·Measurement and control platform for the experiment of desalination based on virtual instruments
作者：宋二猛 賈海軍
清華大學核能與新能源技術研究院

應用領域：

現場測試
使用的產品：美國NI 公司的LabVIEW6i，PXI-1010，PCI板卡數據采集系統，SCXI-1102B，MXI-3，NI-4351（PXI），NI-6031E（PXI）
挑戰：快速開發基于虛擬儀器的核能海水淡化實驗系統的測量和監控系統，高效實時的測量和監控實驗中各種溫度、壓力、流量、壓降及液位等并可進行連續的數據采集和記錄。
應用方案：用美國NI 公司LabVIEW 系統開發平臺、先進的PXI 測量和數據采集技術和壓力傳感器及熱電偶等，開發了基于虛擬儀器的核能海水淡化實驗測控平臺，有效的解決了實驗的測量問題。

介紹
　　為了研究豎直蒸發管高溫多效海水淡化（VTE—MED）系統的工藝流程和關鍵工藝技術及穩定運行時候的熱工水力學參數影響等，清華大學核能與新能源技術研究院建立了大型雙塔4效高溫多效海水淡化實驗裝置。為了測量各部位的溫度、壓強及流量等熱工參數，建立了基于虛擬儀器的海水淡化實驗測控平臺。使用高精度的數據采集板及計算機等并在LabVIEW平臺中實現了將傳感器及熱電偶的電壓信號采集、輸出存儲和分析。
測量系統組成
　　VTE-MED海水淡化系統的實驗回路是一個十分復雜的熱工回路。需要測量和監控的熱工水力學參數有流量壓力溫度等，分布于系統的各個部位，如圖1就是用LabVIEW做得測量系統的示意以及部分熱工參數分布圖。

圖1 海水淡化實驗系統流程示意圖

　　整個熱工測控系統由美國NI 公司的LabVIEW6i，PXI-1010，PCI板卡數據采集系統，SCXI-1102B，MXI-3， NI-6031E（PXI），壓力傳感器，熱電偶，工業控制計算機以及激光打印機等組成。系統構成框圖如圖2。
現場測量儀表盡量采用高精度、高可靠性的的儀表。具體用到的有：壓力和差壓傳感器采用1151系列電容式壓力、差壓傳感器，測量精度均為0.25%；流量采用金屬轉子流量計；溫度測量采用NiCr-NiSi鎧裝熱電偶，經互校標定后精度在1 °C之內。
　　實驗裝置的數據采集及處理系統采用虛擬儀器測量平臺。由壓力傳感器和轉子流量計采用24V直流電源統一供電，輸出信號為4~20mA，然后經過250Ω標準電阻變換成1~5V電壓信號后接入一塊6031E的板卡進入數據采集系統。現場安裝的鎧裝熱電偶經補償導線接入一個溫度采集系統然后接入另一塊6031E板卡進行調理。
通過采用精密的現場測量儀表和NI公司的16位高速高精度數據采集系統，最高采集速度達100kbps/channel，完全保證了實驗動態參數的采集和處理要求。

圖2 海水淡化實驗測量系統構成圖

基于虛擬儀器的海水淡化實驗系統測控平臺
　　該平臺整體系統采用美國國家儀器公司的虛擬儀器專用開發平臺LabVIEW 6i系統。LabVIEW 6i系統采用圖形化變成語言，簡單易學并且還提供了強大的圖形和分析功能，使得測控系統直觀方便和高效。
實驗系統測控平臺的用戶界面采用LabVIEW的標簽翻頁功能,監測系統的功能一目了然，各界面之間的相互關系層次清晰，選用方便。
　　實驗測控系統參數列表輸出用戶界面如圖3。界面主要部分為實時參數表。包括了56個現場測量通道的實時數據測量顯示。各個數據包括通道、名稱、測量數據及單位等。在通道一欄還包括了一些必要的報警指示。當某些數據產生異常時候輸出閃爍標志。對于個別對于實驗安全有影響的參數專門設置了報警程序，在控制室和實驗現場都有警鈴報警。

