基于虚拟仪器的供热系统的供热调节

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[摘 要] 本设计采用LabVIEW 8.5版（中文版）虚拟仪器软件平成了温度范围40℃～95℃调节以达到控制供热系统流量的目的。该系统具有自动检测温度数值大小、温度提示以及温度和流量调节的功能。本文在分析本系统功能需求的基础上，简单介绍了程序在设计中用到的重要概念如虚拟仪器、换热器、变送器及执行器等，给出了本设计的系统程序实现的图形。本设计主要通过虚拟仪器平台对采集到的换热器的模拟温度进行调节控制，接下来使用DDZ-Ⅲ型热电偶变送器和电动执行机构对模拟温度进行数据处理和机动蒸汽流量调节以使换热器出水口温度达到规定温度范围。

[关键词] 虚拟仪器（LabVIEW） 变送器 换热器 调节系统

1.虚拟仪器、换热器、变送器、执行器简介

1.1虚拟仪器

虚拟仪器的概念是由美国国家仪器公司（National Instruments）最先提出的。所谓虚拟仪器是基于计算机的软硬件测试平台，它可代替传统的测量仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器、频谱分析仪等；可集成于自动控制、工业控制系统之中；可自由构建成专有仪器系统。

1.2换热器

换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，又称热交换器。

换热器的应用广泛，日常生活中取暖用的暖气散热片、汽轮机装置中的凝汽器和航天火箭上的油冷却器等，都是换热器。它还广泛应用于化工、石油、动力和原子能等工业部门。它的主要功能是保证工艺过程对介质所要求的特定温度，同时也是提高能源利用率的主要设备之一[1]。

1.3变送器

变送器除有传感的功能之外还有放大整形的功能，输出为标准的控制信号。如：4~20mA。

1.4执行器

执行器（final controlling element）是自动化技术工具中接收控制信息并对受控对象施加控制作用的装置。

角行程执行机构的输入信号为4~20mA(DC)，输入电阻为250Ω，输出转矩为16、40、100、250、600、1600、4000、10000（N*m）、输出转角为90度，全行程为2秒，基本误差为正负2.5%，变差为1.5%[2]。输出轴转角θ与输入信号Ii的关系为：θ=K*Ii

由于本设计的目的是采用温度控制流量，所以这里使用电动执行机构中的角行程机构，变送器选用DDZ--Ⅲ型热电偶温度变送器[6]。

2.温控方案及设计流程

2.1使用公式节点方法实现温度控制

（1）温度小于40℃的情况

当输入温度小于40℃时，此程序执行后输出值为温度规定范围的下限值40℃。

（2）温度在40℃～95℃之间的情况（略）

当输入温度在40℃～95℃之间时，此程序执行后输出值为输入温度值[3]。

（3）温度大于95℃的情况（略）

当输入温度大于95℃时，此程序执行后输出值为温度规定范围的上限值95℃。

由于此方案只是在控制范围的最高最低值两点上给予了控制输出，虽然是可行的，但是其功能实现上缺少人为操作环节。故在本设计中采用了下面的方案[4]。

2.2使用局部和全局变量实现温度控制

虚拟单元的主要流程图如图1所示，接收换热器的温度检测设备的输出模拟温度并对其进行实时控制调节以达到设计需要的温度范围要求，并最终将模拟输出温度送至变送单元进行数据处理[5]。

图1虚拟温调单元流程图

3.系统程序的实现

3.1使用局部和全局变量实现温度控制（实际方案实现）

（1）温度小于40℃的情况

如图2所示，当模拟输入温度小于40℃时，运行后，程序检测出现场温度小于温度调节的最小值，定时器计数完成后弹出比正常值低的“差值”的界面，鼠标点击“调节”便立即跳出增加温度界面，可输入大于“差值”的值进行调节，调节温度达到输出范围40℃~95℃之内为止，以最终改变开始的输入温度界面[7]。

