基于力控的管外强化换热实验台控制系统开发

王 建， 陶乐仁， 张宗楠

(上海理工大学能源与动力工程学院，上海 200093)

0 引言

换热器广泛应用于我国国民经济的各行各业中，如动力、核能、石油、化工、制冷、航天工业等[1]。换热器的性能优越对于这个行业来说至关重要。换热性能好、强化传热就意味着节能，小到企业效益，大到国家能源问题全球能源问题都有重要意义。强化换热技术作为一种能显著改善传热性能的节能技术越来越受到人们的重视，其主要是通过使用强化换热元件、改进换热器结构、提高传热效率，从而提高能源使用率，达到节约成本的目的[2]。同时，对于替代制冷剂在高效换热管内的传热特性研究也非常重要，因为高效换热铜管的设计与优化都需要这些数据。目前对于制冷剂传热性能的研究主要包括:管内冷凝、沸腾，管外冷凝、沸腾[3]，而国内对于管外强化传热的研究还多。

本文研究了一种基于力控组态软件的单管管外强化换热实验台，通过传感器测量各项参数，利用数据采集器将传感器采集的信号进行集中处理后，基于MPI通讯协议与上位机进行实时通讯，上位机组态软件处理并自动保存测试数据，可得到各性能参数的曲线和报表，显著提高了测试效率和自动化程度。

1 试验系统

如图1所示，自行设计的一台集蒸发和冷凝为一体的管外蒸发、冷凝实验台，采用隔膜泵为系统的循环动力，代替传统的压缩机，既可以适用各种不同的制冷剂又可以避免润滑油对实验结果准确性的影响。测试实验段采用管壳式换热器，壳体大空间内走氟利昂制冷剂，管内走水，水与制冷剂进行热量交换。冷凝实验时，加热器H1把水加热通过换热器4与制冷剂换热使制冷剂蒸发，在试验段，冷却水把制冷剂蒸汽冷凝成液体。蒸发实验时，制冷剂液体在试验段被加热蒸发，蒸发的制冷剂气体经过换热器2时被冷凝成液体回到储液器。实验中冷水机组提供冷却液，为乙二醇和水的混合液，冷凝实验时和换热器1进行热交换;蒸发实验时，冷却液和换热器2进行热交换。

图1 实验装置系统

2 实验台硬件设计

图2 测控系统硬件示意图

本实验台测试系统包括PC机控制面板、西门子PLC、Pt100铂电阻、压力传感器、压力变速器、电磁流量计、质量流量计、电加热器、循环水泵、制冷剂泵、冷水机组等，如图2所示。上位机通过MPI通信协议把各种开关量信号输入到PLC中，PLC接收到上位机发送的信号后通过已编好的程序对试验台的各个开关量进行逻辑控制起停，以实现上位机对实验台的自动控制[4-6]。同时，各个温度、压力、流量等信号也通过MPI通信协议传送到上位机组态软件，以实现上位机的数据采集功能。

3 实验台测控系统软件设计

组态软件是对数据采集与过程控制的专用软件，它们是在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境，能以灵活多样的组态方式提供良好的用户开发界面和简捷的使用方法，解决了控制系统的通用性问题[7-8]。其预设置的各种软件模块可以非常容易地实现和完成监控层的各项功能，并能同时支持各种硬件厂家的计算机和I/O产品，与高可靠的工控计算机和网络系统结合，可向控制层和管理层提供软硬件的全部接口，进行系统集成[9]。

此实验台的软件设计主要包括图形界面开发、I/O设备组态、数据库组态和动画连接四部分。

3.1 图形界面开发

力控组态软件具有功能强大的图形开发环境Draw，采用面向对象的图形开发技术创建人机界面系统和高可靠性快速性的图形界面运行系统View，用来运行Draw创建的图形窗口[10-11]。实验中将采集到的数据在组态软件中进行显示和处理，实现实验台各项参数的实时监控、趋势曲线的显示和报表查询的生成等功能。

根据此实验系统的特点，利用Forcecontrol 6.1设计的系统图形界面如图3所示，图形界面中设计了冷水机组、板式换热器、制冷剂泵、水泵、加热器水罐、视液境、电磁阀、电动三通阀、球阀、温度感应器、压力感应器、管道以及画面自动切换按钮、实时温度曲线、压焓图等模块。通过友好的用户界面，用户可以方便地设定要求的工况进行实验，并对实验过程中的各项控制参数进行实时记录和存储。

3.2 I/O设备组态

I/O设备组态是对包括应用程序的软件设备和现场采集交换数据的硬件设备在内的广义上的I/O设备的驱动程序进行配置，使其与组态软件进行通信构成一个完整的系统[12-13]。I/O设备配置完成后就可以在创建I/O数据连接的过程中使用这些设备。此实验台控制中，I/O设备组态通讯协议选择西门子S7-300/400(MPI)，通讯方式为同步(板卡、适配器、API等)，如图4所示。

3.3 数据库组态

图3 实验台监控图形界面

图4 I/O设备组态及其配置

实时数据库是整个监控系统的核心，它负责整个系统的实时数据处理和历史数据的存储，统计数据处理及报警信息处理，数据服务请求处理，完成过程数据的双向数据通信[14]。力控实时数据库是以点为数据对象来索引数据的，一个点由若干参数组成，系统以点参数为单位存放各种信息。在力控软件中，进入数据库组态后，分别建立数据采集和控制的数据点，选择模拟I/O点，输入点名、说明，并与已定义好的I/O设备进行连接。创建完成后的数据库如图5所示。

图5 数据库组态

3.4 动画连接

动画连接是指画面中的图形对象对变量或表达式的对应关系，建立连接后在监控系统运行时根据变量或表达式的数据变化，图形对象改变其颜色、大小等外观，文本会动态刷新[15]。建立了动画连接后，计算机图形界面就可将实验中的数据进行真实显示，实现实时刷新。以温度显示为例，如图6所示，在数值输出中选择“模拟”选项，并双击，弹出“模拟量输出”对话框，在“选择变量”中即可选择相应的要输出的变量，设置完成后即可实现对温度的实时监控。

图6 动画连接

4 结语

力控组态软件是一种集网络技术、数据库技术、总线技术和COM技术与一体的大型应用软件系统[16]。本文介绍了基于力控组态软件而开发的单管管外强化换热实验台监控系统，实现了实验台的数据采集、自动控制与监控，显著提高了测试效率。测试平台能够对各项参数进行全面的检测，并具有完善的数据处理分析功能。实际运行表明，系统可以很快达到平衡状态，对于温度、压力等数据的测量精度很高，且操作简单，界面直观方便，自动化程度高。

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