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化換熱元件、改進換熱器結(jié)構(gòu)、提高傳熱效率，從而提高能源使用率，達到節(jié)約成本的目的[2]。同時，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，因為高效換熱銅管的設(shè)計與優(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)軟件的單管管外強化換熱實驗臺，通過傳感器測量各項參數(shù)，利用數(shù)據(jù)采集器將傳感器采集的信號進行集中處理后，基于MPI通訊協(xié)議與上位機進行實時通訊，上位機組態(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)的曲線和報表，顯著提高了測試效率和自動化程度。

1 試驗系統(tǒng)

如圖1所示，自行設(shè)計的一臺集蒸發(fā)和冷凝為一體的管外蒸發(fā)、冷凝實驗臺，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，既可以適用各種不同的制冷劑又可以避免潤滑油對實驗結(jié)果準(zhǔn)確性的影響。測試實驗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，水與制冷劑進行熱量交換。冷凝實驗時，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)，在試驗段，冷卻水把制冷劑蒸汽冷凝成液體。蒸發(fā)實驗時，制冷劑液體在試驗段被加熱蒸發(fā)，蒸發(fā)的制冷劑氣體經(jīng)過換熱器2時被冷凝成液體回到儲液器。實驗中冷水機組提供冷卻液，為乙二醇和水的混合液，冷凝實驗時和換熱器1進行熱交換;蒸發(fā)實驗時，冷卻液和換熱器2進行熱交換。

圖1 實驗裝置系統(tǒng)

2 實驗臺硬件設(shè)計

圖2 測控系統(tǒng)硬件示意圖

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

3 實驗臺測控系統(tǒng)軟件設(shè)計

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現(xiàn)和完成監(jiān)控層的各項功能，并能同時支持各種硬件廠家的計算機和I/O產(chǎn)品，與高可靠的工控計算機和網(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，進行系統(tǒng)集成[9]。

此實驗臺的軟件設(shè)計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)建人機界面系統(tǒng)和高可靠性快速性的圖形界面運行系統(tǒng)View，用來運行Draw創(chuàng)建的圖形窗口[10-11]。實驗中將采集到的數(shù)據(jù)在組態(tài)軟件中進行顯示和處理，實現(xiàn)實驗臺各項參數(shù)的實時監(jiān)控、趨勢曲線的顯示和報表查詢的生成等功能。

根據(jù)此實驗系統(tǒng)的特點，利用Forcecontrol 6.1設(shè)計的系統(tǒng)圖形界面如圖3所示，圖形界面中設(shè)計了冷水機組、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、實時溫度曲線、壓焓圖等模塊。通過友好的用戶界面，用戶可以方便地設(shè)定要求的工況進行實驗，并對實驗過程中的各項控制參數(shù)進行實時記錄和存儲。

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)動程序進行配置，使其與組態(tài)軟件進行通信構(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。此實驗臺控制中，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 實驗臺監(jiān)控圖形界面

圖4 I/O設(shè)備組態(tài)及其配置

實時數(shù)據(jù)庫是整個監(jiān)控系統(tǒng)的核心，它負責(zé)整個系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)處理和歷史數(shù)據(jù)的存儲，統(tǒng)計數(shù)據(jù)處理及報警信息處理，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]。力控實時數(shù)據(jù)庫是以點為數(shù)據(jù)對象來索引數(shù)據(jù)的，一個點由若干參數(shù)組成，系統(tǒng)以點參數(shù)為單位存放各種信息。在力控軟件中，進入數(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，選擇模擬I/O點，輸入點名、說明，并與已定義好的I/O設(shè)備進行連接。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式的對應(yīng)關(guān)系，建立連接后在監(jiān)控系統(tǒng)運行時根據(jù)變量或表達式的數(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，計算機圖形界面就可將實驗中的數(shù)據(jù)進行真實顯示，實現(xiàn)實時刷新。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，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)置完成后即可實現(xiàn)對溫度的實時監(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)的單管管外強化換熱實驗臺監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了實驗臺的數(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黜梾?shù)進行全面的檢測，并具有完善的數(shù)據(jù)處理分析功能。實際運行表明，系統(tǒng)可以很快達到平衡狀態(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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