基于虛擬儀器的核能海水談化實(shí)驗測控平臺

摘要：為了測量大型雙塔4效高溫多效海水淡化實(shí)驗裝置各部位的溫度、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(shí)驗測控平臺。使用高精度數據采集板及計算機等并在LabVIEW平臺中實(shí)現了將傳感器及熱電偶的電壓信號采集、輸出、存儲和分析。成功解決了實(shí)驗系統的測量和監控合乎邏輯。 關(guān)鍵詞：多塔高溫多效海水淡化系統 虛擬儀器 LabVIEW 數據采集 為了研究豎直蒸發(fā)管高溫多效海水淡化（VTEMED）系統的工藝流程和關(guān)鍵工藝技術(shù)及穩定運行時(shí)的熱工水力學(xué)參數影響等，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(shí)驗測控平臺。使用高精度數據采集板及計算機等并在LabVIEW平臺中實(shí)現了將傳感器及熱電偶的電壓信號采集、輸出、存儲和分析。 1 測量系統組成 VTE-MED海水淡化系統的實(shí)驗回路是一個(gè)十分復雜的熱工回路。需要測量和監控的熱工水力學(xué)參數有流量、壓力、溫度等，共56通道，分布于系統的各個(gè)部位。圖1就是用LabVIEW做的測量系統的示意以及部分熱工參數分布圖。 整個(gè)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(yè)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(chǎng)測量?jì)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(jīng)互校標定后精度在1℃之內。 實(shí)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；經(jīng)過(guò)250Ω標準電阻變換成1～5V電壓信號后接入一塊6031E的板卡進(jìn)入數據采集系統?，F場(chǎng)安裝的鎧裝熱電偶經(jīng)補償導線(xiàn)接入一個(gè)溫度采集系統，然后接入另一塊6031E板卡進(jìn)行調理。圖1通過(guò)采用精密的現場(chǎng)測量?jì)x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(shí)驗動(dòng)態(tài)參數的采集和處理要求。 2 基于虛擬儀器的海水淡化實(shí)驗系統測控平臺 該平臺整體系統采用美國NI公司的虛擬儀器專(zhuān)用開(kāi)發(fā)平臺LabVIEW 6i系統。LabVIEW 6i系統采用圖形化編程語(yǔ)言，簡(jiǎn)單易學(xué)并且提供了強大的圖形和分析功能，使得測控系統直觀(guān)方便和高效。 實(shí)驗系統測控平臺的用戶(hù)界面采用LabVIEW的標簽翻頁(yè)功能，使得監測系統的功能一目了然，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)參數表，包括56個(gè)現場(chǎng)測量通道的實(shí)時(shí)數據測量顯示。各個(gè)數據包括通道、名稱(chēng)、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(chǎn)生異常時(shí)輸出閃爍標志。對于個(gè)別對實(shí)驗安全有影響的參數專(zhuān)門(mén)設置了報警程序，在控制室和實(shí)驗現場(chǎng)都有警鈴報警。 實(shí)驗中一些重要數據的變化趨勢對實(shí)驗調試和實(shí)驗結果都有很大的影響。為了形象地觀(guān)測這些變化趨勢，實(shí)驗測控系統編制了一些參數的實(shí)時(shí)曲線(xiàn)圖。對于系統中比較重要的參數例如關(guān)鍵部位的液位、各效壓降壓力等都編制了實(shí)時(shí)曲線(xiàn)。通過(guò)這些曲線(xiàn)的監測可以有效地控制系統的穩定運行，方便實(shí)驗的調解工作。 為了清晰體現系統各部分參數測點(diǎn)，測控平臺還編制了多個(gè)系統重要參數分布示意圖。通過(guò)LabVIEW強大的圖形功能可以形象地顯示出整個(gè)系統的流程和測點(diǎn)等。圖1就是測量平臺上系統流程示意圖之一。 3 基于虛擬儀器的海水淡化實(shí)驗系統測控平臺和一般測控平臺比較 海水淡化是清華大學(xué)985項目的重要課題之一，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(kāi)發(fā)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(shí)間內完成了核實(shí)驗的測試系統。 采用PXI測控平臺和LabVIEW開(kāi)發(fā)工具使得各種不同的信號可經(jīng)以統一在一個(gè)程序里面實(shí)現方便的采集和保存。并且采集精度高，界面友好直觀(guān)。而采用一般的數據采集和其他的開(kāi)發(fā)工具則很難快速、高效和直觀(guān)地實(shí)現這些功能。 海水淡化實(shí)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(kāi)發(fā)的測量平臺。與基于虛擬儀器的測量平臺相比，串行通信數據采集在本實(shí)驗中功能的實(shí)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(wú)法把熱電偶產(chǎn)生的這套數據采集系統由于測量通道有限，無(wú)法把熱電偶產(chǎn)生的信號和其余的1～5V電壓信號同時(shí)采集，而必須分在兩個(gè)采集程序里實(shí)現。 其次串行通信的數據采集程序開(kāi)發(fā)不如使用LabVIEW開(kāi)發(fā)的基于虛擬儀器的熱工測量平臺簡(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(zhuān)門(mén)人員編寫(xiě)。 由于LabVIEW強大的圖形和分析功能，使得開(kāi)發(fā)人員可以很容易設計出實(shí)用、直觀(guān)而且功能強大的采集程序。例如一般的工程師通過(guò)使用LabVIEW開(kāi)發(fā)系統在基于虛擬儀器的熱工測控平臺中可以很方便地實(shí)現簡(jiǎn)單明了的實(shí)時(shí)曲線(xiàn)的設計，畫(huà)出系統流程圖以及設置一些報警裝置等。一般的工程師用Visual Basic開(kāi)發(fā)系統開(kāi)發(fā)串行通信的數據采集程序，很難實(shí)時(shí)這些功能。而必須由比較專(zhuān)業(yè)的程序員才可以很好地實(shí)現上述功能。 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)的應用程序界面相比，這個(gè)應用程序界面遠沒(méi)有后者直觀(guān)清晰，實(shí)時(shí)曲線(xiàn)顯示也不夠清晰明了；而系統流程圖等就更加難以實(shí)現。 可見(jiàn)LabVIEW開(kāi)發(fā)平臺在簡(jiǎn)單易用、功能強大、界面友好方便都有很大的優(yōu)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(yōu)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(shù)支持下，很容易地實(shí)現了實(shí)驗網(wǎng)絡(luò )化，實(shí)驗室內和遠程網(wǎng)絡(luò )終端都能實(shí)時(shí)讀取實(shí)驗數據，實(shí)時(shí)了解實(shí)驗進(jìn)展。而使用VB開(kāi)發(fā)的實(shí)驗測量系統則很難實(shí)現這種網(wǎng)絡(luò )功能。 通過(guò)應用美國NI公司的LabVIEW和PXI等先進(jìn)的虛擬儀器技術(shù)，在較短時(shí)間內成功開(kāi)發(fā)了基于虛擬儀器的海水淡化實(shí)驗系統測控平臺。通過(guò)使用先進(jìn)的數據采集模塊和功能齊全的LabVIEW開(kāi)發(fā)環(huán)境，本測控平臺可以方便、直觀(guān)、高效地完成VTE-MED海水淡化系統這個(gè)復雜的實(shí)驗回路的各種熱工水力學(xué)參數的測量和實(shí)驗監控。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)平臺強大的數據庫和網(wǎng)絡(luò )應用功能模塊也使得測控系統在網(wǎng)絡(luò )和數據處理方面都表現出很大的優(yōu)勢。 linux操作系統文章專(zhuān)題:linux操作系統詳解（linux不再難懂）