基于虛擬儀器的核能海水淡化實(shí)驗(yàn)測(cè)控平臺(tái)

·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(xué)核能與新能源技術(shù)研究院

應(yīng)用領(lǐng)域：

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試
使用的產(chǎn)品：美國(guó)NI 公司的LabVIEW6i，PXI-1010，PCI板卡數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，SCXI-1102B，MXI-3，NI-4351（PXI），NI-6031E（PXI）
挑戰(zhàn)：快速開發(fā)基于虛擬儀器的核能海水淡化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的測(cè)量和監(jiān)控系統(tǒng)，高效實(shí)時(shí)的測(cè)量和監(jiān)控實(shí)驗(yàn)中各種溫度、壓力、流量、壓降及液位等并可進(jìn)行連續(xù)的數(shù)據(jù)采集和記錄。
應(yīng)用方案：用美國(guó)NI 公司LabVIEW 系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)、先進(jìn)的PXI 測(cè)量和數(shù)據(jù)采集技術(shù)和壓力傳感器及熱電偶等，開發(fā)了基于虛擬儀器的核能海水淡化實(shí)驗(yàn)測(cè)控平臺(tái)，有效的解決了實(shí)驗(yàn)的測(cè)量問題。

介紹
　　為了研究豎直蒸發(fā)管高溫多效海水淡化（VTE—MED）系統(tǒng)的工藝流程和關(guān)鍵工藝技術(shù)及穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)候的熱工水力學(xué)參數(shù)影響等，清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院建立了大型雙塔4效高溫多效海水淡化實(shí)驗(yàn)裝置。為了測(cè)量各部位的溫度、壓強(qiáng)及流量等熱工參數(shù)，建立了基于虛擬儀器的海水淡化實(shí)驗(yàn)測(cè)控平臺(tái)。使用高精度的數(shù)據(jù)采集板及計(jì)算機(jī)等并在LabVIEW平臺(tái)中實(shí)現(xiàn)了將傳感器及熱電偶的電壓信號(hào)采集、輸出存儲(chǔ)和分析。
測(cè)量系統(tǒng)組成
　　VTE-MED海水淡化系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)回路是一個(gè)十分復(fù)雜的熱工回路。需要測(cè)量和監(jiān)控的熱工水力學(xué)參數(shù)有流量壓力溫度等，分布于系統(tǒng)的各個(gè)部位，如圖1就是用LabVIEW做得測(cè)量系統(tǒng)的示意以及部分熱工參數(shù)分布圖。

圖1 海水淡化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)流程示意圖

　　整個(gè)熱工測(cè)控系統(tǒng)由美國(guó)NI 公司的LabVIEW6i，PXI-1010，PCI板卡數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，SCXI-1102B，MXI-3， NI-6031E（PXI），壓力傳感器，熱電偶，工業(yè)控制計(jì)算機(jī)以及激光打印機(jī)等組成。系統(tǒng)構(gòu)成框圖如圖2。
現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量?jī)x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(cè)量精度均為0.25%；流量采用金屬轉(zhuǎn)子流量計(jì)；溫度測(cè)量采用NiCr-NiSi鎧裝熱電偶，經(jīng)互校標(biāo)定后精度在1 °C之內(nèi)。
　　實(shí)驗(yàn)裝置的數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)采用虛擬儀器測(cè)量平臺(tái)。由壓力傳感器和轉(zhuǎn)子流量計(jì)采用24V直流電源統(tǒng)一供電，輸出信號(hào)為4~20mA，然后經(jīng)過250Ω標(biāo)準(zhǔn)電阻變換成1~5V電壓信號(hào)后接入一塊6031E的板卡進(jìn)入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。現(xiàn)場(chǎng)安裝的鎧裝熱電偶經(jīng)補(bǔ)償導(dǎo)線接入一個(gè)溫度采集系統(tǒng)然后接入另一塊6031E板卡進(jìn)行調(diào)理。
通過采用精密的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量?jī)x表和NI公司的16位高速高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，最高采集速度達(dá)100kbps/channel，完全保證了實(shí)驗(yàn)動(dòng)態(tài)參數(shù)的采集和處理要求。

