基于LabVIEW 的小型精馏塔测控系统开发

2013-07-19李明月贺高红

实验室研究与探索 2013年4期

李明月，肖武，都健，贺高红

(大连理工大学精细化工国家重点实验室，膜科学与技术研究开发中心，化工学院，辽宁大连116024)

0 引言

化工过程实验常常需要进行温度、压力、流量和液位等参数的测量，同时还需根据实验要求进行过程温度、压力、流量、液位和产品质量等参数的控制［1］。LabVIEW［2］作为测控系统开发平台提供数百种功能模块，涵盖了测控的各个环节，用户需根据测控系统任务要求和自己的需求，找到相应的图形化功能模块与图形控件，进行逻辑有序的程序框图设计与界面设计，配以相应硬件便可在短时间内搭建出高效且实用的测控系统，完成各种测控任务，最大程度发挥开发者的主观能动性［3-4］。同时，LabVIEW 支持多种仪器和数据采集硬件的驱动，降低了硬件设计难度［5］。

Henry［6］采用LabVIEW 构建了板式精馏塔、燃气热水器、管壳式换热器等实验室设备的测控系统，其中乙醇和水精馏测控系统已用于远程实验教学。Johnsen［7］采用LabVIEW 构建了甲醇和水精馏测控系统，其控制系统采用简化精馏模型，根据温度估计组成，并将组成反馈给控制器构成回路实现组成控制。近年来，国内高校开始引入现代测控技术，使其融入到实验室小设备中，利用研制的测控系统提高实验条件与效率，更好地服务于教学和科研。王宇等［8-9］采用VB 自主研发了具有计算机在线数据采集与控制功能的精馏实验装置。乐清华等［10］采用MCGS 构建几套化工工艺与工程专业实验教学装置的计算机在线控制与检测系统。但是VB、MCGS 这类开发软件仍有一定的专业知识要求，化工专业的学生与科研人员使用这些开发软件还是存在一定难度。余宾等［11］利用LabVIEW 8.2 开发了一套冷却塔填料性能测试台，可进行各种类型填料的性能测试，实现了试验工况记录、数据采集与处理。王晓等［12］基于LabVIEW 软件开发了换热器试验装置测控系统，该系统分为实时测量、记录、分析和调节等几大功能模块，且具有工作稳定、自动化程度高、可操作性强等特点。但目前国内关于应用LabVIEW 开发精馏塔测控系统鲜有文献报道。

小型精馏塔测控系统主要是为实验教学与科研开发的。精馏塔所涉及的实验仪器设备，目前主要分为玻璃仪器、数字化仪器与智能仪器。玻璃仪器与数字化仪器以不同的方式显示测点数据，基本不具有其他功能。内置微处理器的智能仪器，既能进行自动测控又具有一定的数据处理功能，具有串口通讯功能，但是编程软件往往会限制非专业人员对这些仪器的进一步应用。因此，这些仪器往往功能较为简单，缺乏灵活的界面显示，缺乏数据存储、编辑、打印与分析处理能力，不能完整记录时间，不易与外围设备连接，测试程度自动化低，而且使用者的主观能动性很难体现。

本文采用NI-USB6008 数据采集模块、通用外围硬件、个人PC 与程序开发软件LabVIEW 8.6，研制了以实验室小型精馏塔为对象的计算机测控系统。测控系统设计任务包括模拟量输入、模拟量输出、数字量输出与智能仪器串口通信，系统具有数据采集、处理、显示、存储与仪器控制等功能。硬件设计与软件设计方法具有很好的通用性。

1 反应精馏实验装置

实验装置如图1 所示。反应精馏塔由双层玻璃制成，夹层抽真空且镀银。塔体分为两段，每段有效长度50 cm，塔内径30 mm，主体设备高约2 m，塔内填装∅3 mm 玻璃弹簧填料。

图1 实验装置及测控点分布

塔釜为500 mL 三口烧瓶，置于最大功率220 W电加热套中，塔釜加热采取功率控制方式。乙酸与乙醇分别从塔中部和下部进料，中间为反应段，出料采用间歇出料方式，由于实验精馏塔生产能力小，因此采用蠕动泵控制进出料流量。塔顶冷凝液呈液滴状，因此采用摆动式方法控制回流比。

