氣液兩相流PLC控制小型實驗裝置設(shè)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(zhì)所組成的流動系統(tǒng)，主要研究氣體跟液體這兩種不同物質(zhì)之間的科學(xué)問題。氣液兩相流動態(tài)參數(shù)的實時監(jiān)測對于實現(xiàn)生產(chǎn)過程及設(shè)備的控制、促進生產(chǎn)工藝和工程設(shè)備發(fā)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(shè)計了基于MCGS組態(tài)軟件的兩相流虛擬仿真實驗控制界面，實現(xiàn)了對實驗裝置中兩相流幾種典型流型的發(fā)生和控制。最后，通過分析大規(guī)模實驗數(shù)據(jù)和實驗圖片，繪制出氣液兩相流的流型分布圖。

關(guān)鍵詞：氣液兩相流；PLC控制；MCGS組態(tài)軟件；流型

中圖分類號：O359+.1 文獻標(biāo)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(guī)則及其不同運動狀態(tài)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(fā)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(yīng)用基礎(chǔ)學(xué)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(fù)雜，兩者的本質(zhì)也有著顯著的區(qū)別，尤其是其流型的復(fù)雜程度和多樣性。

氣液兩相流流型是兩相流的構(gòu)造形式，是氣、液兩相之間界面分布呈現(xiàn)不同結(jié)構(gòu)形式或不同幾何圖形的現(xiàn)象。由于氣體和液體在一起流動的過程中，兩相均可發(fā)生形變，且兩相界面不斷變化，進而兩相介質(zhì)的分布狀態(tài)也會不斷變化，從而導(dǎo)致流型變的復(fù)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(shè)計也至關(guān)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(guī)律研究的重要組成方面，也直接關(guān)系到兩相流學(xué)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(jié)合考慮，先判斷出流型的種類，再根據(jù)各種流型的特點，分析其流動特性。國內(nèi)外諸多學(xué)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(huán)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(shè)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(tǒng)。通過進行兩相流實驗，認識氣液兩相流在工業(yè)生產(chǎn)中的重要作用，學(xué)習(xí)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(fù)雜工業(yè)生產(chǎn)過程，自主實現(xiàn)模擬工業(yè)過程的檢測和控制技術(shù)具有重要的意義。

1 氣液兩相流實驗系統(tǒng)設(shè)計

以PLC控制為核心，主要實現(xiàn)壓力、流量各參數(shù)的采集，通過對各管道調(diào)節(jié)閥開度的控制調(diào)節(jié)各管道流體的流速，來實現(xiàn)氣液兩相流典型流型的發(fā)生和控制。利用MCGS組態(tài)軟件平臺進行組態(tài)畫面設(shè)計，實現(xiàn)各畫面之間相互聯(lián)系，切換方便、快捷。最后，實現(xiàn)PLC硬件控制系統(tǒng)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(shè)計

物理實驗裝置管線布局如圖1所示。在物理實驗系統(tǒng)中加入壓力和流量檢測儀表，實現(xiàn)對流量、壓力參數(shù)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(tài)的特點；②實驗管線要有一定的長度，使進、出口留有適當(dāng)?shù)姆€(wěn)定段。

實驗裝置的工作過程如下：①來自空壓機的氣體經(jīng)緩沖罐到流量調(diào)節(jié)閥和氣體流量計后進入T形管道與液體混合，然后經(jīng)過一段管路后進入到觀察段。②水流經(jīng)儲水罐經(jīng)離心泵、流量調(diào)節(jié)閥和其相應(yīng)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(huán)實驗。

1.2 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計

通過PLC為控制實驗系統(tǒng)中氣體和液體流量，實現(xiàn)流量、壓力等檢測參數(shù)的記錄。本系統(tǒng)所采用的PLC控制模塊是羅克韋爾AB（Micro830）。本系統(tǒng)的PLC編程任務(wù)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(tǒng)功能的完整實現(xiàn)，我們將水路和氣路上的電磁閥分別由2個不同的開關(guān)控制開閉。在編寫梯形圖程序時，使用輔助觸點實現(xiàn)1個開關(guān)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(dǎo)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(xiàn)對交流異步電機的軟起動、變頻調(diào)速、提高運轉(zhuǎn)精度、改變功率因素、過流/過壓/過載保護等功能。本系統(tǒng)采用PLC編程的通信方式控制變頻器，從而調(diào)節(jié)三相異步電動機的轉(zhuǎn)速。

1.2.3 傳感器數(shù)據(jù)采集控制

本系統(tǒng)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(shù)據(jù)均通過PLC采集，傳感器的模擬量在傳送到PLC后需要進行數(shù)值轉(zhuǎn)換。

1.3 MCGS虛擬組態(tài)界面設(shè)計

根據(jù)控制要求，利用MCGS組態(tài)軟件進行控制界面設(shè)計，主要完成組態(tài)界面與PLC控制器之間的通信連接、數(shù)據(jù)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(tài)的主控界面。

在MCGS組態(tài)軟件系統(tǒng)中，由設(shè)備窗口負責(zé)建立系統(tǒng)與外部硬件設(shè)備的連接，使得MCGS能從外部設(shè)備讀取數(shù)據(jù)并控制外部設(shè)備的工作狀態(tài)，實現(xiàn)對應(yīng)實驗過程的實時監(jiān)控。通過虛擬仿真軟件MCGS與PLC的通訊，實現(xiàn)PLC對電磁閥的控制以及壓力、流量等參數(shù)的采集與存儲，最終實現(xiàn)利用MCGS虛擬仿真界面控制物理模擬實驗過程。在調(diào)試途中，依據(jù)“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(shù)據(jù)采集、流量調(diào)節(jié)，泵控制分別進行檢定、調(diào)試，然后進行整個控制系統(tǒng)的試運行，檢查其中的錯誤并改正，最終保證該控制系統(tǒng)能夠正常運行。

2 氣液兩相流流型實驗結(jié)果分析

本測試裝置側(cè)重于觀察管道內(nèi)部兩相流流動狀態(tài)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(tài)，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(tài)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(yīng)關(guān)系，繪制出流型分布圖如圖5所示。

3 結(jié)論

以兩相流的流動狀態(tài)監(jiān)控、參數(shù)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(fā)了一套適合于自動化專業(yè)工程實踐的小型兩相流流動實驗裝置。利用MCGS組態(tài)界面與PLC的結(jié)合，實現(xiàn)了對模擬實驗裝置中兩相流典型流型的發(fā)生和控制，并且實現(xiàn)流量、壓力參數(shù)的檢測。這一小型兩相流實驗系統(tǒng)對于建立兩相流及復(fù)雜工業(yè)生產(chǎn)過程的認識、自主實現(xiàn)模擬工業(yè)過程的檢測和控制技術(shù)具有重要意義。

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〔編輯：劉曉芳〕