李樂斌，趙 智，呂衛(wèi)星，吳全鋒，胡石林

（中國原子能科學(xué)研究院，北京 102413）

核反應(yīng)堆、常規(guī)及核動(dòng)力潛艇等裝置由于反應(yīng)失控、溫度急劇上升，可能產(chǎn)生大量氫氣?；诎踩紤]，需設(shè)計(jì)一種復(fù)合裝置，使氫氧復(fù)合成水，避免危險(xiǎn)發(fā)生[1]。氫氧催化合成水可采取高溫催化和常溫催化2種方式。常溫氫氧復(fù)合是指在室溫或略高于室溫溫度將H2化合成水，可用于裝置設(shè)備故障及泄露時(shí)產(chǎn)生大量H2時(shí)的應(yīng)急處理，也可用于火藥爆炸氣體、含氫廢氣等的處理[2]。由于氫氧復(fù)合為強(qiáng)放熱反應(yīng)，需及時(shí)帶出反應(yīng)產(chǎn)生的大量熱量，否則熱量累計(jì)會導(dǎo)致反應(yīng)溫度上升，而溫度升高又加快反應(yīng)速度，增加反應(yīng)放熱，最終導(dǎo)致反應(yīng)失控，燃燒催化劑[4-5]。因此反應(yīng)體系的溫度控制是一個(gè)重要問題。本文設(shè)計(jì)了一套基于LabVIEW的氫氧復(fù)合控制系統(tǒng)，利用工控機(jī)、各種采集板卡、智能儀器儀表等裝置，實(shí)現(xiàn)了對溫度、流量的控制及壓力、液位、氣體濃度的測量。

1 控制系統(tǒng)硬件組成

控制系統(tǒng)主要完成溫度控制和工藝參數(shù)測量。溫度對H2轉(zhuǎn)化率的影響顯著，因此試驗(yàn)中要控制復(fù)合室的溫度。試驗(yàn)中冷卻水直接流過催化床，帶走反應(yīng)熱，冷卻水流量和溫度有一定關(guān)系。其次反應(yīng)混合氣體的流量也影響H2轉(zhuǎn)化效率。綜合以上因素，復(fù)合室的溫度控制可以通過控制反應(yīng)混合氣體和冷卻水流量來實(shí)現(xiàn)。PID控制器因其構(gòu)成簡單、設(shè)計(jì)方便、穩(wěn)態(tài)性能好得到廣泛應(yīng)用。LabVIEW提供了一個(gè)外掛PID控制工具包，搭建功能強(qiáng)大的控制系統(tǒng)。根據(jù)工藝要求和試驗(yàn)裝置特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一套基于LabVIEW的控制系統(tǒng)。

系統(tǒng)硬件主要由研華工控機(jī)、數(shù)據(jù)采集板卡PCI1747U、模擬量輸出卡PCI1727、繼電器卡PCI1762、RS485通訊卡 PCI1622C、RS232通訊卡MOX CP-168U組成。控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)的壓力和液位信號由智能壓力、液位變送器測量，輸出4～20 mA標(biāo)準(zhǔn)信號。溫度、氣體濃度儀表可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場顯示，同時(shí)帶有RS485通訊，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳。氫氣和氧氣質(zhì)量流量計(jì)采用RS232通訊接口，完成流量的實(shí)時(shí)控制。冷卻水回路裝有電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，通過調(diào)節(jié)冷卻水的流量來控制復(fù)合室的溫度。其控制原理是將復(fù)合室實(shí)際溫度與期望值進(jìn)行比較獲得偏差，采用LabVIEW軟件的PID工具包可得控制量，將控制量換算后經(jīng)過數(shù)據(jù)采集卡PCI1727輸出標(biāo)準(zhǔn)電流信號到電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，控制閥門開度調(diào)節(jié)流量，達(dá)到控制復(fù)合室溫度的目的。控制系統(tǒng)還帶有聲光報(bào)警裝置，具備安全聯(lián)鎖功能。當(dāng)工藝參數(shù)異常時(shí)，繼電器卡PCI1762輸出開關(guān)信號，驅(qū)動(dòng)報(bào)警電路，聲光報(bào)警提醒操作人員。

圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of control system

2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的軟件部分采用NI公司開發(fā)的圖形化編程軟件平臺LabVIEW，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)保存以及系統(tǒng)控制等功能。LabVIEW是美國國家儀器公司推出的圖形化軟件編程平臺，編程簡潔明了，人機(jī)交互界面生成方便，適用于實(shí)驗(yàn)室及小批量生產(chǎn)線等場合。它不僅包括開發(fā)虛擬儀器面板的各種對象和進(jìn)行信號分析的豐富函數(shù)，而且提供了外掛的PID控制工具包，應(yīng)用虛擬儀器技術(shù)來完成測量任務(wù)，還可將虛擬儀器擴(kuò)展到自動(dòng)化領(lǐng)域，構(gòu)成一種基于虛擬儀器的控制系統(tǒng)[6]。針對本試驗(yàn)裝置，基于LabVIEW的上位機(jī)程序主要實(shí)現(xiàn)如下功能：（1）串口通訊：通過串口通訊實(shí)現(xiàn)氣體質(zhì)量流量計(jì)的流量控制、狀態(tài)監(jiān)測和溫度檢測儀表的設(shè)置與控制；（2）數(shù)據(jù)采集：通過編寫驅(qū)動(dòng)程序，將壓力、液位、冷卻水流量、氫氣濃度信號讀取到上位機(jī)，進(jìn)行顯示及數(shù)據(jù)處理；（3）控制輸出：編寫PID控制程序、數(shù)據(jù)采集卡PCI1727、PCI1762的驅(qū)動(dòng)程序，輸出4～20 mA和開關(guān)量信號到相應(yīng)設(shè)備完成既定動(dòng)作。

2.1 前面板設(shè)計(jì)

前面板是圖形化用戶界面，用于設(shè)置輸入數(shù)值和觀察輸出量，模擬真實(shí)儀表的前面板，主要由控制輸入、數(shù)據(jù)顯示、裝飾構(gòu)成?？刂葡到y(tǒng)前面板設(shè)計(jì)如圖2所示。主要包括初始化界面、流程界面、控制輸入界面、報(bào)警界面和各種參數(shù)曲線顯示界面。

圖2 前面板設(shè)計(jì)Fig.2 Front panel design

2.2 程序框圖設(shè)計(jì)

程序框圖是實(shí)現(xiàn)VI邏輯功能的圖形化源代碼?？驁D中的編程元素除了包括與前面板上的控件對應(yīng)的連線端子外，還有函數(shù)、子VI、常量、結(jié)構(gòu)和連線等[7]?？刂葡到y(tǒng)程序在編制過程中采用了結(jié)構(gòu)化和模塊化的基本思路，包括串口通訊、模擬量采集、控制輸出、數(shù)據(jù)曲線顯示與存儲等幾個(gè)功能模塊。將每個(gè)模塊做成一個(gè)子VI，主程序通過調(diào)用這些VI，完成不同的功能。

（1）串口通訊VI：以氣體質(zhì)量流量計(jì)為例進(jìn)行說明。根據(jù)儀表說明，本試驗(yàn)主要用到流量計(jì)以下幾個(gè)功能：設(shè)置控制模式（數(shù)字量、模擬電流和模擬電壓）、控制閥工作模式（全開、全閉和受控）、讀取瞬時(shí)流量、讀取累積流量與清零。對串口讀操作使用的節(jié)點(diǎn)包括VISA Conflgure Serial Port、屬性節(jié)點(diǎn)（Bytes at Port）、VISA Read、VISA Close。 首先設(shè)置串口參數(shù)，接著打開串口讀取接收的字節(jié)數(shù)，讀取數(shù)據(jù)，最后關(guān)閉串口。對串口的寫操作使用的節(jié)點(diǎn) 包 括 VISA Conflgure Serial Port、VISA Write、VISA Flush I/O Buffer、VISA Close。 首先初始化串口，打開串口進(jìn)行寫操作，寫入數(shù)據(jù)后清空緩沖區(qū)，最后關(guān)閉串口。部分控制程序如圖3所示。

圖3 部分控制程序Fig.3 Part of the control program

（2）數(shù)據(jù)采集 VI：壓力、液位、冷卻水流量、氫氣濃度傳感器輸出4～20 mA信號，經(jīng)過信號調(diào)理后變成1～5 V信號接入數(shù)據(jù)采集卡。在NI驅(qū)動(dòng)程序支持 下 采 用 DeviceOpen.vi、AIConfig.vi、AIvoltageIn.vi和DeviceClose.vi等函數(shù)，在編寫程序時(shí)，還要注意測量輸入信號的量程，其決定采集程序中的增益值。對PCI1747U板卡進(jìn)行編程控制，采集電壓信號，最后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理得到實(shí)時(shí)參數(shù)信號。

