齊林宇，唐 晶，魏文澤，孫雅麗，劉長海

(東北石油大學(xué) 機械科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163318)

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基于C++Builder的換熱器性能試驗平臺測控軟件的開發(fā)

齊林宇，唐 晶，魏文澤，孫雅麗，劉長海

(東北石油大學(xué) 機械科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163318)

換熱器性能測試是換熱器設(shè)計過程中的重要環(huán)節(jié),對其結(jié)構(gòu)優(yōu)化及性能評估具有重要作用；針對傳統(tǒng)的換熱器性能測試系統(tǒng)存在試驗周期長、組合方案少，自動化水平不高、可重用應(yīng)用性較差等不足，文章基于工業(yè)控制計算機和C++ Builder軟件平臺開發(fā)了換熱器性能試驗測控與仿真系統(tǒng)；該系統(tǒng)實現(xiàn)了試驗工況參數(shù)的控制與過程仿真、試驗數(shù)據(jù)的采集記錄與分析處理等各項操作的自動化；文章在簡要介紹換熱器性能測試系統(tǒng)硬件設(shè)計的基礎(chǔ)上，具體結(jié)合系統(tǒng)硬件介紹了利用C++ Builder制作的換熱器仿真實驗測控系統(tǒng)的方法及過程，最后給出換熱器性能測試仿真實驗用戶界面及仿真實驗運行結(jié)果；試驗結(jié)果表明，測控系統(tǒng)具有交互界面良好、使用方便，可靠性高等特點，能夠較好地滿足換熱器性能測試的要求。

C++ Builder；換熱器；測控軟件；性能測試

0 引言

換熱器是工業(yè)傳熱過程中必不可少的設(shè)備，幾乎在所有的工業(yè)領(lǐng)域里都有使用，其理論研究也相當(dāng)深入[1-2]。實驗用換熱器也是較為熱門的研究方向，其對換熱器的教學(xué)、性能研究和結(jié)構(gòu)優(yōu)化均具有重要意義[3]。在換熱器應(yīng)用領(lǐng)域，其結(jié)構(gòu)形式及換熱介質(zhì)多種多樣，對各種型式換熱器性能的檢測和對其換熱能力的把握日顯重要。根據(jù)試驗與教學(xué)科研需要，作者建立了一個換熱器性能試驗裝置。為實現(xiàn)試驗數(shù)據(jù)的采集記錄與分析處理，開發(fā)了基于C++Builder可視化的編程環(huán)境測控系統(tǒng)[4]。實現(xiàn)了試驗工況參數(shù)的調(diào)節(jié)與控制的自動化，并可將記錄數(shù)據(jù)自動生成統(tǒng)一格式的試驗報告。可對換熱器的綜合性能進行全面地測試，為換熱器的新品開發(fā)與改進設(shè)計提供設(shè)計依據(jù)和驗證手段。

1 換熱器性能試驗系統(tǒng)總體設(shè)計

目前的化工實驗裝置大多側(cè)重于單方面的靜設(shè)備或動設(shè)備的測試和檢修，各實驗裝置之間具有很大的重復(fù)性，造成了不必要的浪費；換熱器性能測試實驗裝置也多限于單臺換熱器之間的獨立測試[5-6]，換熱器的串、并聯(lián)組合測試裝置鮮見報道。現(xiàn)有的實驗教學(xué)設(shè)備，泵與換熱器的形式較單一，可控參數(shù)少，因此在換熱器性能試驗系統(tǒng)硬件的設(shè)計上，采用了如圖1所示的工藝流程，該系統(tǒng)包括流體輸送部分、組合式換熱器兩部分組成，其中流體輸送部分包括高位水箱、冷水箱、熱水箱、并聯(lián)泵組、閥門、檢測儀表，而換熱器部分包括可拆管束的光管換熱部分、中間串聯(lián)管箱、盲板、低翅片管部分及檢測儀表等。不但能完成換熱器的性能測試與泵的性能測試獨立實驗，還能開展泵與換熱器聯(lián)合實驗，可通過改變泵的出口壓力、流量、水箱的溫度來控制實驗變量的擾動。此外該套裝置，結(jié)構(gòu)參數(shù)可變，設(shè)備之間可任意組合，可基于此平臺開展多工況下的性能測試實驗，操作人員可自行擬定多種操作方案，進行開放性實驗，該換熱器可開展的基本性能測試試驗如表1所示。

