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

摘要：為了測(cè)量大型雙塔4效高溫多效海水淡化實(shí)驗(yàn)裝置各部位的溫度、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。成功解決了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的測(cè)量和監(jiān)控合乎邏輯。 關(guān)鍵詞：多塔高溫多效海水淡化系統(tǒng) 虛擬儀器 LabVIEW 數(shù)據(jù)采集 為了研究豎直蒸發(fā)管高溫多效海水淡化（VTEMED）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)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。 1 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，共56通道，分布于系統(tǒng)的各個(gè)部位。圖1就是用LabVIEW做的測(cè)量系統(tǒng)的示意以及部分熱工參數(shù)分布圖。 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℃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；經(jīng)過(guò)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)?，F(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。圖1通過(guò)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。 2 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)NI公司的虛擬儀器專用開(kāi)發(fā)平臺(tái)LabVIEW 6i系統(tǒng)。LabVIEW 6i系統(tǒng)采用圖形化編程語(yǔ)言，簡(jiǎn)單易學(xué)并且提供了強(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，使得監(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。 界面主要部分為實(shí)時(shí)參數(shù)表，包括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)輸出閃爍標(biāo)志。對(duì)于個(gè)別對(duì)實(shí)驗(yàn)安全有影響的參數(shù)專門(mén)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。 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。為了形象地觀測(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。對(duì)于系統(tǒng)中比較重要的參數(shù)例如關(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(guò)這些曲線的監(jiān)測(cè)可以有效地控制系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，方便實(shí)驗(yàn)的調(diào)解工作。 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)分布示意圖。通過(guò)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。 3 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 海水淡化是清華大學(xué)985項(xiàng)目的重要課題之一，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(kāi)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)完成了核實(shí)驗(yàn)的測(cè)試系統(tǒng)。 采用PXI測(cè)控平臺(tái)和LabVIEW開(kāi)發(fā)工具使得各種不同的信號(hào)可經(jīng)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)采集和其他的開(kāi)發(fā)工具則很難快速、高效和直觀地實(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(kāi)發(fā)的測(cè)量平臺(tái)。與基于虛擬儀器的測(cè)量平臺(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(wú)法把熱電偶產(chǎn)生的這套數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由于測(cè)量通道有限，無(wú)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)采集程序里實(shí)現(xiàn)。 其次串行通信的數(shù)據(jù)采集程序開(kāi)發(fā)不如使用LabVIEW開(kāi)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(yǔ)言，簡(jiǎn)單易用，適于一般的工程師開(kāi)發(fā)。而串行通信采用Visual Basic開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，必須由熟悉編程語(yǔ)言的專門(mén)人員編寫(xiě)。 由于LabVIEW強(qiáng)大的圖形和分析功能，使得開(kāi)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。例如一般的工程師通過(guò)使用LabVIEW開(kāi)發(fā)系統(tǒng)在基于虛擬儀器的熱工測(cè)控平臺(tái)中可以很方便地實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單明了的實(shí)時(shí)曲線的設(shè)計(jì)，畫(huà)出系統(tǒng)流程圖以及設(shè)置一些報(bào)警裝置等。一般的工程師用Visual Basic開(kāi)發(fā)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)串行通信的數(shù)據(jù)采集程序，很難實(shí)時(shí)這些功能。而必須由比較專業(yè)的程序員才可以很好地實(shí)現(xiàn)上述功能。 并且由于開(kāi)發(fā)環(huán)境的不同，兩者開(kāi)發(fā)的采集程序界面也很不相同。與LabVIEW開(kāi)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(méi)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(jiàn)LabVIEW開(kāi)發(fā)平臺(tái)在簡(jiǎn)單易用、功能強(qiáng)大、界面友好方便都有很大的優(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，很容易地實(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(kāi)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。 通過(guò)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(kāi)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(guò)使用先進(jìn)的數(shù)據(jù)采集模塊和功能齊全的LabVIEW開(kāi)發(fā)環(huán)境，本測(cè)控平臺(tái)可以方便、直觀、高效地完成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(kāi)發(fā)人員大大減少了開(kāi)發(fā)時(shí)間，提高了工作效率。而LabWIEW開(kāi)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)。 linux操作系統(tǒng)文章專題:linux操作系統(tǒng)詳解（linux不再難懂）