气液两相流PLC控制小型实验装置设计与研究

林剑清++王红一++张牧++郑锡

摘 要：气液两相流是由气液两相物质所组成的流动系统，主要研究气体跟液体这两种不同物质之间的科学问题。气液两相流动态参数的实时监测对于实现生产过程及设备的控制、促进生产工艺和工程设备发展具有重要意义。搭建了以PLC控制为核心的小型两相流实验装置，并设计了基于MCGS组态软件的两相流虚拟仿真实验控制界面，实现了对实验装置中两相流几种典型流型的发生和控制。最后，通过分析大规模实验数据和实验图片，绘制出气液两相流的流型分布图。

关键词：气液两相流；PLC控制；MCGS组态软件；流型

中图分类号：O359+.1 文獻标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.01.026

气液两相流中气液之间的运动规则及其不同运动状态下气液间的相互作用是该课题的主要研究方向之一。随着各类工程的兴起和发展，气液两相流的研究逐渐获得研究者的重视，促使它形成为一门完整的应用基础学科。由于在气液两相流中气液之间存在互相作用，因此气液的流动问题比其单独流动问题更加复杂，两者的本质也有着显著的区别，尤其是其流型的复杂程度和多样性。

气液两相流流型是两相流的构造形式，是气、液两相之间界面分布呈现不同结构形式或不同几何图形的现象。由于气体和液体在一起流动的过程中，两相均可发生形变，且两相界面不断变化，进而两相介质的分布状态也会不断变化，从而导致流型变的复杂化、多样化。不同的流型具有不同的传热等特性，这对于化工、动力等过程的工艺设计也至关重要。对于流型形成机制及其特点的认识，是两相流的机理及其规律研究的重要组成方面，也直接关系到两相流学科中其他问题的分析研究。分析流型就要从气相、液相、气液相三者结合考虑，先判断出流型的种类，再根据各种流型的特点，分析其流动特性。国内外诸多学者对气液两相流流型进行了研究，将气液两相流流型主要分为泡状流、塞状流、弹状流、分层流、波状流、环状流、雾状流。受气液两相流装置性能的限制，这些流型往往不能均被观测到。

本文所设计的气液两相流实验台是一套以PLC为核心，控制气液两相流流型的生成，能够进行气液两相流研究实验的小型两相流实验系统。通过进行两相流实验，认识气液两相流在工业生产中的重要作用，学习判别两相流流型的方法及流型的特征，得到两相流流型分布图，从而运用两相流动理论分析解决工程实际问题。这对于认识两相流及复杂工业生产过程，自主实现模拟工业过程的检测和控制技术具有重要的意义。

1 气液两相流实验系统设计

以PLC控制为核心，主要实现压力、流量各参数的采集，通过对各管道调节阀开度的控制调节各管道流体的流速，来实现气液两相流典型流型的发生和控制。利用MCGS组态软件平台进行组态画面设计，实现各画面之间相互联系，切换方便、快捷。最后，实现PLC硬件控制系统与MCGS控制界面的良好衔接，通过软件界面对PLC控制器进行控制操作。

1.1 两相流物理实验装置设计

物理实验装置管线布局如图1所示。在物理实验系统中加入压力和流量检测仪表，实现对流量、压力参数的实时检测。图2是两相流物理实验装置实物展示。

气液两相流动实验装置的管线需要满足以下要求：①采用透明实验管线，以便观察流动形态的特点；②实验管线要有一定的长度，使进、出口留有适当的稳定段。

实验装置的工作过程如下：①来自空压机的气体经缓冲罐到流量调节阀和气体流量计后进入T形管道与液体混合，然后经过一段管路后进入到观察段。②水流经储水罐经离心泵、流量调节阀和其相应的流量计后与气体在T形管中混合。一方面，垂直向上流动，进入测试段，在测试段观察其流型；另一方面，水平流动，进入水平管道，在测试段观察流型。③流出测试段的气液混合物中，空气排入大气，水流回储水罐，可以循环实验。

1.2 PLC控制系统设计

通过PLC为控制实验系统中气体和液体流量，实现流量、压力等检测参数的记录。本系统所采用的PLC控制模块是罗克韦尔AB（Micro830）。本系统的PLC编程任务主要有以下3个方面。

1.2.1 水气两路电磁阀的开度控制

由于AB Micro830仅有6个输出端口，为保证系统功能的完整实现，我们将水路和气路上的电磁阀分别由2个不同的开关控制开闭。在编写梯形图程序时，使用辅助触点实现1个开关控制2个电磁阀的同时开闭。

