基于虛擬儀器的換熱器溫度耐久試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王冠軍

（浙江盾安熱工科技有限公司，諸暨311835）

0 引言

中國(guó)房間空調(diào)器市場(chǎng)規(guī)模逐年穩(wěn)步增長(zhǎng)，已經(jīng)成為世界最大房間空調(diào)器生產(chǎn)國(guó)，空調(diào)器的年用電量已經(jīng)超過(guò)全國(guó)電力消耗的首位[1-2]。開(kāi)發(fā)高效換熱器在節(jié)約能用以及應(yīng)對(duì)環(huán)保冷媒具有重要意義。微通道換熱器是近年來(lái)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(shì)，近年來(lái)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(yùn)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(dāng)，會(huì)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(guó)家對(duì)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(duì)整機(jī)防止泄漏要求會(huì)更高，所以必須對(duì)室外換熱器進(jìn)行溫度交變可靠性試驗(yàn)。

本文依據(jù)換熱器溫度交變?cè)囼?yàn)要求，設(shè)計(jì)了微通道換熱器溫度交變壽命試驗(yàn)臺(tái)架和上位機(jī)控制系統(tǒng)。試驗(yàn)臺(tái)架采用西門子S7-1200系列PLC作為下位機(jī)來(lái)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(dá)到高精度的良好效果，本文采用PID閉環(huán)負(fù)反饋控制技術(shù)，基于美國(guó)國(guó)家儀器公司（NI）虛擬儀器軟件平臺(tái)LabVIEW開(kāi)發(fā)的上位機(jī)控制系統(tǒng)，利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，將試驗(yàn)臺(tái)中不同儀表的各個(gè)實(shí)時(shí)信號(hào)采集到測(cè)控軟件中，來(lái)實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和記錄，同時(shí)具備智能計(jì)算和安全保護(hù)功能，有效地保證了微通道換熱器溫度交變測(cè)試系統(tǒng)的長(zhǎng)期運(yùn)行。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)臺(tái)架系統(tǒng)需求分析

溫度交變?cè)囼?yàn)是模擬空調(diào)系統(tǒng)切換化霜過(guò)程時(shí)換熱器的冷熱變換過(guò)程，屬于換熱器機(jī)械加速壽命測(cè)試。根據(jù)試驗(yàn)?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(guò)切換控制閥將冷熱流體通過(guò)換熱器達(dá)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?cè)囼?yàn)系統(tǒng)

根據(jù)空調(diào)運(yùn)行特點(diǎn)與換熱器溫度交變測(cè)試要求，確定本測(cè)試系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)軟件采集記錄試驗(yàn)過(guò)程中的溫度、壓力等信息，同時(shí)并能夠與用戶進(jìn)行信息交互，這樣能夠根據(jù)試驗(yàn)過(guò)程反饋的信息及時(shí)調(diào)整參數(shù)設(shè)置。所以合理的方案是上位機(jī)結(jié)合下位機(jī)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。目前比較成熟的測(cè)控系統(tǒng)有4類不同級(jí)別的方案，如圖3所示。

圖3 測(cè)控系統(tǒng)不同方案

制冷空調(diào)用換熱器溫度交變測(cè)試實(shí)際較長(zhǎng)，根據(jù)不同應(yīng)用環(huán)境的嚴(yán)酷條件，最長(zhǎng)可運(yùn)行3個(gè)月左右。另外考慮到測(cè)控系統(tǒng)的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性，確定了PLC作為下位機(jī)，計(jì)算機(jī)作為上位機(jī)的PC&PLC組合，最后確定的系統(tǒng)方案如圖4所示。

圖4 測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

西門子S7-1200系列PLC運(yùn)行速度快、穩(wěn)定可靠、市場(chǎng)占有率達(dá)、維護(hù)便捷，所以成為下位機(jī)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(jì)算機(jī)與PLC通信，同時(shí)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(jī)采用研華IPC610L系列工業(yè)控制計(jì)算機(jī)。上位機(jī)與下位機(jī)采用TCP通信協(xié)議。