圖1 試驗平臺設(shè)備布置及工藝流程

2 測控系統(tǒng)的功能及特點

換熱器測控系統(tǒng)概括起來包括硬件和軟件兩部分。其中硬件部分也就是前文所述換熱器實驗裝置，軟件部分主要是包括實現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊、監(jiān)測和控制等功能的實驗平臺。對于整個實驗系統(tǒng)來說，硬件部分和軟件部分是不可分割的，即兩者之間是相互通信的，來自于控制對象的數(shù)據(jù)通過檢測儀表實時的進行采集并通過A/D轉(zhuǎn)換傳輸給工控機，工控機對接收到的數(shù)據(jù)進行分析、處理，然后發(fā)出控制命令。然后通過D/A轉(zhuǎn)換，將控制命令發(fā)送給控制對象，從而實現(xiàn)了對控制對象的控制[7]。

表1 平臺試驗工況及設(shè)備切換狀態(tài)

換熱器的性能測試試驗就是建立一個滿足換熱器設(shè)計工況的溫度和流量條件，測試在此工況條件下，換熱器的換熱能力及流動阻力，并模擬各種實際使用條件，測試其性能指標(biāo)的變化情況。因此換熱器的測試實驗必然涉及自變量參數(shù)的調(diào)節(jié)與控制以及換熱過程參量的監(jiān)測。在工業(yè)控制計算機出現(xiàn)以前，上述參數(shù)的計量和控制是通過人工手動調(diào)節(jié)和目視讀數(shù)，這種傳統(tǒng)方式導(dǎo)致的結(jié)果往往是參數(shù)調(diào)節(jié)不可避免存在較大誤差并具有遲滯性，且試驗人員勞動強度大。而工業(yè)控制計算機及相應(yīng)的數(shù)字閥門、儀表的出現(xiàn)，大大提高了監(jiān)測的效率及自動化水平。試驗人員可以通過計算機來設(shè)定控制變量、可隨時監(jiān)測各個數(shù)據(jù)采集點返回的溫度、壓力、壓力差和流量等數(shù)據(jù)，并依此判斷試驗所處狀態(tài)，并可以隨時進行人工干預(yù)。借助C++builder，試驗人員可實時對反饋信號進行PID調(diào)節(jié)[8]，使實驗參數(shù)與給定值一致，并可記錄并繪制測試參數(shù)的變化趨勢。

3 試驗參數(shù)的測試和控制方法

3.1 試驗參數(shù)的確定及測控方法

換熱器的性能測試主要包括換熱器換熱能力的考量和換熱介質(zhì)在管路中流動阻力的測試。對于換熱器的換熱能力即換熱量，由其理論公式(1)[9]可知，其主要與如下參數(shù)有關(guān)：

(1)

式中,Q為換熱量；K為總傳熱系數(shù)；S為換熱面積；Δtm為對數(shù)平均溫度差；W為換熱介質(zhì)流量；Cp為換熱介質(zhì)比熱容；ΔT為換熱介質(zhì)換熱前后溫差。

1)傳熱面積S:影響換熱面積S的主要因素有換熱管內(nèi)徑、換熱管長度、換熱管根數(shù)等，對于一臺設(shè)計完成的換熱器，在不改變結(jié)構(gòu)參數(shù)的前提下，其換熱面積為一恒定值。因此在測控系統(tǒng)中為已知量。

2)傳熱系數(shù)K:傳熱系數(shù)的數(shù)值大小間接反映了換熱器熱傳遞的能力，在理論計算中，其數(shù)值為一估計值，而在實際工作中它與換熱介質(zhì)流速、湍流狀態(tài)、污垢狀態(tài)等參數(shù)有關(guān)，因此傳熱系數(shù)是一個與待測參數(shù)有關(guān)的變量，不能直接測定，因此需要在獲得其他參數(shù)的基礎(chǔ)由(1)式獲得。

3)對數(shù)平均溫度差Δtm：

對數(shù)平均溫度差的計算公式為：

(2)

式中,ΔT1表示熱流體的進、出口溫差，ΔT2表示冷流體的進、出口溫差。這里涉及4個變量，其中冷、熱流體的出口溫度屬于待測參數(shù)，可采用裝配式熱電阻傳感器進行測量；而冷、熱流體的進口溫度為控制參數(shù)、對于熱流體側(cè)的加熱方式采用電熱管，與出口溫度相同通過熱電阻進行計量，電熱管的加熱功率受計算機PID(Proportional-integral-differential,比例-積分-微分)控制，保證試驗參數(shù)滿足給定條件。

4)冷水或熱水流量W:該參數(shù)為控制參數(shù)，其值可通過泵的轉(zhuǎn)速及電磁閥門的開度調(diào)節(jié)來控制，其參數(shù)的設(shè)定可由孔板流量計示數(shù)進行反饋。

5)其他待測參數(shù):為測量換熱器的流動阻力，換熱器冷、熱流體進出側(cè)壓力亦為待測變量。需在相應(yīng)位置設(shè)置壓差變送器及壓力表。對于水箱，其液位為試驗人員需關(guān)注的對象，以防止其溢出，因此，3個水箱處的液位為待測變量，這里選用磁浮子液位計進行計量。