1.2.2 变频器控制水流量

变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置，能实现对交流异步电机的软起动、变频调速、提高运转精度、改变功率因素、过流/过压/过载保护等功能。本系统采用PLC编程的通信方式控制变频器，从而调节三相异步电动机的转速。

1.2.3 传感器数据采集控制

本系统使用的传感器主要有浮子流量计、涡轮流量计、压力变送器等。各传感器的测量数据均通过PLC采集，传感器的模拟量在传送到PLC后需要进行数值转换。

1.3 MCGS虚拟组态界面设计

根据控制要求，利用MCGS组态软件进行控制界面设计，主要完成组态界面与PLC控制器之间的通信连接、数据传送，以达到对气液两相流物理实验装置中各个对象进行上位机控制的目的。图3为MCGS虚拟组态的主控界面。

在MCGS组态软件系统中，由设备窗口负责建立系统与外部硬件设备的连接，使得MCGS能从外部设备读取数据并控制外部设备的工作状态，实现对应实验过程的实时监控。通过虚拟仿真软件MCGS与PLC的通讯，实现PLC对电磁阀的控制以及压力、流量等参数的采集与存储，最终实现利用MCGS虚拟仿真界面控制物理模拟实验过程。在调试途中，依据“先局部后整体”的原则，首先对气液两相流物理实验装置中数据采集、流量调节，泵控制分别进行检定、调试，然后进行整个控制系统的试运行，检查其中的错误并改正，最终保证该控制系统能够正常运行。

2 气液两相流流型实验结果分析

本测试装置侧重于观察管道内部两相流流动状态的演化过程。由于流体流动速度较快，人眼或者普通相机难以捕捉到流型状态，所以可采用高速相机来观察和捕捉典型的流型。

实验过程中，通过MCGS虚拟组态软件控制气、液两相流量的流量来改变气液两相流流型。采用200帧/s的高速相机记录两相流动状况。水平管段的典型流型如图4所示。

通过分析气液两相的流量、压力信号与两相流流型的对应关系，绘制出流型分布图如图5所示。

3 结论

以两相流的流动状态监控、参数提取与存储和流型分布研究为主要目的，以PLC为控制核心，开发了一套适合于自动化专业工程实践的小型两相流流动实验装置。利用MCGS组态界面与PLC的结合，实现了对模拟实验装置中两相流典型流型的发生和控制，并且实现流量、压力参数的检测。这一小型两相流实验系统对于建立两相流及复杂工业生产过程的认识、自主实现模拟工业过程的检测和控制技术具有重要意义。

参考文献

[1]陈学俊，陈立勋，周芳德.气液两相流与传热基础[M].北京：科学出版社，1995.

[2]劳力云，郑之初，吴应湘，等.关于气液两相流流型及其判别的若干问题[J].力学进展，2002，32（2）.

[3]梁法春，王栋，杨桂云，等.气液两相流临界分配特性及相分离控制[J].西安交通大学学报，2015，49（1）.

[4]Barnea D.A unified model for predicting flow-pattern transitions for the whole range of pipe inclinations. International Journal of Multiphase Flow，1987，13（1）.

[5]Guilizzoni M.Flow pattern identification in gas–liquid flows by means of phase density imaging.International Journal of Multiphase Flow，2013，51（5）.

[6]Duan R，Yu D，Wu H，et al.Optical method for flow patterns discrimination，slug and pig detection in horizontal gas liquid pipe.Flow Measurement & Instrumentation，2013，32（8）.

[7]Zhou Y，Li H，Miao Y.A new method for the study of two-phase flow patterns based on the chaotic characteristic method of image fields.Flow Measurement & Instrumentation，2013，30（6）.

[8]Banasiak R，Wajman R，Jaworski T，et al.Study on two-phase flow regime visualization and identification using 3D electrical capacitance tomography and fuzzy-logic classification.International Journal of Multiphase Flow，2014，58（1）.

[9]Li W，Zhong W，Jin B，et al.Flow patterns and transitions in a rectangular three-phase bubble column.Powder Technology，2014，260（7）.

[10]Oliveira W R D，Paula I B D，Martins F J W A，et al.Bubble characterization in horizontal air–water intermittent flow.International Journal of Multiphase Flow，2015（9）.

〔編辑：刘晓芳〕