基于LabVIEW的氫氣純化裝置控制系統設計

駱學軍，李樂斌，呂衛星，胡石林

（中國原子能科學研究院，北京102413）

氫氣作為重要的工業氣體和特種氣體在石油化工、電子工業、冶金、航天航空等眾多領域得到廣泛的應用。隨著環境污染問題的日益嚴重，大家開始尋找清潔能源來代替傳統能源。氫與氧燃燒時產生大量的熱，唯一生成物是水，所以氫氣是理想的無污染燃料。隨著氫氣的廣泛應用，部分行業對氫氣純度提出了要求。氫氣提純方法主要有低溫吸附法、低溫液化法、金屬氫化物氫凈化法、鈀膜擴散法和變壓吸附法等[1]。氫氣純化系統能夠去除氫氣中的氧氣和水分雜質（氧氣純化系統去除氧氣中的氫氣和水分雜質），以滿足對氫氣（氧氣）純度和含水量有較高要求的用戶。針對以上情況本課題組建立了一套氫氣純化裝置，系統流程如圖1所示。電解槽電解產生氫氣，經過三塔氫氣純化裝置去除氫氣中的氧氣和水份雜質，然后經過壓縮機將高純氫壓縮裝罐，提供給用戶。整個裝置包括電解系統、三塔純化系統、氫氣壓縮系統三部分。輔助系統包括水冷系統、水凈化系統、氫氣報警系統、通風系統等。純化部分有催化脫氧器、分子篩干燥器、氣水冷凝分離器、再生加熱器、集水器等設備和各種閥門，以及檢測、控制用的就地儀表和一次儀表等。三塔氫氣純化系統采用3 臺干燥器輪流工作，產品氣再生方式，不僅干燥程度高，而且沒有再生氣的損耗。針對所建立的試驗裝置，設計出一套氫氣純化控制系統。該控制系統由PLC、工控機、通訊卡等組成，通過LabVIEW 實現對溫度、壓力、液位、流量等信號的連續采集、存儲、歷史曲線、報警等功能。裝置內的氣動閥門由PLC 程序控制，可實現干燥器工作狀態的自動切換，并具備自動排水功能，減少了人員工作量，提高了裝置的可靠性。通過長期試驗運行表明該系統滿足設計要求，可以很好地實現對工藝參數的測量與控制，保證了試驗的穩定運行。

圖1 工藝流程Fig.1 Process flow chart

1 測量系統硬件組成

基于LabVIEW 的氫氣純化控制系統結構如圖2所示，試驗裝置與控制柜如圖3所示。該控制系統硬件主要由PLC、工控機、通訊卡、安全柵等組成。整個控制網絡采用星型結構，通過以太網交換機將主工藝PLC、電解系統PLC、水冷系統PLC、氫壓縮機系統組成星型網絡，工控機訪問不同PLC 地址獲取工藝參數。流量計則經RS232 接口將數據通過安裝在工控機的通訊卡傳輸。采用NI OPC Server 建立LabVIEW 與PLC 之間的通訊關系， 完成數據采集。在氫氣純化試驗裝置中，考慮到防爆要求?，F場信號必須經過安全柵隔離后進入主工藝PLC 控制系統。

圖2 控制系統結構Fig.2 Structure diagram of control system

圖3 試驗裝置與控制柜Fig.3 Test device and control cabinet

2 測量系統軟件設計

虛擬儀器是基于計算機的儀器，是一種用圖標代替文本行創建應用程序的圖形化編程語言。LabVIEW 提供了大量的工具與函數用于數據采集、分析、顯示和存儲[2]。同時它還提供了大量常用于自動化測試測量領域的圖形控件， 因此被工業界、學術界和研究實驗室所廣泛接受，已成為一個標準的數據采集和儀器控制軟件，適用于實驗室及小批量生產線等經常需要改變儀器和設備參數功能的場合[3-4]。LabVIEW 軟件可以通過多種方式與任何可編程控制器進行通訊。用于過程控制的OPC 定義了在控制設備和人機界面之間進行實時對象數據通信標準。OPC 服務器適用于幾乎所有PLC 和可編程自動化控制器。本文在PLC、工控機、通訊卡等硬件的基礎上，通過LabVIEW 編寫程序，實現對工藝參數的實時采集、信號處理、歷史趨勢圖、報警、存儲等功能。

2.1 前面板設計

前面板作為圖形用戶界面，將采集的過程信息與分析結果實時顯示在畫面中。在前面板實現數據的交互訪問。在本次系統設計中建立了10 個流程畫面， 將設備儀表的運行數據分布于各畫面中，方便試驗人員觀察運行情況及時調節參數設置。前面板設計如圖4所示。

