林劍清++王紅一++張牧++鄭錫

摘 要：氣液兩相流是由氣液兩相物質(zhì)所組成的流動(dòng)系統(tǒng)，主要研究氣體跟液體這兩種不同物質(zhì)之間的科學(xué)問題。氣液兩相流動(dòng)態(tài)參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測對于實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程及設(shè)備的控制、促進(jìn)生產(chǎn)工藝和工程設(shè)備發(fā)展具有重要意義。搭建了以PLC控制為核心的小型兩相流實(shí)驗(yàn)裝置，并設(shè)計(jì)了基于MCGS組態(tài)軟件的兩相流虛擬仿真實(shí)驗(yàn)控制界面，實(shí)現(xiàn)了對實(shí)驗(yàn)裝置中兩相流幾種典型流型的發(fā)生和控制。最后，通過分析大規(guī)模實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)圖片，繪制出氣液兩相流的流型分布圖。

關(guān)鍵詞：氣液兩相流；PLC控制；MCGS組態(tài)軟件；流型

中圖分類號：O359+.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.01.026

氣液兩相流中氣液之間的運(yùn)動(dòng)規(guī)則及其不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下氣液間的相互作用是該課題的主要研究方向之一。隨著各類工程的興起和發(fā)展，氣液兩相流的研究逐漸獲得研究者的重視，促使它形成為一門完整的應(yīng)用基礎(chǔ)學(xué)科。由于在氣液兩相流中氣液之間存在互相作用，因此氣液的流動(dòng)問題比其單獨(dú)流動(dòng)問題更加復(fù)雜，兩者的本質(zhì)也有著顯著的區(qū)別，尤其是其流型的復(fù)雜程度和多樣性。

氣液兩相流流型是兩相流的構(gòu)造形式，是氣、液兩相之間界面分布呈現(xiàn)不同結(jié)構(gòu)形式或不同幾何圖形的現(xiàn)象。由于氣體和液體在一起流動(dòng)的過程中，兩相均可發(fā)生形變，且兩相界面不斷變化，進(jìn)而兩相介質(zhì)的分布狀態(tài)也會(huì)不斷變化，從而導(dǎo)致流型變的復(fù)雜化、多樣化。不同的流型具有不同的傳熱等特性，這對于化工、動(dòng)力等過程的工藝設(shè)計(jì)也至關(guān)重要。對于流型形成機(jī)制及其特點(diǎn)的認(rèn)識，是兩相流的機(jī)理及其規(guī)律研究的重要組成方面，也直接關(guān)系到兩相流學(xué)科中其他問題的分析研究。分析流型就要從氣相、液相、氣液相三者結(jié)合考慮，先判斷出流型的種類，再根據(jù)各種流型的特點(diǎn)，分析其流動(dòng)特性。國內(nèi)外諸多學(xué)者對氣液兩相流流型進(jìn)行了研究，將氣液兩相流流型主要分為泡狀流、塞狀流、彈狀流、分層流、波狀流、環(huán)狀流、霧狀流。受氣液兩相流裝置性能的限制，這些流型往往不能均被觀測到。

本文所設(shè)計(jì)的氣液兩相流實(shí)驗(yàn)臺是一套以PLC為核心，控制氣液兩相流流型的生成，能夠進(jìn)行氣液兩相流研究實(shí)驗(yàn)的小型兩相流實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。通過進(jìn)行兩相流實(shí)驗(yàn)，認(rèn)識氣液兩相流在工業(yè)生產(chǎn)中的重要作用，學(xué)習(xí)判別兩相流流型的方法及流型的特征，得到兩相流流型分布圖，從而運(yùn)用兩相流動(dòng)理論分析解決工程實(shí)際問題。這對于認(rèn)識兩相流及復(fù)雜工業(yè)生產(chǎn)過程，自主實(shí)現(xiàn)模擬工業(yè)過程的檢測和控制技術(shù)具有重要的意義。

1 氣液兩相流實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

以PLC控制為核心，主要實(shí)現(xiàn)壓力、流量各參數(shù)的采集，通過對各管道調(diào)節(jié)閥開度的控制調(diào)節(jié)各管道流體的流速，來實(shí)現(xiàn)氣液兩相流典型流型的發(fā)生和控制。利用MCGS組態(tài)軟件平臺進(jìn)行組態(tài)畫面設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)各畫面之間相互聯(lián)系，切換方便、快捷。最后，實(shí)現(xiàn)PLC硬件控制系統(tǒng)與MCGS控制界面的良好銜接，通過軟件界面對PLC控制器進(jìn)行控制操作。

1.1 兩相流物理實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

物理實(shí)驗(yàn)裝置管線布局如圖1所示。在物理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中加入壓力和流量檢測儀表，實(shí)現(xiàn)對流量、壓力參數(shù)的實(shí)時(shí)檢測。圖2是兩相流物理實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)物展示。

氣液兩相流動(dòng)實(shí)驗(yàn)裝置的管線需要滿足以下要求：①采用透明實(shí)驗(yàn)管線，以便觀察流動(dòng)形態(tài)的特點(diǎn)；②實(shí)驗(yàn)管線要有一定的長度，使進(jìn)、出口留有適當(dāng)?shù)姆€(wěn)定段。