根據(jù)上述參數(shù)的選擇與分析，將各參數(shù)匯總于表2用于區(qū)分控制參數(shù)、測量參數(shù)及計算參數(shù)。各參量測試采用的儀表情況如表3所示[10-13]。

表2 換熱器性能試驗參數(shù)匯總

表3 儀表選用

3.2 基于C++Builder的功能實現(xiàn)

根據(jù)前文的分析，測控仿真系統(tǒng)需滿足試驗參數(shù)的設(shè)定、調(diào)節(jié)、顯示、記錄、數(shù)據(jù)處理等功能。因此借助C++builder中的內(nèi)置控件、并對其進行程序編輯可實現(xiàn)上述功能。

3.2.1 參數(shù)輸入控件

實驗平臺要求對冷、熱水的入口溫度及流量進行設(shè)定，利用C++builder中的內(nèi)置TrackBar組件的特性，可以實現(xiàn)參數(shù)的給定功能[14]。TrackBar組件，相當(dāng)于一個滾動條，其下方設(shè)有刻度，用于計量調(diào)節(jié)的數(shù)值，該控件可與Edit控件配套使用，當(dāng)滑動滑塊時，其對應(yīng)的Edit文本框中的數(shù)值也隨之變化。

3.2.2 事件觸發(fā)控件

對于試驗過程的開停車、需要在程序中完成流程的啟閉功能，這里可使用內(nèi)置的TButton組件，通過對其屬性中的OnClick事件中加入相應(yīng)代碼，就可以對某一事件進行觸發(fā)或關(guān)閉操作，通過這一特性，可實現(xiàn)整個實驗流程的啟閉或某一事件的觸發(fā)。

3.2.3 參數(shù)顯示控件

對于各種待測參數(shù)，其測量結(jié)果、計算結(jié)果均需在軟件界面上直觀顯示，C++builder中的文本框Edit組件用來顯示、編輯單獨的一行文本，多用于完成用戶的單行輸入，特別的，可以通過對其屬性的限制或者編寫對應(yīng)的事件函數(shù)來完成具有特定限制條件的輸入。在軟件平臺中，Edit組件主要用來顯示數(shù)值和數(shù)值的輸入。

每一臺泵的進出口以及換熱器的進出口都會放置一個Edit組件，用來顯示泵的進出口的流量、壓力和冷、熱流體在經(jīng)過換熱器前和經(jīng)過換熱后的溫度和壓強，也可以直接輸入換熱器中冷、熱流體的溫度大小，和組件TrackBar組件作為輸入控件。

3.2.4 文件調(diào)用控件及其它組件

此外，對于試驗結(jié)果的記錄與調(diào)用顯示，需要對記錄文件進行調(diào)用和顯示，這里可以采用其內(nèi)置的OleContainer組件、用于控制流程時間的TTimer組件及用于分頁操作的PageControl組件等。

3.3 交互界面設(shè)計

良好的交互性是測控系統(tǒng)界面設(shè)計的前提，由圖2所示，軟件界面包含標(biāo)題欄、選項欄、工藝管路、指示欄四部分組成。由表1可知，實驗系統(tǒng)包含7種工況，為突出各工況試驗流程顯示，可將圖1所示工藝進行部分隱藏，并分別設(shè)置4個操作界面對應(yīng)4種管路切換狀態(tài)即“光管”、“翅片管”、“串聯(lián)”、“并聯(lián)”；為輔助試驗人員了解本套裝置，設(shè)置兩個輔助界面“總覽”和“幫助”，選項切換通過PageControl控件來實現(xiàn)；由于C++ Builder軟件本身不具備繪圖功能，因此軟件背景及工藝流程圖需用第三方繪圖軟件輔助繪制，并通過Image組件置于軟件內(nèi)部，為體現(xiàn)設(shè)備的結(jié)構(gòu)，這里在設(shè)備位置設(shè)置三維貼圖[15]。為區(qū)分工藝介質(zhì)，分別采用顏色對冷、熱換熱介質(zhì)換熱前后進行標(biāo)識，并在界面右側(cè)的指示欄進行指示。在界面設(shè)置完成后，根據(jù)設(shè)備及管路位置，分別插入TrackBar、TButton、ProgressBar等控件，并可依據(jù)圖片背景調(diào)整控件的位置，為突出控件顯示控件設(shè)置可設(shè)置為亮綠色，與淡藍色背景形成鮮明對比。