圖3 測量平臺界面圖

　　實驗中一些重要數據的變化趨勢對實驗調試和實驗結果都有很大的影響，為了形象的觀測這些變化趨勢，實驗測控系統編制了一些參數的實時曲線圖，如圖4所示就是實驗系統中各部分流量的實時曲線。對于系統中比較重要的參數比如關鍵部位的液位，各效壓降壓力等都編制了實時曲線，通過這些曲線的監測可以有效的控制系統的穩定運行，方便的進行實驗的調解工作。

圖4 實驗參數實時曲線

　　為了清晰體現系統各部分參數測點，測控平臺還編制了多個系統重要參數圖。通過LabVIEW強大的圖形功能可以形象地顯示出整個系統的流程和測點等。圖1就是測量平臺上系統流程示意圖之一。

基于虛擬儀器的海水淡化實驗系統測控平臺和一般測控平臺比較
　　海水淡化是985 項目的重大課題之一, 測量信號多, 有溫度、流量、液位、壓力和壓差信號等。由于采用LabVIEW開發平臺和NI的PXI測控平臺的強大數據采集和信號處理功能, 在較短的時間內完成了該實驗的測試系統。
　　采用PXI測控平臺和LabVIEW開發工具使得各種不同的信號可以統一在一個程序里面實現方便的采集和保存。并且采集精度高，界面友好直觀。而采用一般的數據采集板和其他的開發工具則很難快速高效和直觀的實現這些功能。
　　海水淡化實驗系統測控平臺還備有一套使用RS-232串行通信的數據采集卡和使用Visual Basic開發的測量平臺。和基于虛擬儀器的測控平臺相比，串行通信數據采集在本實驗中功能的實現和維護都存在很大的差距。
　　首先，使用串行通信的這套數據采集系統由于測量通道有限無法把熱電偶產生的信號和其余的1~5V電壓信號同時采集。而必須分在兩個采集程序里面實現。
　　其次串行通信的數據采集程序開發不如使用LabVIEW開發的基于虛擬儀器的熱工測量平臺簡單方便。LabVIEW是圖形化編程語言，簡單易用。適于一般的工程師開發。而串行通信采用Visual Basic開發語言，必須熟悉編程語言的專門人員編寫。 　由于LabVIEW強大的圖形和分析功能，使得開發人員可以很容易設計出實用直觀而且功能強大的采集程序。比如一般的工程師通過使用LabVIEW開發系統在基于虛擬儀器的熱工測控平臺中可以很方便的實現簡單明了的實時曲線的設計和畫出系統流程圖以及設置一些報警裝置等。而對于一般的工程師用Visual Basic開發系統開發串行通信的數據采集程序對這些功能則很難實現。而必須比較專業的程序員才可以很好的實現上述功能。
　　并且由于開發環境的不同，兩者開發的采集程序界面也很不相同。如圖5是使用串行通信進行溫度數據采集的開發界面。與前面的LabVIEW開發的應用程序界面相比這個應用程序界面遠沒有后者直觀清晰。實時曲線顯示也不夠清晰明了。而系統流程圖等就更加難以實現。
　　可見LabVIEW開發平臺在簡單易用，功能強大，界面友好方面都有很大的優勢。
　　在采集速度和精度上，兩種平臺的差異也很大，基于虛擬儀器的熱工測控平臺采用16位的高速高精度采集模塊，精度和速度都優于一般的串行通信數采設備。
　　另外基于虛擬儀器的熱工測控平臺在Data Socket 技術支持下, 很容易的實現了實驗網絡化, 實驗室內和遠程網絡終端都能實時讀取實驗數據, 實時了解實驗進展, 而使用VB開發的實驗測量系統則很難實現這種網絡功能。

圖5 用 VB開發的串行通信數據采集程序

結論
　　通過應用美國NI 公司的LabVIEW 和PXI 等先進的虛擬儀器技術，在較短時間內，成功開發了基于虛擬儀器的海水淡化實驗系統測控平臺。通過使用先進的數據采集模塊和功能齊全的的LabVIEW開發環境，這個測控平臺可以方便直觀高效的完成VTE-MED海水淡化系統這個復雜的實驗回路的各種熱工水力學參數的測量和實驗監控。LabVIEW易學易用的特點使得開發人員大大減少了開發時間，提高了工作效率。而LabVIEW開發平臺強大的數據庫和網絡應用功能模塊也使得測控系統在網絡和數據處理方面都表現出很大的優勢。