圖4 前面板設計Fig.4 Front panel design

2.2 多協議通訊混合集成設計

程序設計包含2 個方面內容，一部分是下位機主要是PLC， 另一部分是上位機主要是LabVIEW。裝置中設備通訊協議包含串行通訊（自定義協議）、網絡通訊（工業以太網、Profibus、Profinet），各個軟件之間又包含OPC 通訊協議。下位機編程用到軟件是STEP7，主要完成壓力、液位、溫度等常規信號的采集和報警信號的輸出，這部分的內容不再贅述。上位機軟件用到NI OPC Server 和LabVIEW， 完成PLC 之間信息傳輸、 信號的分析處理和流量計的通訊。在LabVIEW 軟件中，每一個程序前面板都對應著一段框圖程序。程序框圖是實現VI 邏輯功能的圖形化源代碼。本設計使用LabVIEW 數據記錄與監控模塊。該模塊包含了諸多工具，包括將數據記錄到聯網歷史數據庫、實時與歷史趨勢、報警與事件管理、 將LabVIEW 實時目標與OPC 設備連在一個完整的系統中，為用戶界面提高安全性等[5-6]。下面從3 個方面介紹軟件部分的程序設計。

2.2.1 LabVIEW 與OPC Server 通訊

LabVIEW 與OPC Server 通訊的方式主要有3種。一是通過ActiveX 自動化接口實現對OPC SERVER 訪問， 二是通過NI 的DataSocket 技術，三是利用DSC 模塊與OPC Server 通訊。本系統是利用LabVIEW 的DSC 模塊與OPC Server 進行通訊。DSC 模塊使用標簽連接OPC 數據。首先在標簽組態中建立與OPC 數據項的對應關系，生成.scf 文件。這里注意將PLC 的地址、數據類型等設置正確。然后綁定共享變量與標簽。具體操作如下： 創建一個LabVIEW Library，在里面建立一個I/O Server，在建立過程中可以瀏覽到本機或網絡上哪些OPC Server可以連接， 然后將I/O Server 與你需要連接的OPC Server 綁定， 最后新建一個共享變量并將其與I/O Server 中列出的OPC 標簽綁定，用戶就可以把共享變量當作普通變量進行操作。具體見圖5所示。首次運行程序時可能會出現共享變量錯誤或警告的提示， 大多是由于程序運行時間太快，OPC 服務器還沒有進行數據初始化。此時可適當在程序中加入延時并將NI OPC Server 首先運行起來。

圖5 NI OPC Server 設置Fig.5 NI OPC Server settings

2.2.2 LabVIEW 與智能儀表通訊

智能儀表主要是質量流量計， 它是由RS-232組成的串行總線接口。程序設計時將帶有RS-232總線接口的儀器作為I/O 接口設備， 通過串行總線與PC 計算機進行通訊。串口通訊主要適用于速度較低的測試系統，具有接口簡單、使用方便的特點。在LabVIEW 中集成有VISA 驅動函數，它的一個顯著優點是可移植性強。任何調用VISA 函數的程序都可以很容易地按照通訊步驟完成通訊連接。VISA通過特定的儀器驅動程序與儀器通訊，按照儀器的通訊協議編寫相應的驅動程序。第一步是完成串口參數的設置，包括串口資源分配、波特率、數據位、、停止位、校驗位等。其次使用VISA Write 發送數據，使用VISA Read 接收數據。在接收數據之前需要使用VISA Bytes at Serial Port 查詢當前串口接收緩沖區中的數據字節數。如果VISA Read 要讀取的字節數大于緩沖區中的數據字節數，VISA Read 操作將一直等待，直至Time out 或者緩沖區中的數據字節數達到要求的字節數。當然也可以分批讀取接收緩沖區的數據或者只從中讀取一定字節的數據。數據接收完成后，用VISA Close 結束通訊。此時需要注意在讀寫操作中加入適量的延時操作，這樣可以提高接收數據的正確性與完整性。具體通訊程序見圖6所示。

圖6 流量計通訊程序Fig.6 Flow meter communication procedures

2.2.3 數據顯示與分析處理

通過NI OPC Server 與RS232 接口通訊得到的數據，在前面板進行實時的動態顯示，數據分布在不同的流程圖界面上。在程序框圖界面編寫數據曲線顯示程序，包括壓力、溫度、流量等參數的趨勢圖、歷史曲線圖。從曲線圖上可以直觀發現數據的異常變化。同一類變量參數在同一圖表中顯示采用不同的線形和顏色加以區。采集的所有數據以文本文件格式進行存儲，幫助試驗人員對數據進行進一步分析處理。同時在程序設計上還編寫了報警程序，在參數異常時聲光報警提示操作人員。

3 結語

LabVIEW 作為一個功能強大、 方便的圖形化編程語言，近年得到廣泛的應用，甚至高校已經開通相關課程。在本次氫氣純化控制系統設計中，根據所建立的試驗裝置和工藝的要求，開發了一套基于Lab-VIEW 的氫氣純化控制系統。該系統操作界面友好，參數調整簡便，可移植性強。經過長期試驗運行結果表明，控制系統穩定可靠，易于操作，滿足工藝要求。