圖2 海水淡化實(shí)驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)構(gòu)成圖

基于虛擬儀器的海水淡化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)測(cè)控平臺(tái)
　　該平臺(tái)整體系統(tǒng)采用美國(guó)國(guó)家儀器公司的虛擬儀器專用開發(fā)平臺(tái)LabVIEW 6i系統(tǒng)。LabVIEW 6i系統(tǒng)采用圖形化變成語言，簡(jiǎn)單易學(xué)并且還提供了強(qiáng)大的圖形和分析功能，使得測(cè)控系統(tǒng)直觀方便和高效。
實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)測(cè)控平臺(tái)的用戶界面采用LabVIEW的標(biāo)簽翻頁(yè)功能,監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功能一目了然，各界面之間的相互關(guān)系層次清晰，選用方便。
　　實(shí)驗(yàn)測(cè)控系統(tǒng)參數(shù)列表輸出用戶界面如圖3。界面主要部分為實(shí)時(shí)參數(shù)表。包括了56個(gè)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量通道的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)測(cè)量顯示。各個(gè)數(shù)據(jù)包括通道、名稱、測(cè)量數(shù)據(jù)及單位等。在通道一欄還包括了一些必要的報(bào)警指示。當(dāng)某些數(shù)據(jù)產(chǎn)生異常時(shí)候輸出閃爍標(biāo)志。對(duì)于個(gè)別對(duì)于實(shí)驗(yàn)安全有影響的參數(shù)專門設(shè)置了報(bào)警程序，在控制室和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)都有警鈴報(bào)警。

圖3 測(cè)量平臺(tái)界面圖

　　實(shí)驗(yàn)中一些重要數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)對(duì)實(shí)驗(yàn)調(diào)試和實(shí)驗(yàn)結(jié)果都有很大的影響，為了形象的觀測(cè)這些變化趨勢(shì)，實(shí)驗(yàn)測(cè)控系統(tǒng)編制了一些參數(shù)的實(shí)時(shí)曲線圖，如圖4所示就是實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中各部分流量的實(shí)時(shí)曲線。對(duì)于系統(tǒng)中比較重要的參數(shù)比如關(guān)鍵部位的液位，各效壓降壓力等都編制了實(shí)時(shí)曲線，通過這些曲線的監(jiān)測(cè)可以有效的控制系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，方便的進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的調(diào)解工作。

圖4 實(shí)驗(yàn)參數(shù)實(shí)時(shí)曲線

　　為了清晰體現(xiàn)系統(tǒng)各部分參數(shù)測(cè)點(diǎn)，測(cè)控平臺(tái)還編制了多個(gè)系統(tǒng)重要參數(shù)圖。通過LabVIEW強(qiáng)大的圖形功能可以形象地顯示出整個(gè)系統(tǒng)的流程和測(cè)點(diǎn)等。圖1就是測(cè)量平臺(tái)上系統(tǒng)流程示意圖之一。

