基于LabVIEW的换热器性能试验装置测控系统的开发
摘要：介绍基于LabVIEW软件开发平台的换热器试验装置测控系统软件的原理以及系统软件与硬件的构成和工作过程。在软件系统中，集成了实时测量、记录、分析和调节等几大功能模块。通过计算机的多个通信端口，建立计算机与各种试验设 备间的数据通信。在试验过程中，实现计算机控制下的温度、压力和流量等试验参数的实时采集。程序对采集到的数据进行 分析计算后，在计算机触摸显示屏上显示，同时通过计算机输出板卡输出，实现试验工况参数的实时调节，试验操作者也可 以通过计算机触摸显示屏实现对试验设备的操控。强大的功能软件，简化外围设备，提高试验系统的自动化程度和可靠性。 试验结果表明，系统具有测量与控制精度高，工作稳定可靠，自动化程度高，可操作性强等特点,值得在能源、化工等行业 的各种试验系统中应用推广。
0 前言
板翅式换热器因其换热效率高和结构紧凑的特点，广泛地应用到机械、化工和交通等行业中，应用范围越来越宽，重要性也日显突出。对于各种板 翅式换热器的研究趋于深入、范围也日渐广泛[1-2]。 在板翅换热器应用领域，换热介质多种多样，换热器翅片形式也多种多样，并不断有新形式的翅片被采用，对各种形式换热器性能的检测和对其换热能力的把握日显重要。根据用户需要，作者建立了一个换热器性能试验装置。利用此装置，可对换热器的综合性能进行全面地测试，为换热器的新品开发 与改进设计提供设计依据和验证手段。
LabVIEW是美国国家仪器公司推出的一个图形化软件开发环境。LabVIEW不仅可以作为一个开 发平台，应用于一般的数据管理、科学计算等方面应用程序的开发，其最大的优势还在于测控系统的开发。它不仅提供了几乎所有经典的信号处理函数 和大量现代的高级信号分析工具，而且LabVIEW 程序还非常容易和各种数据采集硬件集成，可以和多种主流的工业现场总线通信以及与大多数通用标准的实时数据库连接[3] 。LabVIEW为先进的测试与仪器软件提供了最佳的开发平台，它已经成为图形 化编程语言的工业标准 [4] 。基于LabVIEW开发的测 控系统，在科研与工程的各个领域得到广泛应用。任自中等[5-7] 将虚拟仪器技术应用在内燃机发动机 的性能试验的数据采集与监控系统中，对试验中的 数据进行采集并实时显示。王乐勤等[8]基于LabVIEW平台，开发水泵综合特性测试系统，在试 验工况调节方面取得很好的效果。虚拟仪器技术也 被应用在螺杆泵性能试验和制冷空调的监测等领域[9-10]，取得了不少有益的经验。 本文介绍基于工业控制计算机和LabVIEW软 件平台的试验室测控系统。该系统实现了试验数据的采集记录与分析处理，试验工况参数的调节与控制等各项操作的自动化功能，并可将记录数据自动 生成统一格式的试验报告。试验系统的测控与调节完全实现自动化，操作界面良好，具有使用方便，可靠性高等特点。
1.换热器性能试验系统
因为要对多种介质的换热器进行性能试验，这里为每一种换热介质都建立了一套处理系统，以调节并控制供给试验件的冷却空气、导热油、水和压缩空气等几种介质的温度和流量，满足试验工况的要求。这些介质处理系统可以根据试验需要并联运行，各自独立控制而又相互关联。
2.测控系统的功能及特点
测控系统建立在美国国家仪器公司的 LabVIEW软件平台上，利用计算机触摸显示屏，实现了即时数据的显示和各个设备的开关操作及手动调节操作。系统采用了四线铂电阻温度变送器、压阻式压力和压差传感器、流量传感器，配备有安捷伦公司的34970数据采集仪，进行试验数据的采集 并 向计算机传输；系统还配备有研华公司的 PCI-1751输出板卡，以实现对试验设备的操控。
系统实现了集中控制，具有很强的自动调节功能。对所有设备的开停和调节，都可以在计算机触摸显示屏上完成，使得试验操作轻松简便，减轻了试验人员的劳动强度，大大地提高了工作效率。试验人员通过计算机显示屏，即时了解各个数据采集点返回的温度、压力、压力差和流量等数据，并依此判断试验所处状态，并可以随时实施人工干预。自动调节系统利用计算机程序处理，代替了传统的智能控制仪进行PID计算，计算结果转换成控制信号后，通过输出板卡和转换器输送到各执行设备。在此试验系统中，需要采集并控制的试验参数非常多，采集得到的各参数，都需要与设定参数进行对比、分析与计算，并实施实时控制，采用计算机程序处理，省去了大量的智能控制仪，简化了设备，增强了设备的操作性，提高了控制的可靠性，也降低了成本。
3.试验参数的测试和控制方法
3.1 测试方法
换热器的性能参数主要有换热量和换热器中各介质回路的流动阻力。换热量无法直接测量，需要通过测量温差和流量，按下式计算得到。试验中需要测量的物理量主要有流量、温度、压力和压差。冷却侧空气流量的测量在一个测量风洞中进行。在风洞中的一个横截面上并排装有标准喷嘴，通过测量喷嘴前后的压力差，根据压力差和喷嘴的标准直径计算出空气流量。喷嘴有六个，直径大小不同共计有四种，可以采用不同的组合，以满足测定不同试验空气流量的要求。在喷嘴的前后都装有一段整流装置，以使喷嘴前后的空气流场均匀，保证测量精度。
导热油和水的流量测量采用了电磁质量流量计；压缩空气和涡轮增压空气流量测量采用了电磁涡街流量计；温度测量采用了四线铂电阻温度变送器；压力和压差的测量采用了压阻式压力变送器和差压变送器。这些高精度、高灵敏度传感器的选用，提高了各状态参数数据采集的精度和速率，保证数据采集准确性和即时性。主辅侧换热量按下式计算 pQ=Gc△θ