（3）控制輸出VI：控制輸出VI包括PID控制輸出和開關(guān)量報(bào)警輸出。PID控制過程是將復(fù)合室溫度信號通過儀表的RS485通訊方式采集，與期望設(shè)定溫度比較，經(jīng)PID運(yùn)算后，其輸出信號送到數(shù)據(jù)采集卡PCI1727的模擬量輸出通道，再通過端子板連接到電動(dòng)調(diào)節(jié)閥。調(diào)節(jié)閥輸入信號是4～20 mA，開度反饋信號也是4～20 mA。PID控制程序如圖4。開關(guān)量報(bào)警輸出原理是將采集到的工藝參數(shù)與設(shè)定值比較，高于設(shè)定值時(shí)程序輸出真信號到PCI1762板卡相應(yīng)通道和位，使繼電器觸點(diǎn)閉合，驅(qū)動(dòng)外圍報(bào)警電路工作。編寫PCI1762板卡驅(qū)動(dòng)程序時(shí)，首先初始化板卡物理地址和通道地址，打開驅(qū)動(dòng)程序DriverOpen.vi，寫入通道數(shù)、所在位、該位的狀態(tài)（0或1）數(shù)據(jù)，最后關(guān)閉驅(qū)動(dòng)DriverClose.vi。由于LabVIEW的執(zhí)行速率高，故在寫入數(shù)據(jù)后及關(guān)閉驅(qū)動(dòng)前分別延時(shí)等待一段時(shí)間，以確保數(shù)據(jù)順利寫入。

圖4 PID控制程序Fig.4 PID control program

對于一個(gè)完整的控制系統(tǒng)，還需要將采集到的數(shù)據(jù)以圖形化顯示出來，并將數(shù)據(jù)以一定格式存儲在文件中。LabVIEW提供了強(qiáng)大的數(shù)據(jù)圖形化顯示控件和文件I/O函數(shù)用以滿足不同的顯示需求和文件操作?？紤]到存儲數(shù)據(jù)的文件類型應(yīng)該通用性強(qiáng)，所以本控制系統(tǒng)以文本文件形式存儲數(shù)據(jù)，并編寫了圖表顯示程序，這里不再贅述。

3 結(jié)語

根據(jù)試驗(yàn)裝置的特點(diǎn)和氫氧復(fù)合工藝對控制系統(tǒng)的要求，提出了基于LabVIEW的氫氧復(fù)合控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)以工控機(jī)為核心，通過各種板卡完成信號的采集和控制，通過LabVIEW的程序，實(shí)現(xiàn)控制參數(shù)設(shè)置、工藝參數(shù)采集與處理、數(shù)據(jù)及曲線顯示、數(shù)據(jù)存儲和報(bào)警聯(lián)鎖等功能。該系統(tǒng)已成功應(yīng)用于試驗(yàn)裝置。經(jīng)試驗(yàn)運(yùn)行，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，操作界面友好，為試驗(yàn)的順利運(yùn)行提供了保障。

[1]胡勝，熊亮萍，楊亮，等.疏水催化常溫氫氧復(fù)合反應(yīng)[C]//第二屆全國核技術(shù)及應(yīng)用研究學(xué)術(shù)研討會，2009：1-9.

[2]胡勝，楊亮，熊亮萍，等.基于Pt/C/FN疏水催化劑的常溫氫氧復(fù)合反應(yīng)[J].核化學(xué)與放射化學(xué)，2009，31（3）：134-139.

[3]胡勝，何玉暉，楊亮.基于Pt/C/FN疏水催化劑的常溫氫氧復(fù)合反應(yīng)[J].中國工程物理研究院科技年報(bào)，2008（1）：182-183.

[4]邵明昶.氫氧復(fù)合工藝研究[J].中國原子能科學(xué)研究院年報(bào)，2001（1）：85.

[5]張紅見，胡石林，吳全鋒.氫氧復(fù)合疏水催化劑的制備[J].核化學(xué)與放射化學(xué)，2003，25（3）：146-149.

[6]劉君華.基于LabVIEW的虛擬儀器設(shè)計(jì)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2003.

[7]陳錫輝，張銀鴻.LabVIEW8.20程序設(shè)計(jì)從入門到精通[M].北京：清華大學(xué)出版社，2007.