氣液兩相流PLC控制小型實驗裝置設計與研究

林劍清++王紅一++張牧++鄭錫

摘 要：氣液兩相流是由氣液兩相物質所組成的流動系統，主要研究氣體跟液體這兩種不同物質之間的科學問題。氣液兩相流動態參數的實時監測對于實現生產過程及設備的控制、促進生產工藝和工程設備發展具有重要意義。搭建了以PLC控制為核心的小型兩相流實驗裝置，并設計了基于MCGS組態軟件的兩相流虛擬仿真實驗控制界面，實現了對實驗裝置中兩相流幾種典型流型的發生和控制。最后，通過分析大規模實驗數據和實驗圖片，繪制出氣液兩相流的流型分布圖。

關鍵詞：氣液兩相流；PLC控制；MCGS組態軟件；流型

中圖分類號：O359+.1 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.01.026

氣液兩相流中氣液之間的運動規則及其不同運動狀態下氣液間的相互作用是該課題的主要研究方向之一。隨著各類工程的興起和發展，氣液兩相流的研究逐漸獲得研究者的重視，促使它形成為一門完整的應用基礎學科。由于在氣液兩相流中氣液之間存在互相作用，因此氣液的流動問題比其單獨流動問題更加復雜，兩者的本質也有著顯著的區別，尤其是其流型的復雜程度和多樣性。

氣液兩相流流型是兩相流的構造形式，是氣、液兩相之間界面分布呈現不同結構形式或不同幾何圖形的現象。由于氣體和液體在一起流動的過程中，兩相均可發生形變，且兩相界面不斷變化，進而兩相介質的分布狀態也會不斷變化，從而導致流型變的復雜化、多樣化。不同的流型具有不同的傳熱等特性，這對于化工、動力等過程的工藝設計也至關重要。對于流型形成機制及其特點的認識，是兩相流的機理及其規律研究的重要組成方面，也直接關系到兩相流學科中其他問題的分析研究。分析流型就要從氣相、液相、氣液相三者結合考慮，先判斷出流型的種類，再根據各種流型的特點，分析其流動特性。國內外諸多學者對氣液兩相流流型進行了研究，將氣液兩相流流型主要分為泡狀流、塞狀流、彈狀流、分層流、波狀流、環狀流、霧狀流。受氣液兩相流裝置性能的限制，這些流型往往不能均被觀測到。

本文所設計的氣液兩相流實驗臺是一套以PLC為核心，控制氣液兩相流流型的生成，能夠進行氣液兩相流研究實驗的小型兩相流實驗系統。通過進行兩相流實驗，認識氣液兩相流在工業生產中的重要作用，學習判別兩相流流型的方法及流型的特征，得到兩相流流型分布圖，從而運用兩相流動理論分析解決工程實際問題。這對于認識兩相流及復雜工業生產過程，自主實現模擬工業過程的檢測和控制技術具有重要的意義。

1 氣液兩相流實驗系統設計

以PLC控制為核心，主要實現壓力、流量各參數的采集，通過對各管道調節閥開度的控制調節各管道流體的流速，來實現氣液兩相流典型流型的發生和控制。利用MCGS組態軟件平臺進行組態畫面設計，實現各畫面之間相互聯系，切換方便、快捷。最后，實現PLC硬件控制系統與MCGS控制界面的良好銜接，通過軟件界面對PLC控制器進行控制操作。

1.1 兩相流物理實驗裝置設計

物理實驗裝置管線布局如圖1所示。在物理實驗系統中加入壓力和流量檢測儀表，實現對流量、壓力參數的實時檢測。圖2是兩相流物理實驗裝置實物展示。

氣液兩相流動實驗裝置的管線需要滿足以下要求：①采用透明實驗管線，以便觀察流動形態的特點；②實驗管線要有一定的長度，使進、出口留有適當的穩定段。

實驗裝置的工作過程如下：①來自空壓機的氣體經緩沖罐到流量調節閥和氣體流量計后進入T形管道與液體混合，然后經過一段管路后進入到觀察段。②水流經儲水罐經離心泵、流量調節閥和其相應的流量計后與氣體在T形管中混合。一方面，垂直向上流動，進入測試段，在測試段觀察其流型；另一方面，水平流動，進入水平管道，在測試段觀察流型。③流出測試段的氣液混合物中，空氣排入大氣，水流回儲水罐，可以循環實驗。

1.2 PLC控制系統設計

通過PLC為控制實驗系統中氣體和液體流量，實現流量、壓力等檢測參數的記錄。本系統所采用的PLC控制模塊是羅克韋爾AB（Micro830）。本系統的PLC編程任務主要有以下3個方面。

