基于虛擬儀器的換熱器溫度耐久試驗系統(tǒng)設(shè)計

王冠軍

（浙江盾安熱工科技有限公司，諸暨311835）

0 引言

中國房間空調(diào)器市場規(guī)模逐年穩(wěn)步增長，已經(jīng)成為世界最大房間空調(diào)器生產(chǎn)國，空調(diào)器的年用電量已經(jīng)超過全國電力消耗的首位[1-2]。開發(fā)高效換熱器在節(jié)約能用以及應(yīng)對環(huán)保冷媒具有重要意義。微通道換熱器是近年來興起的高效換熱器具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕、單位體積內(nèi)換熱面積大等諸多優(yōu)勢，近年來已經(jīng)在制冷空調(diào)領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用[3]。

冷暖型空調(diào)的室外換熱器工作運行環(huán)境經(jīng)常處于溫度高低交替變化，極端情況下?lián)Q熱器如果結(jié)構(gòu)或材料選用不當，會出現(xiàn)裂縫導(dǎo)致制冷劑泄漏導(dǎo)致空調(diào)器不能工作。而且隨著國家對能效要求的提高，目前很多廠家選擇低GWP的制冷劑和綠色制冷劑，例如R32和R290[4-5]。但是R32和R290都是可燃性制冷劑，對整機防止泄漏要求會更高，所以必須對室外換熱器進行溫度交變可靠性試驗。

本文依據(jù)換熱器溫度交變試驗要求，設(shè)計了微通道換熱器溫度交變壽命試驗臺架和上位機控制系統(tǒng)。試驗臺架采用西門子S7-1200系列PLC作為下位機來控制固態(tài)繼電器，固態(tài)繼電器控制介質(zhì)箱中的電加熱器。為了保證溫度循環(huán)中介質(zhì)溫度的穩(wěn)定性和重復(fù)性，達到高精度的良好效果，本文采用PID閉環(huán)負反饋控制技術(shù)，基于美國國家儀器公司（NI）虛擬儀器軟件平臺LabVIEW開發(fā)的上位機控制系統(tǒng)，利用計算機強大的數(shù)據(jù)處理能力，將試驗臺中不同儀表的各個實時信號采集到測控軟件中，來實現(xiàn)試驗數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測和記錄，同時具備智能計算和安全保護功能，有效地保證了微通道換熱器溫度交變測試系統(tǒng)的長期運行。

1 試驗系統(tǒng)設(shè)計

1.1 試驗臺架系統(tǒng)需求分析

溫度交變試驗是模擬空調(diào)系統(tǒng)切換化霜過程時換熱器的冷熱變換過程，屬于換熱器機械加速壽命測試。根據(jù)試驗?zāi)康呐c要求并討論分析后，本系統(tǒng)采用冷熱循環(huán)兩套系統(tǒng)，通過切換控制閥將冷熱流體通過換熱器達到冷熱交變的目的，其系統(tǒng)原理圖如圖2所示。

圖2 溫度交變試驗系統(tǒng)

根據(jù)空調(diào)運行特點與換熱器溫度交變測試要求，確定本測試系統(tǒng)采用計算機軟件采集記錄試驗過程中的溫度、壓力等信息，同時并能夠與用戶進行信息交互，這樣能夠根據(jù)試驗過程反饋的信息及時調(diào)整參數(shù)設(shè)置。所以合理的方案是上位機結(jié)合下位機的系統(tǒng)設(shè)計。目前比較成熟的測控系統(tǒng)有4類不同級別的方案，如圖3所示。

圖3 測控系統(tǒng)不同方案

制冷空調(diào)用換熱器溫度交變測試實際較長，根據(jù)不同應(yīng)用環(huán)境的嚴酷條件，最長可運行3個月左右。另外考慮到測控系統(tǒng)的穩(wěn)定性和經(jīng)濟性，確定了PLC作為下位機，計算機作為上位機的PC&PLC組合，最后確定的系統(tǒng)方案如圖4所示。

