基于LabVIEW的氫氧復合控制系統設計

李樂斌，趙 智，呂衛星，吳全鋒，胡石林

（中國原子能科學研究院，北京 102413）

核反應堆、常規及核動力潛艇等裝置由于反應失控、溫度急劇上升，可能產生大量氫氣。基于安全考慮，需設計一種復合裝置，使氫氧復合成水，避免危險發生[1]。氫氧催化合成水可采取高溫催化和常溫催化2種方式。常溫氫氧復合是指在室溫或略高于室溫溫度將H2化合成水，可用于裝置設備故障及泄露時產生大量H2時的應急處理，也可用于火藥爆炸氣體、含氫廢氣等的處理[2]。由于氫氧復合為強放熱反應，需及時帶出反應產生的大量熱量，否則熱量累計會導致反應溫度上升，而溫度升高又加快反應速度，增加反應放熱，最終導致反應失控，燃燒催化劑[4-5]。因此反應體系的溫度控制是一個重要問題。本文設計了一套基于LabVIEW的氫氧復合控制系統，利用工控機、各種采集板卡、智能儀器儀表等裝置，實現了對溫度、流量的控制及壓力、液位、氣體濃度的測量。

1 控制系統硬件組成

控制系統主要完成溫度控制和工藝參數測量。溫度對H2轉化率的影響顯著，因此試驗中要控制復合室的溫度。試驗中冷卻水直接流過催化床，帶走反應熱，冷卻水流量和溫度有一定關系。其次反應混合氣體的流量也影響H2轉化效率。綜合以上因素，復合室的溫度控制可以通過控制反應混合氣體和冷卻水流量來實現。PID控制器因其構成簡單、設計方便、穩態性能好得到廣泛應用。LabVIEW提供了一個外掛PID控制工具包，搭建功能強大的控制系統。根據工藝要求和試驗裝置特點，設計一套基于LabVIEW的控制系統。

系統硬件主要由研華工控機、數據采集板卡PCI1747U、模擬量輸出卡PCI1727、繼電器卡PCI1762、RS485通訊卡 PCI1622C、RS232通訊卡MOX CP-168U組成。控制系統結構如圖1所示。系統的壓力和液位信號由智能壓力、液位變送器測量，輸出4～20 mA標準信號。溫度、氣體濃度儀表可實現現場顯示，同時帶有RS485通訊，實現數據遠傳。氫氣和氧氣質量流量計采用RS232通訊接口，完成流量的實時控制。冷卻水回路裝有電動調節閥，通過調節冷卻水的流量來控制復合室的溫度。其控制原理是將復合室實際溫度與期望值進行比較獲得偏差，采用LabVIEW軟件的PID工具包可得控制量，將控制量換算后經過數據采集卡PCI1727輸出標準電流信號到電動調節閥，控制閥門開度調節流量，達到控制復合室溫度的目的。控制系統還帶有聲光報警裝置，具備安全聯鎖功能。當工藝參數異常時，繼電器卡PCI1762輸出開關信號，驅動報警電路，聲光報警提醒操作人員。

圖1 控制系統結構Fig.1 Structure of control system

2 控制系統軟件設計

控制系統的軟件部分采用NI公司開發的圖形化編程軟件平臺LabVIEW，實現數據采集、數據處理、數據顯示、數據保存以及系統控制等功能。LabVIEW是美國國家儀器公司推出的圖形化軟件編程平臺，編程簡潔明了，人機交互界面生成方便，適用于實驗室及小批量生產線等場合。它不僅包括開發虛擬儀器面板的各種對象和進行信號分析的豐富函數，而且提供了外掛的PID控制工具包，應用虛擬儀器技術來完成測量任務，還可將虛擬儀器擴展到自動化領域，構成一種基于虛擬儀器的控制系統[6]。針對本試驗裝置，基于LabVIEW的上位機程序主要實現如下功能：（1）串口通訊：通過串口通訊實現氣體質量流量計的流量控制、狀態監測和溫度檢測儀表的設置與控制；（2）數據采集：通過編寫驅動程序，將壓力、液位、冷卻水流量、氫氣濃度信號讀取到上位機，進行顯示及數據處理；（3）控制輸出：編寫PID控制程序、數據采集卡PCI1727、PCI1762的驅動程序，輸出4～20 mA和開關量信號到相應設備完成既定動作。

2.1 前面板設計

前面板是圖形化用戶界面，用于設置輸入數值和觀察輸出量，模擬真實儀表的前面板，主要由控制輸入、數據顯示、裝飾構成。控制系統前面板設計如圖2所示。主要包括初始化界面、流程界面、控制輸入界面、報警界面和各種參數曲線顯示界面。