1.2.1 水氣兩路電磁閥的開度控制

由于AB Micro830僅有6個輸出端口，為保證系統功能的完整實現，我們將水路和氣路上的電磁閥分別由2個不同的開關控制開閉。在編寫梯形圖程序時，使用輔助觸點實現1個開關控制2個電磁閥的同時開閉。

1.2.2 變頻器控制水流量

變頻器是利用電力半導體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置，能實現對交流異步電機的軟起動、變頻調速、提高運轉精度、改變功率因素、過流/過壓/過載保護等功能。本系統采用PLC編程的通信方式控制變頻器，從而調節三相異步電動機的轉速。

1.2.3 傳感器數據采集控制

本系統使用的傳感器主要有浮子流量計、渦輪流量計、壓力變送器等。各傳感器的測量數據均通過PLC采集，傳感器的模擬量在傳送到PLC后需要進行數值轉換。

1.3 MCGS虛擬組態界面設計

根據控制要求，利用MCGS組態軟件進行控制界面設計，主要完成組態界面與PLC控制器之間的通信連接、數據傳送，以達到對氣液兩相流物理實驗裝置中各個對象進行上位機控制的目的。圖3為MCGS虛擬組態的主控界面。

在MCGS組態軟件系統中，由設備窗口負責建立系統與外部硬件設備的連接，使得MCGS能從外部設備讀取數據并控制外部設備的工作狀態，實現對應實驗過程的實時監控。通過虛擬仿真軟件MCGS與PLC的通訊，實現PLC對電磁閥的控制以及壓力、流量等參數的采集與存儲，最終實現利用MCGS虛擬仿真界面控制物理模擬實驗過程。在調試途中，依據“先局部后整體”的原則，首先對氣液兩相流物理實驗裝置中數據采集、流量調節，泵控制分別進行檢定、調試，然后進行整個控制系統的試運行，檢查其中的錯誤并改正，最終保證該控制系統能夠正常運行。

2 氣液兩相流流型實驗結果分析

本測試裝置側重于觀察管道內部兩相流流動狀態的演化過程。由于流體流動速度較快，人眼或者普通相機難以捕捉到流型狀態，所以可采用高速相機來觀察和捕捉典型的流型。

實驗過程中，通過MCGS虛擬組態軟件控制氣、液兩相流量的流量來改變氣液兩相流流型。采用200幀/s的高速相機記錄兩相流動狀況。水平管段的典型流型如圖4所示。

通過分析氣液兩相的流量、壓力信號與兩相流流型的對應關系，繪制出流型分布圖如圖5所示。

3 結論

以兩相流的流動狀態監控、參數提取與存儲和流型分布研究為主要目的，以PLC為控制核心，開發了一套適合于自動化專業工程實踐的小型兩相流流動實驗裝置。利用MCGS組態界面與PLC的結合，實現了對模擬實驗裝置中兩相流典型流型的發生和控制，并且實現流量、壓力參數的檢測。這一小型兩相流實驗系統對于建立兩相流及復雜工業生產過程的認識、自主實現模擬工業過程的檢測和控制技術具有重要意義。

參考文獻

[1]陳學俊，陳立勛，周芳德.氣液兩相流與傳熱基礎[M].北京：科學出版社，1995.

[2]勞力云，鄭之初，吳應湘，等.關于氣液兩相流流型及其判別的若干問題[J].力學進展，2002，32（2）.

[3]梁法春，王棟，楊桂云，等.氣液兩相流臨界分配特性及相分離控制[J].西安交通大學學報，2015，49（1）.

[4]Barnea D.A unified model for predicting flow-pattern transitions for the whole range of pipe inclinations. International Journal of Multiphase Flow，1987，13（1）.

[5]Guilizzoni M.Flow pattern identification in gas–liquid flows by means of phase density imaging.International Journal of Multiphase Flow，2013，51（5）.

[6]Duan R，Yu D，Wu H，et al.Optical method for flow patterns discrimination，slug and pig detection in horizontal gas liquid pipe.Flow Measurement & Instrumentation，2013，32（8）.

[7]Zhou Y，Li H，Miao Y.A new method for the study of two-phase flow patterns based on the chaotic characteristic method of image fields.Flow Measurement & Instrumentation，2013，30（6）.

[8]Banasiak R，Wajman R，Jaworski T，et al.Study on two-phase flow regime visualization and identification using 3D electrical capacitance tomography and fuzzy-logic classification.International Journal of Multiphase Flow，2014，58（1）.

[9]Li W，Zhong W，Jin B，et al.Flow patterns and transitions in a rectangular three-phase bubble column.Powder Technology，2014，260（7）.

[10]Oliveira W R D，Paula I B D，Martins F J W A，et al.Bubble characterization in horizontal air–water intermittent flow.International Journal of Multiphase Flow，2015（9）.

〔編輯：劉曉芳〕