圖4 測控系統(tǒng)設(shè)計

西門子S7-1200系列PLC運行速度快、穩(wěn)定可靠、市場占有率達、維護便捷，所以成為下位機的首選，西門子S7-1200系列PLC支持多種協(xié)議的以太網(wǎng)通信方式，而TCP/IP方式具有更多的靈活性，更快的數(shù)據(jù)響應(yīng)等特定，所以選擇TCP通信協(xié)議。S7-1200系列PLC集成有PROFINET接口，該接口可用于PLC程序的上傳和下載，HMI與PLC通信，計算機與PLC通信，同時支持Modbus TCP/IP協(xié)議。另外，S7-1200PLC具有豐富的模擬量模塊供工程人員選擇，本系統(tǒng)中需要用到1只熱電偶模塊，和1只模擬量輸入模塊，確定的系統(tǒng)配置PLC硬件如圖5所示。上位機采用研華IPC610L系列工業(yè)控制計算機。上位機與下位機采用TCP通信協(xié)議。

圖5 S7-1200 PLC配置實物

1.2 PLC的PID控制

溫度交變試驗系統(tǒng)中兩個水箱加熱器的控制策略有所不同，高溫水箱特點是設(shè)備開始運行時加熱功率較大，待達到設(shè)定溫度后，其加熱負荷依據(jù)被試件的熱損失大小而定，所以是單一控制選用常規(guī)PID控制即可同時也兼顧控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡單。低溫水箱特點是具有加熱負荷和降溫負荷，降溫負荷體現(xiàn)在制冷功率中，下限溫度低于20攝氏度時，主要使用制冷量來平衡被試件的熱負荷。當下限溫度高于20攝氏度時，需要開啟加熱器。這是因為制冷量采用循環(huán)泵控制循環(huán)流量，單獨依靠水泵控制精度不高，尤其是制冷量大于被試件熱負荷時，需要開啟加熱器以平衡制冷量總功率。

加熱系統(tǒng)的閉環(huán)控制系統(tǒng)中選用熱電偶測溫，熱電偶模塊將傳感器采集到的溫度變化信號轉(zhuǎn)換為4-20mA模擬量信號，輸入到PLC中的內(nèi)置A/D端口，PLC的CPU將采樣后的數(shù)字量與溫度設(shè)定值比較后得到溫度誤差，經(jīng)過PID運算得到控制輸出量，將控制量轉(zhuǎn)換為PWM脈寬調(diào)制信號，通過PLC晶體管高速開關(guān)量輸出接口DO,輸出到調(diào)功器，從而實現(xiàn)電加熱器的功率控制。

本系統(tǒng)選用的PLC為PWM輸出端口，但是筆者采用的是雙穩(wěn)態(tài)程序來模擬PWM輸出方式，此方式靈活性強，可設(shè)計成功能塊，可并且便于移植到其他程序中使用，體現(xiàn)其功能的通用性。實際工程PLC的PID控制程序如圖6所示。

圖6 PID控制梯形圖

1.3 PLC的TCP通信程序

PLC與上位機能否順利進行通信是本測控系統(tǒng)的關(guān)鍵點，測量單元將各類測量傳感器，固態(tài)繼電器和變頻器的信號實時傳送到計算機中，主要信號包括：

（1）高低溫水槽的溫度，測試樣機進出口的溫度，循環(huán)水泵的進口溫度；

（2）水泵電機變頻器的頻率，水泵出口壓力，換熱器出口壓力；

（3）管路總流量，冷水機組設(shè)置參數(shù)；

確定了需要發(fā)送的參數(shù)后編制下位機通信程序。首先需配置CPU的IP地址為192.168.0.1。啟用系統(tǒng)存儲器字節(jié)和時鐘存儲器字節(jié)。配置完成后，添加發(fā)送數(shù)據(jù)塊和接收數(shù)據(jù)塊，發(fā)送數(shù)據(jù)塊用于存儲PLC向上位機發(fā)送的數(shù)據(jù)，接收數(shù)據(jù)塊用于存儲上位機向PLC發(fā)送的數(shù)據(jù)。在Main程序中添加開放式用戶通信中的發(fā)送程序塊TSEND_C和接收程序塊TRCV_C，詳細設(shè)置參數(shù)見圖7所示。