實(shí)驗(yàn)裝置的工作過程如下：①來自空壓機(jī)的氣體經(jīng)緩沖罐到流量調(diào)節(jié)閥和氣體流量計(jì)后進(jìn)入T形管道與液體混合，然后經(jīng)過一段管路后進(jìn)入到觀察段。②水流經(jīng)儲(chǔ)水罐經(jīng)離心泵、流量調(diào)節(jié)閥和其相應(yīng)的流量計(jì)后與氣體在T形管中混合。一方面，垂直向上流動(dòng)，進(jìn)入測試段，在測試段觀察其流型；另一方面，水平流動(dòng)，進(jìn)入水平管道，在測試段觀察流型。③流出測試段的氣液混合物中，空氣排入大氣，水流回儲(chǔ)水罐，可以循環(huán)實(shí)驗(yàn)。

1.2 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

通過PLC為控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中氣體和液體流量，實(shí)現(xiàn)流量、壓力等檢測參數(shù)的記錄。本系統(tǒng)所采用的PLC控制模塊是羅克韋爾AB（Micro830）。本系統(tǒng)的PLC編程任務(wù)主要有以下3個(gè)方面。

1.2.1 水氣兩路電磁閥的開度控制

由于AB Micro830僅有6個(gè)輸出端口，為保證系統(tǒng)功能的完整實(shí)現(xiàn)，我們將水路和氣路上的電磁閥分別由2個(gè)不同的開關(guān)控制開閉。在編寫梯形圖程序時(shí)，使用輔助觸點(diǎn)實(shí)現(xiàn)1個(gè)開關(guān)控制2個(gè)電磁閥的同時(shí)開閉。

1.2.2 變頻器控制水流量

變頻器是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置，能實(shí)現(xiàn)對交流異步電機(jī)的軟起動(dòng)、變頻調(diào)速、提高運(yùn)轉(zhuǎn)精度、改變功率因素、過流/過壓/過載保護(hù)等功能。本系統(tǒng)采用PLC編程的通信方式控制變頻器，從而調(diào)節(jié)三相異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。

1.2.3 傳感器數(shù)據(jù)采集控制

本系統(tǒng)使用的傳感器主要有浮子流量計(jì)、渦輪流量計(jì)、壓力變送器等。各傳感器的測量數(shù)據(jù)均通過PLC采集，傳感器的模擬量在傳送到PLC后需要進(jìn)行數(shù)值轉(zhuǎn)換。

1.3 MCGS虛擬組態(tài)界面設(shè)計(jì)

根據(jù)控制要求，利用MCGS組態(tài)軟件進(jìn)行控制界面設(shè)計(jì)，主要完成組態(tài)界面與PLC控制器之間的通信連接、數(shù)據(jù)傳送，以達(dá)到對氣液兩相流物理實(shí)驗(yàn)裝置中各個(gè)對象進(jìn)行上位機(jī)控制的目的。圖3為MCGS虛擬組態(tài)的主控界面。

在MCGS組態(tài)軟件系統(tǒng)中，由設(shè)備窗口負(fù)責(zé)建立系統(tǒng)與外部硬件設(shè)備的連接，使得MCGS能從外部設(shè)備讀取數(shù)據(jù)并控制外部設(shè)備的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對應(yīng)實(shí)驗(yàn)過程的實(shí)時(shí)監(jiān)控。通過虛擬仿真軟件MCGS與PLC的通訊，實(shí)現(xiàn)PLC對電磁閥的控制以及壓力、流量等參數(shù)的采集與存儲(chǔ)，最終實(shí)現(xiàn)利用MCGS虛擬仿真界面控制物理模擬實(shí)驗(yàn)過程。在調(diào)試途中，依據(jù)“先局部后整體”的原則，首先對氣液兩相流物理實(shí)驗(yàn)裝置中數(shù)據(jù)采集、流量調(diào)節(jié)，泵控制分別進(jìn)行檢定、調(diào)試，然后進(jìn)行整個(gè)控制系統(tǒng)的試運(yùn)行，檢查其中的錯(cuò)誤并改正，最終保證該控制系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行。

2 氣液兩相流流型實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

本測試裝置側(cè)重于觀察管道內(nèi)部兩相流流動(dòng)狀態(tài)的演化過程。由于流體流動(dòng)速度較快，人眼或者普通相機(jī)難以捕捉到流型狀態(tài)，所以可采用高速相機(jī)來觀察和捕捉典型的流型。

實(shí)驗(yàn)過程中，通過MCGS虛擬組態(tài)軟件控制氣、液兩相流量的流量來改變氣液兩相流流型。采用200幀/s的高速相機(jī)記錄兩相流動(dòng)狀況。水平管段的典型流型如圖4所示。

通過分析氣液兩相的流量、壓力信號與兩相流流型的對應(yīng)關(guān)系，繪制出流型分布圖如圖5所示。

3 結(jié)論

以兩相流的流動(dòng)狀態(tài)監(jiān)控、參數(shù)提取與存儲(chǔ)和流型分布研究為主要目的，以PLC為控制核心，開發(fā)了一套適合于自動(dòng)化專業(yè)工程實(shí)踐的小型兩相流流動(dòng)實(shí)驗(yàn)裝置。利用MCGS組態(tài)界面與PLC的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了對模擬實(shí)驗(yàn)裝置中兩相流典型流型的發(fā)生和控制，并且實(shí)現(xiàn)流量、壓力參數(shù)的檢測。這一小型兩相流實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對于建立兩相流及復(fù)雜工業(yè)生產(chǎn)過程的認(rèn)識、自主實(shí)現(xiàn)模擬工業(yè)過程的檢測和控制技術(shù)具有重要意義。

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〔編輯：劉曉芳〕