控件位置設(shè)置完畢后，需對控件屬性進行代碼編寫并建立函數(shù)調(diào)用關(guān)系。對于數(shù)據(jù)采集與控制部分，可通過信號調(diào)理板實現(xiàn)。直接利用隨硬件A/D板卡廠商提供的可供各種高級語言調(diào)用的動態(tài)鏈接庫(DLL)，使用BCB的implib工具實現(xiàn)隱式調(diào)用，在相應(yīng)的位置進行聲明后,即可直接調(diào)用聲明的函數(shù)。對于數(shù)據(jù)顯示和記錄部分，采用ADO數(shù)據(jù)庫技術(shù)，通過ADO與Microsoft的Access數(shù)據(jù)庫相連，實現(xiàn)數(shù)據(jù)保存和數(shù)據(jù)查詢功能。向工程中加入組件ADODataSet，Datasource，DBGrid等組件，并通過Microsoft Jet 4.0 OLE DB Provider實現(xiàn)與Access創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)鏈接。這樣即可完成試驗數(shù)據(jù)的采集與記錄工作。

圖2 軟件界面概覽

4 試驗結(jié)果與分析

為了驗證本系統(tǒng)的可行性和準(zhǔn)確性，以光管換熱器低翅管換熱器串聯(lián)為例，當(dāng)測控系統(tǒng)啟動后，單擊“串聯(lián)”按鈕切換到串聯(lián)工況，如圖2所示，根據(jù)圖示工藝管路對實驗裝置進行管路閥門切換，并在軟件界面設(shè)置冷熱水箱溫度TIC-1和TIC-2，設(shè)置滑動冷、熱水泵流量FIC-1和FIC-2，點擊“開始”按鈕，此后水箱處顯示出回收水箱液位變化情況。換熱器進出口溫度、壓力儀表由檢測儀表檢測并發(fā)出4～20 mA信號，經(jīng)轉(zhuǎn)換電路處理為數(shù)字信號顯示在軟件對應(yīng)的控件中，軟件對數(shù)據(jù)進行記錄，當(dāng)達到給定試驗條件時，點擊“結(jié)果”按鈕即可彈出該工況下的換熱曲線如圖3所示。

圖3 20～70℃串聯(lián)工況下試驗獲得的換熱曲線

由圖3可知，測控系統(tǒng)可以對試驗過程中冷熱流體進出口溫度的變化進行實施監(jiān)測，并自動記錄數(shù)據(jù)。試驗結(jié)束后，系統(tǒng)對數(shù)據(jù)記錄進行自動處理，并繪制冷、熱流體換熱曲線，用戶可以從界面清晰地了解試驗過程中冷、熱流體溫度的變化趨勢，并結(jié)合流量、壓力參量，進一步獲得熱損失、傳熱量等換熱器特性參數(shù)，從而實現(xiàn)整體換熱器性能的評估。降低了換熱器因工況組合，以及管束類型、數(shù)量變化以及流程切換后重復(fù)性試驗的產(chǎn)生的勞動強度，提高了試驗效率。

5 結(jié)論

本文基于C++builder軟件平臺的建立了換熱器性能試驗測控與仿真系統(tǒng)，通過軟件編程與工業(yè)控制計算機接口、采集卡、轉(zhuǎn)換電路、儀表及電磁閥門的通信端口連接和數(shù)據(jù)交換，

實現(xiàn)了換熱器性能測試試驗的自動化，降低了試驗人員勞動強度，同時提高了試驗效率及穩(wěn)定性?；谠摐y試實驗可開展多工況下的性能測試實驗，操作人員可自行擬定多種操作方案，進行開放性實驗；其測試結(jié)果對換熱器的設(shè)計、優(yōu)化、選型、運行維護均具有重要的指導(dǎo)作用。

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Software Development of Heat Exchanger Performance Testing Based on Builder C++

Qi Linyu，Tang Jing，Wei Wenze，Sun Yali, Liu Changhai

(College of Mechanical Science and Engineering, Northeast Petroleum University, Daqing 163318,China)

Performance tests for heat exchanger, which are important parts in the design of heat exchanger, have great significance on structural optimization and performance evaluation. In the view of traditional heat exchanger performance test system have the characteristics of long test period, little combination, less automation level, and poor reusability,a kind of control and measure system for heat exchanger performance testing,which is based on the industrial control computer and Builder C++ software platform, is introduced. The system realizes the automation operate such as value control and process simulation, the collection,record and analysis of the test data.On the basis of the hardware design of the system, the paper introduces the programming method by using C++ Builder, and finally gives the user interface and simulation results of the heat exchanger.The result shows that this system has a good interface and easy to use with high reliability, which can meet the requirements of performance test for heat exchanger.

C++ Builder; heat exchanger: measurement and control software; performance testing

2015-11-24；

2016-01-07。

國家自然科學(xué)基金資助項目(11272084);國家大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目(201410220003)。

齊林宇(1991-)，男，黑龍江克山人，研究生，主要從事過程裝備與控制工程方向的研究。

劉長海(1964-)，男，黑龍江大慶人，博士，教授，主要從事化工裝備的疲勞損傷與可靠性研究工作。

1671-4598(2016)06-0139-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.06.038

TP274

A