圖7 閉環(huán)控制原理

2 上位機軟件設(shè)計

2.1 虛擬儀器LabVIEW簡介

美國NI公司LabVIEW是一種采用圖形化編程語言的軟件開發(fā)平臺，以數(shù)據(jù)流的方式來執(zhí)行，具有豐富的圖形界面顯示模塊，對各類通信協(xié)議及數(shù)據(jù)庫多有良好的支持[6]。LabVIEW目前已在數(shù)據(jù)采集和工業(yè)控制領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，具有所見即所得的開發(fā)界面，易于上手。相對于傳統(tǒng)的代碼式編程語言的工程人員要求高軟件開發(fā)時間久等問題，虛擬儀器軟件平臺縮短了軟件的開發(fā)周期，具有經(jīng)濟、靈活、擴展方便等優(yōu)點[7-8]。

2.2 與PLC通信的實現(xiàn)

首先創(chuàng)建TCP連接“TCP OpenConnection”塊，并設(shè)置與PLC相同的IP地址，緊接著添加“TCP Read”塊，輸入斷區(qū)長度與PLC的發(fā)送數(shù)據(jù)塊長度一致。然后添加發(fā)送數(shù)據(jù)“TCP Write”塊，將參數(shù)設(shè)置值與反饋值，最后添加關(guān)閉連接“TCP Close Connection”塊，通信原理性程序如圖8所示。

圖8 TCP通信程序框圖

測試數(shù)據(jù)的記錄和查詢是測控軟件重要部分之一，在系統(tǒng)設(shè)計方案中考慮到數(shù)據(jù)庫的穩(wěn)定性和便捷性采用Access數(shù)據(jù)庫，LabVIEW中需使用LabSQL工具包實現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫的訪問。

3 試驗驗證

3.1 溫度疲勞試驗參數(shù)的確定

一般型式試驗按最嚴格條件來考核樣品性能，微通道換熱器采用T3氣候環(huán)境測試結(jié)果作為基準。在焓差實驗室中進行整機測試，待機組各個工況參數(shù)穩(wěn)定后30分鐘進行數(shù)據(jù)采集，來得到換熱器進出口的溫度差。

3.2 測控軟件及測試過程

換熱器交變耐久測試系統(tǒng)采用計算機軟件為控制中心，開始試驗時，首先輸入測試條件，包括高溫上限、低溫下限、循環(huán)周期、切換時間等。設(shè)置好參數(shù)后，點擊開始按鈕后，系統(tǒng)即可自動開始試驗，試驗過程中的界面如圖10所示。

圖1 微通道換熱器

圖9 高溫工況下的進出口溫度

圖10 測控軟件界面

4 結(jié)語

本文設(shè)計的基于LabVIEW和PLC的微通道換熱器測量控制系統(tǒng)，可以完成計算機對PLC的TC通信，PLC的PID控制可以實現(xiàn)高低溫水槽溫度的準確控制，并且溫度波動較少。試驗結(jié)果證明了，該測控軟件具有界面友好，操作簡單，功能豐富，運行穩(wěn)定可靠。

另外，微通道換熱器溫度交變測試結(jié)果也可推廣到其他換熱器應(yīng)用于制冷空調(diào)時考量換熱器的壽命評估，根據(jù)測試結(jié)果來改善結(jié)構(gòu)設(shè)計使得換熱器結(jié)構(gòu)更合理，進一步提升了換熱器的設(shè)計水平。