精馏塔测控系统共3 个温度测点，即塔釜釜液、塔顶蒸汽、塔中蒸汽，1 个塔釜蒸汽压测点，另有塔釜电加热套、3 台蠕动泵、塔顶回流比共计5 个仪器控制点，均通过一定外部硬件，由LabVIEW 开发的测控系统控制其运行状态。具体测控点见图1。

2 精馏塔测控系统的开发

本文在现有硬件基础上使用LabVIEW 8.6 开发了化工原理实验室的反应精馏塔测控系统。系统设计任务分为人机交互界面设计、温度和压力测量(模拟输入)、电加热套功率控制(模拟输出)、回流比控制(数字量输出)与进出料泵运转控制(串口通信)。

2.1 人机交互界面设计

LabVIEW 提供了大量与实际仪器相似的旋钮、开关、指示灯等控件［13］。图2 为作者设计开发的反应精馏测控系统界面，分为3 个区域:仪器控制、数据采集、流程界面。仪器控制区中，用户通过鼠标与键盘控制仪器。回流比控制包括部分回流、全回流、回流时间、采出时间设置。塔釜加热功率模仿原加热套控制面板，配以数值显示，功率调控更加精确。3 台蠕动泵控制包括转速、启停、正反、全速设置。数据采集区使用波形图表达3 个温度测点与1 个压力测点数据的变化趋势，并配以数值显示，供用户进行实验分析，判断精馏塔运行状态以进行实验操作。流程界面主要显示主体设备与工艺流程，附有采集数据与仪器控制参数的数值显示。

图2 反应精馏测控系统界面

2.2 温度、压力测量系统(模拟量输入)

2.2.1 温度、压力测量系统硬件设计

温度与压力硬件组成基本相同，以温度为例，如图3 所示。温度信号的数据采集首先通过温度传感器Pt100，Pt100 的阻值与所测温度值近似为线性关系［14］，变送器将Pt100 阻值转换为1 ～5 V 电压值，通过NI-USB6008 模拟输入通道，经采集卡进行模拟量到数字量的A/D 转换后，由计算机实时显示、处理与分析。

图3 温度测量系统硬件结构图

2.2.2 温度、压力测量系统软件设计

本系统为模拟量输入，系统软件设计分为数据采集、处理、显示与存储。数据采集是数据采集卡与软件之间的交互，数据处理包括信号调理与工程量转换，数据显示分图表与数字两种方式，采用Excel 存储数据。

(1)数据采集、处理与显示。本系统采用NIUSB6008，因此可调用NI 采集卡的常用函数，快速搭建采集系统，温度测量系统程序框图如图4 所示。DAQ Assistant 通过对话框式的向导界面配置通道、设置模拟输入范围等来完成数字化的模拟信号采集，放入While 循环(While Loop. vi)中进行连续数据采集。拆分信号函数Split Signals 将采集到的多个信号拆分为多个分量信号。调用滤波器函数Filter 对信号低通滤波，对干扰进行抑制与衰减。从动态数据转换函数将动态数据类型转换为可与其他VI 和函数配合使用的数值类型。通过移位寄存器、创建数组函数Build Array、数组元素相加函数Add Array 与除函数Divide对数据进行平均值滤波，进一步抑制干扰。调用表达式节点函数Expression Node 将输入作为变量，对滤波处理后的数据做工程量转换，输出为系统温度值。Wave Chart 控件与数值显示控件分别以图形化与数值方式显示数据。