圖2 前面板設計Fig.2 Front panel design

2.2 程序框圖設計

程序框圖是實現VI邏輯功能的圖形化源代碼。框圖中的編程元素除了包括與前面板上的控件對應的連線端子外，還有函數、子VI、常量、結構和連線等[7]。控制系統程序在編制過程中采用了結構化和模塊化的基本思路，包括串口通訊、模擬量采集、控制輸出、數據曲線顯示與存儲等幾個功能模塊。將每個模塊做成一個子VI，主程序通過調用這些VI，完成不同的功能。

（1）串口通訊VI：以氣體質量流量計為例進行說明。根據儀表說明，本試驗主要用到流量計以下幾個功能：設置控制模式（數字量、模擬電流和模擬電壓）、控制閥工作模式（全開、全閉和受控）、讀取瞬時流量、讀取累積流量與清零。對串口讀操作使用的節點包括VISA Conflgure Serial Port、屬性節點（Bytes at Port）、VISA Read、VISA Close。 首先設置串口參數，接著打開串口讀取接收的字節數，讀取數據，最后關閉串口。對串口的寫操作使用的節點 包 括 VISA Conflgure Serial Port、VISA Write、VISA Flush I/O Buffer、VISA Close。 首先初始化串口，打開串口進行寫操作，寫入數據后清空緩沖區，最后關閉串口。部分控制程序如圖3所示。

圖3 部分控制程序Fig.3 Part of the control program

（2）數據采集 VI：壓力、液位、冷卻水流量、氫氣濃度傳感器輸出4～20 mA信號，經過信號調理后變成1～5 V信號接入數據采集卡。在NI驅動程序支持 下 采 用 DeviceOpen.vi、AIConfig.vi、AIvoltageIn.vi和DeviceClose.vi等函數，在編寫程序時，還要注意測量輸入信號的量程，其決定采集程序中的增益值。對PCI1747U板卡進行編程控制，采集電壓信號，最后進行數據處理得到實時參數信號。

（3）控制輸出VI：控制輸出VI包括PID控制輸出和開關量報警輸出。PID控制過程是將復合室溫度信號通過儀表的RS485通訊方式采集，與期望設定溫度比較，經PID運算后，其輸出信號送到數據采集卡PCI1727的模擬量輸出通道，再通過端子板連接到電動調節閥。調節閥輸入信號是4～20 mA，開度反饋信號也是4～20 mA。PID控制程序如圖4。開關量報警輸出原理是將采集到的工藝參數與設定值比較，高于設定值時程序輸出真信號到PCI1762板卡相應通道和位，使繼電器觸點閉合，驅動外圍報警電路工作。編寫PCI1762板卡驅動程序時，首先初始化板卡物理地址和通道地址，打開驅動程序DriverOpen.vi，寫入通道數、所在位、該位的狀態（0或1）數據，最后關閉驅動DriverClose.vi。由于LabVIEW的執行速率高，故在寫入數據后及關閉驅動前分別延時等待一段時間，以確保數據順利寫入。

圖4 PID控制程序Fig.4 PID control program

對于一個完整的控制系統，還需要將采集到的數據以圖形化顯示出來，并將數據以一定格式存儲在文件中。LabVIEW提供了強大的數據圖形化顯示控件和文件I/O函數用以滿足不同的顯示需求和文件操作。考慮到存儲數據的文件類型應該通用性強，所以本控制系統以文本文件形式存儲數據，并編寫了圖表顯示程序，這里不再贅述。

3 結語

根據試驗裝置的特點和氫氧復合工藝對控制系統的要求，提出了基于LabVIEW的氫氧復合控制系統。該系統以工控機為核心，通過各種板卡完成信號的采集和控制，通過LabVIEW的程序，實現控制參數設置、工藝參數采集與處理、數據及曲線顯示、數據存儲和報警聯鎖等功能。該系統已成功應用于試驗裝置。經試驗運行，系統運行穩定、可靠，操作界面友好，為試驗的順利運行提供了保障。

[1]胡勝，熊亮萍，楊亮，等.疏水催化常溫氫氧復合反應[C]//第二屆全國核技術及應用研究學術研討會，2009：1-9.

[2]胡勝，楊亮，熊亮萍，等.基于Pt/C/FN疏水催化劑的常溫氫氧復合反應[J].核化學與放射化學，2009，31（3）：134-139.

[3]胡勝，何玉暉，楊亮.基于Pt/C/FN疏水催化劑的常溫氫氧復合反應[J].中國工程物理研究院科技年報，2008（1）：182-183.

[4]邵明昶.氫氧復合工藝研究[J].中國原子能科學研究院年報，2001（1）：85.

[5]張紅見，胡石林，吳全鋒.氫氧復合疏水催化劑的制備[J].核化學與放射化學，2003，25（3）：146-149.

[6]劉君華.基于LabVIEW的虛擬儀器設計[M].北京：電子工業出版社，2003.

[7]陳錫輝，張銀鴻.LabVIEW8.20程序設計從入門到精通[M].北京：清華大學出版社，2007.