基于虛擬儀器的海水淡化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)測(cè)控平臺(tái)和一般測(cè)控平臺(tái)比較
　　海水淡化是985 項(xiàng)目的重大課題之一, 測(cè)量信號(hào)多, 有溫度、流量、液位、壓力和壓差信號(hào)等。由于采用LabVIEW開發(fā)平臺(tái)和NI的PXI測(cè)控平臺(tái)的強(qiáng)大數(shù)據(jù)采集和信號(hào)處理功能, 在較短的時(shí)間內(nèi)完成了該實(shí)驗(yàn)的測(cè)試系統(tǒng)。
　　采用PXI測(cè)控平臺(tái)和LabVIEW開發(fā)工具使得各種不同的信號(hào)可以統(tǒng)一在一個(gè)程序里面實(shí)現(xiàn)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(shù)據(jù)采集板和其他的開發(fā)工具則很難快速高效和直觀的實(shí)現(xiàn)這些功能。
　　海水淡化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)測(cè)控平臺(tái)還備有一套使用RS-232串行通信的數(shù)據(jù)采集卡和使用Visual Basic開發(fā)的測(cè)量平臺(tái)。和基于虛擬儀器的測(cè)控平臺(tái)相比，串行通信數(shù)據(jù)采集在本實(shí)驗(yàn)中功能的實(shí)現(xiàn)和維護(hù)都存在很大的差距。
　　首先，使用串行通信的這套數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由于測(cè)量通道有限無法把熱電偶產(chǎn)生的信號(hào)和其余的1~5V電壓信號(hào)同時(shí)采集。而必須分在兩個(gè)采集程序里面實(shí)現(xiàn)。
　　其次串行通信的數(shù)據(jù)采集程序開發(fā)不如使用LabVIEW開發(fā)的基于虛擬儀器的熱工測(cè)量平臺(tái)簡(jiǎn)單方便。LabVIEW是圖形化編程語言，簡(jiǎn)單易用。適于一般的工程師開發(fā)。而串行通信采用Visual Basic開發(fā)語言，必須熟悉編程語言的專門人員編寫。 　由于LabVIEW強(qiáng)大的圖形和分析功能，使得開發(fā)人員可以很容易設(shè)計(jì)出實(shí)用直觀而且功能強(qiáng)大的采集程序。比如一般的工程師通過使用LabVIEW開發(fā)系統(tǒng)在基于虛擬儀器的熱工測(cè)控平臺(tái)中可以很方便的實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單明了的實(shí)時(shí)曲線的設(shè)計(jì)和畫出系統(tǒng)流程圖以及設(shè)置一些報(bào)警裝置等。而對(duì)于一般的工程師用Visual Basic開發(fā)系統(tǒng)開發(fā)串行通信的數(shù)據(jù)采集程序?qū)@些功能則很難實(shí)現(xiàn)。而必須比較專業(yè)的程序員才可以很好的實(shí)現(xiàn)上述功能。
　　并且由于開發(fā)環(huán)境的不同，兩者開發(fā)的采集程序界面也很不相同。如圖5是使用串行通信進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)采集的開發(fā)界面。與前面的LabVIEW開發(fā)的應(yīng)用程序界面相比這個(gè)應(yīng)用程序界面遠(yuǎn)沒有后者直觀清晰。實(shí)時(shí)曲線顯示也不夠清晰明了。而系統(tǒng)流程圖等就更加難以實(shí)現(xiàn)。
　　可見LabVIEW開發(fā)平臺(tái)在簡(jiǎn)單易用，功能強(qiáng)大，界面友好方面都有很大的優(yōu)勢(shì)。
　　在采集速度和精度上，兩種平臺(tái)的差異也很大，基于虛擬儀器的熱工測(cè)控平臺(tái)采用16位的高速高精度采集模塊，精度和速度都優(yōu)于一般的串行通信數(shù)采設(shè)備。
　　另外基于虛擬儀器的熱工測(cè)控平臺(tái)在Data Socket 技術(shù)支持下, 很容易的實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)化, 實(shí)驗(yàn)室內(nèi)和遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)終端都能實(shí)時(shí)讀取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù), 實(shí)時(shí)了解實(shí)驗(yàn)進(jìn)展, 而使用VB開發(fā)的實(shí)驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)則很難實(shí)現(xiàn)這種網(wǎng)絡(luò)功能。

圖5 用 VB開發(fā)的串行通信數(shù)據(jù)采集程序

結(jié)論
　　通過應(yīng)用美國(guó)NI 公司的LabVIEW 和PXI 等先進(jìn)的虛擬儀器技術(shù)，在較短時(shí)間內(nèi)，成功開發(fā)了基于虛擬儀器的海水淡化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)測(cè)控平臺(tái)。通過使用先進(jìn)的數(shù)據(jù)采集模塊和功能齊全的的LabVIEW開發(fā)環(huán)境，這個(gè)測(cè)控平臺(tái)可以方便直觀高效的完成VTE-MED海水淡化系統(tǒng)這個(gè)復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)回路的各種熱工水力學(xué)參數(shù)的測(cè)量和實(shí)驗(yàn)監(jiān)控。LabVIEW易學(xué)易用的特點(diǎn)使得開發(fā)人員大大減少了開發(fā)時(shí)間，提高了工作效率。而LabVIEW開發(fā)平臺(tái)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫(kù)和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用功能模塊也使得測(cè)控系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)處理方面都表現(xiàn)出很大的優(yōu)勢(shì)。