用于山東日照亞太森博紙漿廠循環(huán)水處理系統(tǒng)。在換熱器監(jiān)控界面中，可實(shí)時(shí)顯示換熱器的各進(jìn)出口流體溫度參數(shù)和水質(zhì)參數(shù)。且同一界面中，可以同時(shí)看到各溫度及由溫度計(jì)算出來的熱阻變化情況，如圖5所示。根據(jù)歷史曲線的變化情況，可以用來評價(jià)加藥處理后的效果，也可以指導(dǎo)水處理時(shí)的加藥量。該套監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)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(jié)束語

為保證大型循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)和連續(xù)生產(chǎn)，必須有效地對循環(huán)系統(tǒng)的結(jié)垢、腐蝕等情況進(jìn)行監(jiān)測，從而評定出最佳的水處理方案。用C＃語言開發(fā)的換熱器參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對水處理現(xiàn)場參數(shù)的監(jiān)測和保存，可以指導(dǎo)水處理方案的設(shè)計(jì)。監(jiān)控系統(tǒng)對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集和處理，簡單方便可靠。

［1］ 顧學(xué)群，劉建峰.基于PC機(jī)的溫度采集記錄系統(tǒng)［J］.儀表技術(shù)，2004（03）：37－38.

［2］ 楊述斌.工業(yè)現(xiàn)場溫度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.中國科技信息，2007（23）：75－78.

［3］ 張躍廷，韓陽，張宏宇.C＃數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)開發(fā)實(shí)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(biāo)準(zhǔn)在工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集中的應(yīng)用［J］.中國科技信息，2009（18）：102－103.

［5］ 陳池，陳巒，任金忠.基于Modbus協(xié)議的RS－485工業(yè)現(xiàn)場總線系統(tǒng)［J］.裝備制造技術(shù)，2009（05）：93－96.

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

［7］ 張凱，劉偉軍，岳震，等.利用VC＋＋6.0實(shí)現(xiàn)溫度采集模塊的串行通信［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)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(fā)溫度采集與控制系統(tǒng)［J］.南昌工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2005，24（03）：46－49.

［9］ 李慶華，姜會文，邱書波.VC6.0下應(yīng)用MSComm控件實(shí)現(xiàn)RS－485串行通信［J］.微計(jì)算機(jī)信息，2002，18（10）：53－57.

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