式中Q——换热器换热量
G——换热介质流量
cp——换热介质比热
△θ——换热介质进出口温度差
3.2数据采集系统
测控系统对各处理系统中换热介质的状态参数实现统一的测量与控制，其硬件连接如下图所示。 测量压力、温度和压缩空气流量的压阻式压力变送器、铂电阻温度变送器以及涡街流量计将反映各物 理量的4～20 mA标准信号传给34970A数据采集仪。计算机通过串口Ⅰ与数据采集仪通信。计算机时钟控制系统，定时发出数据采集的命令，数据采集仪接到命令后，执行一次扫描，并将采集到的一组数据打包，即时向计算机传输。计算机接收到数据后，经过分解、计算转换为相应的物理量，显示在数据显示板上。
测量导热油和水流量的质量流量计与通风机驱 动电动机的变频器，利用一条485数据线，通过 RS232/RS485转换器和串口Ⅱ与计算机通信，实时 向计算机返回数据，并受计算机控制。流量计的数 据采集由计算机控制定时进行，变频器的运转与数 据输出由人工操作，两路设备的通信在程序中实现 交替工作模式。在通信线路被其他设备占用时，设备的通信将执行等待，等待线路空闲后，再实施通信。保证通信线路在任一时间内，只被一路设备使用，以避免因两路设备同时使用通信线路而产生 冲突。
试验系统中一共采用了3台质量流量计，分别 定义为3个不同的地址。流量计的数据保存于其内存储器中，通信时，计算机首先向地址1流量计发 出返回数据的命令，命令发出之后进入等待，当缓 存区中的数据达 到需要的字节长度时，计算机读取 缓存区中全部数据。这样计算机就完成了与地址1 流量计的通信。完成后，计算机开始与地址2流量 计通信。与共计3台流量计的通信完成后，即完成 一次数据采集过程。流量计返回的数据为IEEE浮 点数格式，在计算与存储前，利用一个子VI，将其 转换为十进制数格式。流量数据采用一定时间间隔 的累计流量差与这一间隔时间的比值计算得到(即 平均流量)，这样可以减小因流量波动带来的测量误 差，提高测试精度。随累计流量一同传输到的计算 机的数据还包括瞬时流量、介质温度和密度。
3.3工况的调节与控制
计算机采集到数据后，随即进行分解，将其中 需要控制的温度、压力、流量等参数与设定参数进 行对比，进行比例积分微分(Proportional-integral- differential,PID)计算，计算结果直接输出到调节设 备实施调节。数据采集有一定的时间周期，将数据 采集、PID计算与输出调节做在一个循环程序中， 数据采集后即时进行计算、输出、调节，这样保证 了调节的及时性，减少了试验参数因调节滞后而造 成的波动，取得了较好的控制效果。
在所需要调节的各项参数中，冷却空气的流量通过改变通风机驱动电动机的转速进行调节，冷却空气进风温度主要通过改变排风量和引入新风的量进行调节，并空气系统中采用电加热进行辅助调节，以保证调节精度。导热油、水、压缩空气的利用流量调节阀调节流量，通过改变电加热器的电加热功 率来调节温度。
3.4试验参数、数据记录文件保存
试验系统面对的是多种换热介质，需要设定的 试验参数较多，通常试验周期也较长。往往也会根 据需要，对某一产品进行多次试验。在试验程序中， 设计有试验参数的保存与调用程序。这一部分程序 可为试验提供方便、简化操作，同时也可避免因人 为因素造成参数设定的不统一，保证重复性试验的 一致性。
试验数据记录和试验中其他的一些信息，如试 验产品信息、流量测量喷嘴的选择信息、PID参数 设定值等，都采用文件的方式进行保存与调用。试 验数据文件名和保存路径，由操作者指定。文件名 和保存路径作为一个变量，储存于计算机，在生成 试验报告时，可调用相应的文件。程序可以自动生 成统一格式的试验报告。
3.5操作界面
此控制系统的操作界面较多，主操作界面为控 制设备的开关板和数据显示板。辅助的操作界面， 主要还有试验介质选择、试验参数设定、喷嘴选择、 工况调节、数据记录、产品信息输入与生成报告等 弹出窗口。根据用户的要求，作者建立了中英文两 套控制程序。系统启动时，首先进入一个引导界面， 由操作者选择进入中文或英文控制程序，之后显示介 质选择和参数设定界面，选择、设定完成后，进入主 操作界面。辅助操作界面在程序运行时，根据需要， 可以利用菜单的方式调用，以简化页面，方便使用。 试验参数设定和PID调节板两界面在退出时，设定的参数自动保存于计算机文件，再次调用时，前次设定 的数据，自动显示在界面中，为使用者提供了方便。系统可依据试验操作人员的命令，对当前时间 采集到的一组数据进行记录，也可每间隔10s，连 续记录所有的试验数据。在数据记录的同时，采集 数据的时间也一并被记录下来。试验数据记录保存于计算机，方便查询和分析研究。
4 结论
(1)基于美国NI公司LabVIEW软件平台的换 热器性能试验测控系统，充分利用了软件的强大功 能，通过计算机的多种通信端口，实现了与各种试 验设备的数据通信，并实现了数据通信、设备控制、 数据的采集与记录保存等全面自动化。
(2)完善的 软件，大量减少了外围设备，简化了操作，增强了试验系统的稳定性，提高了设备可靠性。在换热器性能试验系统中，取得了很好的效果。此项试验研究中取得的经验，可以在能源、化工等行业的各种试验系统中应用推广。
参考文献
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