图4 温度测量系统框图

(2)数据存储。以温度为例，如图5 所示。

图5 数据存储框图

调用格式化日期/时间字符串函数Format Date/Time String、连接字符串函数Concatenate Strings、字符串至路径转换函数String to Path 构造文件基本操作最重要输入参数——路径，如C:Distillation Data2012-0412-2256. xls，属绝对路径。如图5 所示，While 循环外，调用文件基本操作打开/创建/替换文件Open/Create/Replace File 创建文件，如2012-0412-2256. xls。设置文件位置函数Set File Position 用于在当前文件起始处设置标记，为后续文件写入操作参数设置服务。调用写入文本文件函数Write to Text File 按照设置的起始位置，以一定格式写入字符串，格式由格式化写入字符串函数Format Into String 设置，如在2012-0412-2256.xls 文件的第一行的4 个单元格内分别写入采集时间、塔顶温度、塔中温度、塔底温度这4 个字符串。While 循环内，为了提高数据存储的灵活性，加入条件结构函数Case Structure，使用者可根据实验要求与数据价值，通过操作界面的布尔控件决定数据是全程存储还是阶段性存储。其他文件操作相同，仅参数设置不同。While 循环外的关闭文件函数Close File 用于关闭打开文件，停止文件写入操作。文件存储结果如图6 所示。

图6 数据存储结果

2.3 电加热套功率控制系统(模拟量输出)

2.3.1 电加热套功率控制系统硬件设计

电加热套功率控制系统硬件结构如图7 所示。用户通过人机界面改变功率值，采集卡接收计算机输出的数字信号，经D/A 转换为0 ～5 V 的电压信号，单相周波调功模块DTG-220D10E 接收弱电信号，输出相应强电压，电加热套功率随之改变。

图7 电加热套功率系统硬件结构图

2.3.2 电加热套功率控制系统软件设计

本系统为模拟量输出，系统软件设计分为功率控制面板设计、工程量转换、数据输出与存储。功率控制面板仿照原电加热套控制面板，采用旋钮控件，启用控件自带的数字显示，方便用户准确调节功率。电加热套功率通过局部变量同温度、压力数据在整体编程中以相同方式进行存储，原理相同。程序运行结构采取While 循环与条件结构结合的方式，事件驱动是被动等待的过程，一旦改变电加热套加热功率值，程序便开始响应，相比于单纯While 循环不断询问事件是否发生，这种运行结构处理效率更高。公式函数Formula提供计算器界面创建数学公式，将手动输入的功率值转换为相应模拟信号值，数学公式为X1×4.5/220 +0.3，X1为功率值(0≤X1≤220)，最终结果为模拟通道输出的电压值，范围为0.3 ～4.8 V。转换至动态数据函数Convert To Dynamic Data 将数值数据转换成可与DAQ Assistant Express VI 配合使用的动态数据类型。DAQ Assistant Express VI 输出模拟信号与输入模拟信号设置方法相同，仅通道类型、信号范围等参数不同。程序框图如图8 所示。

图8 电加热套功率控制系统框图

2.4 回流比控制系统(数字量输出)

2.4.1 回流比控制系统硬件设计

回流比控制系统硬件结构如图9 所示。用户通过人机界面改变回流比，采集卡接收计算机输出的数字信号，单相固态继电器SDP4005D 接收采集卡数字输出通道输出的高、低电平，控制电磁铁通断电状态。高电平时，继电器导通，电磁铁带电，电磁铁吸引冷凝头中的摆锤，液体顺着摆锤流动，液体被采出;相反，低电平输出时，继电器不导通，电磁铁不带电，摆锤不被吸引，液体回流到塔中。

2.4.2 回流比控制系统软件设计

本系统为数字量输出，系统软件设计分为回流比控制面板设计、数字信号输出、信号输出方式设计与控制信息存储。其中回流比数据通过局部变量同温度、压力数据在整体编程中以相同方式进行存储，原理相同。程序框图如图10 所示。