圖5 S7-1200 PLC配置實(shí)物

1.2 PLC的PID控制

溫度交變?cè)囼?yàn)系統(tǒng)中兩個(gè)水箱加熱器的控制策略有所不同，高溫水箱特點(diǎn)是設(shè)備開(kāi)始運(yùn)行時(shí)加熱功率較大，待達(dá)到設(shè)定溫度后，其加熱負(fù)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(shí)也兼顧控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。低溫水箱特點(diǎn)是具有加熱負(fù)荷和降溫負(fù)荷，降溫負(fù)荷體現(xiàn)在制冷功率中，下限溫度低于20攝氏度時(shí)，主要使用制冷量來(lái)平衡被試件的熱負(fù)荷。當(dāng)下限溫度高于20攝氏度時(shí)，需要開(kāi)啟加熱器。這是因?yàn)橹评淞坎捎醚h(huán)泵控制循環(huán)流量，單獨(dú)依靠水泵控制精度不高，尤其是制冷量大于被試件熱負(fù)荷時(shí)，需要開(kāi)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(cè)溫，熱電偶模塊將傳感器采集到的溫度變化信號(hào)轉(zhuǎn)換為4-20mA模擬量信號(hào)，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(guò)PID運(yùn)算得到控制輸出量，將控制量轉(zhuǎn)換為PWM脈寬調(diào)制信號(hào)，通過(guò)PLC晶體管高速開(kāi)關(guān)量輸出接口DO,輸出到調(diào)功器，從而實(shí)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(lái)模擬PWM輸出方式，此方式靈活性強(qiáng)，可設(shè)計(jì)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(shí)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(jī)能否順利進(jìn)行通信是本測(cè)控系統(tǒng)的關(guān)鍵點(diǎn)，測(cè)量單元將各類測(cè)量傳感器，固態(tài)繼電器和變頻器的信號(hào)實(shí)時(shí)傳送到計(jì)算機(jī)中，主要信號(hào)包括：

（1）高低溫水槽的溫度，測(cè)試樣機(jī)進(jìn)出口的溫度，循環(huán)水泵的進(jìn)口溫度；

（2）水泵電機(jī)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(jī)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(jī)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(chǔ)器字節(jié)和時(shí)鐘存儲(chǔ)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(chǔ)PLC向上位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)，接收數(shù)據(jù)塊用于存儲(chǔ)上位機(jī)向PLC發(fā)送的數(shù)據(jù)。在Main程序中添加開(kāi)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(xì)設(shè)置參數(shù)見(jiàn)圖7所示。

圖7 閉環(huán)控制原理

2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

2.1 虛擬儀器LabVIEW簡(jiǎn)介

美國(guó)NI公司LabVIEW是一種采用圖形化編程語(yǔ)言的軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，以數(shù)據(jù)流的方式來(lái)執(zhí)行，具有豐富的圖形界面顯示模塊，對(duì)各類通信協(xié)議及數(shù)據(jù)庫(kù)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(jiàn)即所得的開(kāi)發(fā)界面，易于上手。相對(duì)于傳統(tǒng)的代碼式編程語(yǔ)言的工程人員要求高軟件開(kāi)發(fā)時(shí)間久等問(wèn)題，虛擬儀器軟件平臺(tái)縮短了軟件的開(kāi)發(fā)周期，具有經(jīng)濟(jì)、靈活、擴(kuò)展方便等優(yōu)點(diǎn)[7-8]。

2.2 與PLC通信的實(shí)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(zhǎng)度與PLC的發(fā)送數(shù)據(jù)塊長(zhǎng)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(cè)試數(shù)據(jù)的記錄和查詢是測(cè)控軟件重要部分之一，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案中考慮到數(shù)據(jù)庫(kù)的穩(wěn)定性和便捷性采用Access數(shù)據(jù)庫(kù)，LabVIEW中需使用LabSQL工具包實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的訪問(wèn)。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 溫度疲勞試驗(yàn)參數(shù)的確定

一般型式試驗(yàn)按最嚴(yán)格條件來(lái)考核樣品性能，微通道換熱器采用T3氣候環(huán)境測(cè)試結(jié)果作為基準(zhǔn)。在焓差實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行整機(jī)測(cè)試，待機(jī)組各個(gè)工況參數(shù)穩(wěn)定后30分鐘進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，來(lái)得到換熱器進(jìn)出口的溫度差。

3.2 測(cè)控軟件及測(cè)試過(guò)程

換熱器交變耐久測(cè)試系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)軟件為控制中心，開(kāi)始試驗(yàn)時(shí)，首先輸入測(cè)試條件，包括高溫上限、低溫下限、循環(huán)周期、切換時(shí)間等。設(shè)置好參數(shù)后，點(diǎn)擊開(kāi)始按鈕后，系統(tǒng)即可自動(dòng)開(kāi)始試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)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(jìn)出口溫度

圖10 測(cè)控軟件界面

4 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的基于LabVIEW和PLC的微通道換熱器測(cè)量控制系統(tǒng)，可以完成計(jì)算機(jī)對(duì)PLC的TC通信，PLC的PID控制可以實(shí)現(xiàn)高低溫水槽溫度的準(zhǔn)確控制，并且溫度波動(dòng)較少。試驗(yàn)結(jié)果證明了，該測(cè)控軟件具有界面友好，操作簡(jiǎn)單，功能豐富，運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

另外，微通道換熱器溫度交變測(cè)試結(jié)果也可推廣到其他換熱器應(yīng)用于制冷空調(diào)時(shí)考量換熱器的壽命評(píng)估，根據(jù)測(cè)試結(jié)果來(lái)改善結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使得換熱器結(jié)構(gòu)更合理，進(jìn)一步提升了換熱器的設(shè)計(jì)水平。