基于虛擬儀器的核能海水談化實驗測控平臺

摘要：為了測量大型雙塔4效高溫多效海水淡化實驗裝置各部位的溫度、壓強及流量等熱工參數(shù)，建立了基于虛擬儀器的海水淡化實驗測控平臺。使用高精度數(shù)據(jù)采集板及計算機等并在LabVIEW平臺中實現(xiàn)了將傳感器及熱電偶的電壓信號采集、輸出、存儲和分析。成功解決了實驗系統(tǒng)的測量和監(jiān)控合乎邏輯。 關鍵詞：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)的工藝流程和關鍵工藝技術及穩(wěn)定運行時的熱工水力學參數(shù)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(shù)，建立了基于虛擬儀器的海水淡化實驗測控平臺。使用高精度數(shù)據(jù)采集板及計算機等并在LabVIEW平臺中實現(xiàn)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(tǒng)組成 VTE-MED海水淡化系統(tǒng)的實驗回路是一個十分復雜的熱工回路。需要測量和監(jiān)控的熱工水力學參數(shù)有流量、壓力、溫度等，共56通道，分布于系統(tǒng)的各個部位。圖1就是用LabVIEW做的測量系統(tǒng)的示意以及部分熱工參數(shù)分布圖。 整個熱工測控系統(tǒng)由美國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)控制計算機以及激光打印機等組成。系統(tǒng)構成框圖如圖2。 現(xiàn)場測量儀表盡量采用高精度、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，經互校標定后精度在1℃之內。 實驗裝置的數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)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(tǒng)一供電，輸出信號為4～20mA；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(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。現(xiàn)場安裝的鎧裝熱電偶經補償導線接入一個溫度采集系統(tǒng)，然后接入另一塊6031E板卡進行調理。圖1通過采用精密的現(xiàn)場測量儀表和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100kbps/channel，完全保證了實驗動態(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驗系統(tǒng)測控平臺 該平臺整體系統(tǒng)采用美國NI公司的虛擬儀器專用開發(fā)平臺LabVIEW 6i系統(tǒng)。LabVIEW 6i系統(tǒng)采用圖形化編程語言，簡單易學并且提供了強大的圖形和分析功能，使得測控系統(tǒng)直觀方便和高效。 實驗系統(tǒng)測控平臺的用戶界面采用LabVIEW的標簽翻頁功能，使得監(jiān)測系統(tǒng)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。 界面主要部分為實時參數(shù)表，包括56個現(xiàn)場測量通道的實時數(shù)據(jù)測量顯示。各個數(shù)據(jù)包括通道、名稱、測量數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)產生異常時輸出閃爍標志。對于個別對實驗安全有影響的參數(shù)專門設置了報警程序，在控制室和實驗現(xiàn)場都有警鈴報警。 實驗中一些重要數(shù)據(jù)的變化趨勢對實驗調試和實驗結果都有很大的影響。為了形象地觀測這些變化趨勢，實驗測控系統(tǒng)編制了一些參數(shù)的實時曲線圖。對于系統(tǒng)中比較重要的參數(shù)例如關鍵部位的液位、各效壓降壓力等都編制了實時曲線。通過這些曲線的監(jiān)測可以有效地控制系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，方便實驗的調解工作。 為了清晰體現(xiàn)系統(tǒng)各部分參數(shù)測點，測控平臺還編制了多個系統(tǒng)重要參數(shù)分布示意圖。通過LabVIEW強大的圖形功能可以形象地顯示出整個系統(tǒng)的流程和測點等。圖1就是測量平臺上系統(tǒng)流程示意圖之一。 3 基于虛擬儀器的海水淡化實驗系統(tǒng)測控平臺和一般測控平臺比較 海水淡化是清華大學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開發(fā)平臺和NI的PXI測控平臺的強大數(shù)據(jù)采集和信號處理功能，在較短的時間內完成了核實驗的測試系統(tǒng)。 采用PXI測控平臺和LabVIEW開發(fā)工具使得各種不同的信號可經以統(tǒng)一在一個程序里面實現(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)采集和其他的開發(fā)工具則很難快速、高效和直觀地實現(xiàn)這些功能。 海水淡化實驗系統(tǒng)測控平臺還備有一套使用RS-232串行通信的數(shù)據(jù)采集卡和使用Visual Basic開發(fā)的測量平臺。與基于虛擬儀器的測量平臺相比，串行通信數(shù)據(jù)采集在本實驗中功能的實現(xiàn)和維護都存在很大的差距。首先，使用串行通信的這套數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由于測量通道有限，無法把熱電偶產生的這套數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)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實現(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(fā)。而串行通信采用Visual Basic開發(fā)語言，必須由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(fā)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。例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控平臺中可以很方便地實現(xiàn)簡單明了的實時曲線的設計，畫出系統(tǒng)流程圖以及設置一些報警裝置等。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，很難實時這些功能。而必須由比較專業(yè)的程序員才可以很好地實現(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。與LabVIEW開發(fā)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(tǒng)流程圖等就更加難以實現(xiàn)。 可見LabVIEW開發(fā)平臺在簡單易用、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(shù)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，很容易地實現(xiàn)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(shù)據(jù)，實時了解實驗進展。而使用VB開發(fā)的實驗測量系統(tǒng)則很難實現(xiàn)這種網絡功能。 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(fā)了基于虛擬儀器的海水淡化實驗系統(tǒng)測控平臺。通過使用先進的數(shù)據(jù)采集模塊和功能齊全的LabVIEW開發(fā)環(huán)境，本測控平臺可以方便、直觀、高效地完成VTE-MED海水淡化系統(tǒng)這個復雜的實驗回路的各種熱工水力學參數(shù)的測量和實驗監(jiān)控。LabVIEW易學易用的特點使得開發(fā)人員大大減少了開發(fā)時間，提高了工作效率。而LabWIEW開發(fā)平臺強大的數(shù)據(jù)庫和網絡應用功能模塊也使得測控系統(tǒng)在網絡和數(shù)據(jù)處理方面都表現(xiàn)出很大的優(yōu)勢。 linux操作系統(tǒng)文章專題:linux操作系統(tǒng)詳解（linux不再難懂）