(1)回流比控制面板设计。根据精馏实验要求，控制面板包括全回流与部分回流切换的布尔控件以及回流时间与采出时间数值输入控件。

(2)数字量输出。数字量输出作用是将计算机发出的开关动作逻辑信号经数字输出通道传送给电子开关，即单项固态继电器，以控制电磁铁带电状态。以图10 中平铺结构Flat sequence 第1 帧内关动作逻辑信号的输出为例。创建通道函数DAQmx Create Channel指定Dev1/port1/line3 端口生成虚拟通道，添加数字输出任务。开始任务函数DAQmx Start Task 使数字输出任务处于运行状态。写入函数DAQmx Write 在生成的虚拟通道的任务中，写入布尔采样False，数字量输出通道输出低电平0 V，外围硬件断电，液体回流，停止任务函数DAQmx Stop Task 与清除任务函数DAQmx Clear Task 相继完成输出结束、输出任务清除功能，数字量输出任务完成。等待函数Wait 用来控制低电平0 V 数字量输出信号的输出持续时间，即回流时间。

图10 回流比控制系统部分框图

(3)信号输出方式设计。信号输出方式设计包括部分回流和全回流与部分回流切换。图10 的条件结构真分支内，While 循环与平铺结构使开关动作逻辑信号以一定时间间隔按顺序连续输出，如低电平0 V 5 s 与高电平5 V 1 s 连续输出，回流比为5;条件结构假分支内，只有低电平0 V 输出，外围硬件断电，为全回流。布尔控件垂直划动杆开关用来实现全回流与部分回流的切换。外部While 循环不断扫描查看用户是否就回流比进行操作。

2.5 进出料泵运行控制系统(串口通信)

2.5.1 进出料泵运行控制系统硬件设计

流量控制系统硬件结构如图11 所示。计算机RS-232 接口通过RS-232 转RS-485 转换模块控制3 台具有RS-485 接口的蠕动泵。

图11 流量控制系统硬件结构图

2.5.2 进出料泵运行控制系统软件设计

本系统程序运行结构与电加热套程序运行结构相同，均是While 循环与条件结构结合的方式，目的是提高程序运行效率。平铺结构顺序控制3 台泵，3 台泵接收命令时间相差不到300 ms，近似同步控制。程序设计分为串口初始化、控制命令输出与数据存储。流量控制数据存储通过局部变量同温度、压力数据在整体编程中以相同方式进行存储，原理相同。LabVIEW通过调用VISA 函数的程序进行串口仪器通信［15-16］。串口初始化与乙酸进料泵控制程序框图如图12 所示。

图12 流量控制系统部分框图

串口初始化是通信的基础。图12 平铺结构第1帧为串口初始化程序，VISA 配置串口函数VISA Configure Serial Port 将串口COM1 按设置参数初始化:输入端口波动率1 200，数据位8，偶校验;停止位1。第2 帧内，VISA 写入函数VISA Write 将字符串命令发送给串口COM1 控制泵的运行状态，其命令串的帧格式为:flag + addr + len + pdu + fcs。flag 为帧头，1 byte，本文固定格式为E9。addr 为仪器地址编号，1 byte。len 为pdu 长度，1 byte，本文固定格式为06。fcs是addr、len、pdu 的异或。pdu 设置运行参数，6 byte，WJ + 转速2 byte + 全速、启停状态1 byte + 方向状态1 byte。例如设置乙酸进料泵为顺时针运转，转速为30 r/min，命令串为E9 01 06 57 4A 01 2C 01 01 37。命令串的获取需将输入信息进行进制转换、字符串与数值转换以及二进制异或运算等，这里不做赘述。调用VISA 关闭函数VISA Close 关闭串口，释放系统资源。平铺顺序结构3 ～6 帧与1、2 帧编程方法基本相同。

3 结语

本文基于LabVIEW，采用NI-USB6008 数据采集卡与实验室常见的通用外围硬件开发了小型精馏塔的计算机测控系统，可实现温度和压力等数据的在线采集和存储，灵活的数据存储大大减少了实验工作量。同时实现了进出料泵的运转状态、塔顶回流比和加热功率的准确控制。测控界面分区的设计方式、接近实际仪器的操作面板、数据趋势图与数值的显示方式以及配有数据的简易流程图极大地方便了使用者进行实验分析与操作，在实验应用中取得了很好的效果。同时，LabVIEW 图形化的编程语言、精馏测控系统模块化的程序开发方式以及采用的通用外围硬件可方便使用者进行高效的程序修改与系统升级。

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