（2）温度在40℃~95℃之间的情况（界面图略）

当模拟输入温度在40℃~95℃时，运行后程序检测出其现场温度值在温度调节范围之内，定时器计数完成后则停留在该界面，即相当最终的调节后的输入温度界面。

（3）温度大于95℃的情况（界面图略）

当模拟输入温度大于95℃时，运行后程序检测出大于温度调节的最大值，定时器计数完成后弹出比正常值高的“差值”的界面，鼠标点击“调节”便立即跳出减小温度界面即可输入大于“差值”进行调节使得调节后温度达到输出范围40℃~95℃之内为止，以最终改变开始的输入温度界面[8]。

图2 温度小于40℃温度控制界面图

3.2数据处理及执行

本设计的数据处理就是指变送单元（DDZ--Ⅲ型热电偶温度变送器）和执行单元动作，即根据虚拟温调单元调节后的模拟输出温度的值，将其与变送单元连接以达到温度到电信号的数据转换，并在该单元中进行相关的数据补偿及安全火花防爆保护以最终输出达到4~20mA(DC)或1~5V范围。

执行单元采用角行程执行机构，其由伺服放大器和执行机构两部分组成，且该机构使用于操纵碟阀、挡板等转角式调节机构。伺服放大器将输入信号和反馈信号相比较，所得差值信号经功率放大后，驱使两相伺服电机转动，再经减速器减速，带动输出轴改变转角。若差值为正，伺服电机正转，输出轴转角增大；当差值为负时，伺服电机反转，输出轴转角减小。输出轴转角位置发送器转换成相应的反馈电流，回送到伺服放大器的输入端，当反馈信号与输入信号相平衡，即差值为零时，伺服电机停止转动，输出轴就稳定在于输入信号相对应的位置上[9]。输出轴转角θ与输入信号Ii的关系为：θ=K* Ii （ K为比例系数）。

4.结语

虚拟仪器是今后仪器仪表、测试控制研究与发展的方向，用NI公司的LabWindows／CVI作为软件开发平台，比常用的面向对象软件编程难度大大降低，使得软件开发效率高，界面友好，功能强大，且扩展性好，对采集到的数据可用于高级分析库进行信号处理，也可以为了使所得测试曲线符合实际情况，进行拟合处理。总之，运用虚拟仪器技术构成实用的测控系统将成为仪器和测试技术发展的一个重要方向。本文通过虚拟仪器平台对采集到的换热器的模拟温度进行调节控制，并使用DDZ-Ⅲ型热电偶变送器和电动执行机构对模拟温度进行数据处理和机动蒸汽流量调节以使换热器出水口温度达到规定温度范围（40℃~95℃）。

参考文献：

[1]贺平，孙刚主编.供热工程（第三版），中国建筑工业出版社，1993.11.

[2]吴成东，孙秋野等.LabVIEW虚拟仪器程序设计及应用（LabVIEW8.5）人民出版社，2008.12.

[3]杨乐平，李海涛等. LabVIEW高级程序设计[M].清华大学出版社，2003,4:42―50.

[4]连海洲，赵英俊. 基于LabVIEW技术的虚拟仪器系统[J].仪器与测控，2001,8:21―23.

[5]曹玲芝主编.现代测试技术及虚拟仪器[M].北京：北京航空航天大学出版社，2004.18―20.

[6]侯国屏，王坤，叶齐鑫. LabVIEW 7.1 编程与虚拟仪器设计[M].北京：清华大学出版社，2005.407―415.

[7]余成波，冯丽辉，潘盛辉等编著. 虚拟仪器技术与设计[M].重庆大学出版社，2006.7.

[8]施仁，刘文江，郑辑光，王勇等. 自动化仪表与过程控制（第四版），电子工业出版社，2009.2.

[9]吴勤主编.控制仪表及装置（第三版），化学工业出版社，2008.1.

作者简介：

刘满平（1957-），男，陕西高陵，教授，主要从事给排水、供热及测量的教学和研究工作。