張?zhí)绎w，沈 捷，王正飛，俞 健，黃 彥，劉 強

(1.南京工業(yè)大學自動化與電氣工程學院，江蘇南京 210000；2.南京高謙功能材料科技有限公司，江蘇南京 210009；3.南京工業(yè)大學材料化學工程重點實驗室，江蘇南京 210009)

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基于LabVIEW與PLC的過濾材料純水通量測試系統(tǒng)設計

張?zhí)绎w1，沈 捷1，王正飛2，俞 健3，黃 彥3，劉 強3

(1.南京工業(yè)大學自動化與電氣工程學院，江蘇南京 210000；2.南京高謙功能材料科技有限公司，江蘇南京 210009；3.南京工業(yè)大學材料化學工程重點實驗室，江蘇南京 210009)

純水通量是表征過濾材料(特別是膜材料)滲透性能的重要參數(shù)。為準確、快速的實現(xiàn)純水通量的測定，本工作設計了一套自動測試系統(tǒng)，并詳細說明了其硬件結構和軟件設計方法。該測試系統(tǒng)以LabVIEW作為上位機的開發(fā)平臺，通過調用VISA接口函數(shù)并采用了西門子PPI協(xié)議，實現(xiàn)了LabVIEW與下位機西門子PLCS7-200的串口通訊。測試系統(tǒng)集上位機數(shù)據(jù)采集﹑數(shù)據(jù)顯示和數(shù)據(jù)保存于一體。測試結果表明，該系統(tǒng)界面友好、運行穩(wěn)定、測試重復性好，達到了設計的要求。

PLC ；LabVIEW；VISA；串口通訊；PPI協(xié)議；純水通量測試系統(tǒng)

0 引言

過濾材料不僅廣泛應用于污水處理[1]和食品制造行業(yè)，而且在制藥行業(yè)和新興的生物技術領域里的作用也日益突出。表征過濾材料性能的一個重要指標是它的純水通量(也稱透過速率)，表示單位壓力下，單位時間通過單位膜面積的水的體積。純水通量[2]跟過濾材料的制作工藝、孔徑大小等因素有關。準確表征過濾材料的純水通量，不僅對于新型過濾材料研發(fā)有重要的指導意義，而且對不同用戶正確選擇適合的產(chǎn)品也有很大的實際意義。

傳統(tǒng)的過濾材料純水通量測試，一般采用手動方式，由于操作步驟的繁瑣，測試時間較長，使得手動測試不僅效率低下，而且容易出錯。因此設計一套自動純水通量測試系統(tǒng)有助于高效準確的測試出不同類型的過濾材料純水通量，對判斷出它在不同領域里的應用具有重要的實用意義。

1 測試原理

純水通量測試有內壓法和外壓法。一般測試純水通量采用內壓法，測試時將管狀過濾材料的一端封死，使純凈水從過濾材料另一端流入，在壓力的作用下，純凈水將透過過濾材料從它的外表面滲透出來。如下圖1所示。

圖1 內壓法示意圖

本文設計的過濾材料純水通量自動測試以PLC模擬量輸出控制電動調節(jié)閥的開度來改變系統(tǒng)的流量，分別在電動調節(jié)閥不同的開度下檢測并自動記錄過濾材料兩端的壓差和系統(tǒng)的流量。過濾材料的純水通量公式可用式(1)表示：

(1)式中:J為過濾材料的純水通量(通常也稱為滲透通量)；ΔP為其兩端的壓差；S為它的有效面積；Q為透過過濾材料純水的流量。

在平均孔徑相同的情況下，J(純水通量)越大，說明過濾材料的滲透越好(過濾效率越好)。過濾材料的純水通量是一個定值，所以從式(1)得出，在壓差ΔP越大情況下，那么它的流量Q越大。

2 測試系統(tǒng)硬件結構

測試系統(tǒng)硬件主要包括PLC S7-200 cpu224[3]、EM235模擬量擴展模塊、電動調節(jié)閥、電磁閥、電磁流量計、壓力傳感器、增壓泵、管道以及計算機。整個系統(tǒng)硬件框架結構如圖2所示。系統(tǒng)由下位機和上位機兩部分構成，下位機PLC的功能是負責執(zhí)行上位機指令來控制測試系統(tǒng)的電磁閥通斷以及電動調節(jié)閥的開度，此外，PLC還負責采集測試系統(tǒng)的流量、和過濾材料兩端的壓力，上位機LabVIEW的主要功能是和PLC通訊以及負責對下位機采集到的數(shù)據(jù)進行顯示、分析和保存。

圖2 測試系統(tǒng)框架結構

由于檢測系統(tǒng)只需要控制兩個電磁閥的通斷和泵的啟停，PLCS7-200cpu224是14輸入10輸出的繼電器輸出，完全符合要求。系統(tǒng)需要采集的3路模擬量有流量、兩路壓力，模擬量輸出端控制電動調節(jié)閥開度來改變系統(tǒng)流量。所以選用EM235模塊(4模擬量輸入1模擬量輸出)。系統(tǒng)的流量要求是0～15 L/min，選用的電磁流量計量程是0～100 L/min，泵的流量是0～20 L/min。壓力傳感器的量程是0～0.6 MPa。

3 測試系統(tǒng)實現(xiàn)與軟件設計

測試系統(tǒng)的軟件采用LabVIEW來開發(fā)。系統(tǒng)軟件流程圖如圖3所示，測試準備主要是對程序界面的一些必要參數(shù)進行設置，設置完成后，系統(tǒng)先判斷上下位機通信是否正常，通訊成功后，進入測試，先打開相應的電磁閥，再調節(jié)電動調節(jié)閥至全開，等壓力穩(wěn)定后，記錄壓差和流量并改變電動調節(jié)閥的開度，重復上面步驟，直至電動調節(jié)閥全閉，壓力差為0時，測試結束。測試過程中，每改變一次電動調節(jié)閥的開度，等待60 s后使系統(tǒng)穩(wěn)定，程序自動記錄此時的流量和壓差。整個測試步驟按照流程圖進行。整個系統(tǒng)軟件部分主要分成4個模塊：上位機LabVIEW和下位機PLC通信設計；系統(tǒng)控制模塊的設計；數(shù)據(jù)采集和讀取的設計；數(shù)據(jù)處理以及數(shù)據(jù)保存設計。以下分別對每個模塊進行詳細介紹。

圖3 系統(tǒng)軟件流程圖

3.1 LabVIEW與PLC的 PPI串口通信設計

工控機LabVIEW與PLC S7-200通訊一般有OPC[4]通訊和Modbus通訊協(xié)議[5]兩種方式。OPC通訊對硬件的要求比較高，不但要熟悉OPC規(guī)約，而且在增加硬件成本的前提下，極大的增加了軟件開發(fā)的復雜度和時間。在實現(xiàn)和西門子PLC通訊后，上下位機的數(shù)據(jù)傳輸存在延時問題，在有些采集精度要求高的場合，幾乎達不到現(xiàn)場的要求。Modbus通訊不僅要在PLC編程軟件編寫程序，而且占用PLC的的存儲區(qū)，大大增加了通訊的復雜度。PPI[6]協(xié)議是為PLCS7-200設計的專用通訊協(xié)議，當上位機采用PPI協(xié)議指令和PLC進行通訊時，上位機能讀寫PLC所有存儲區(qū)的數(shù)據(jù)，上位機還直接可以控制PLC的啟動和停止。此外，PLC能夠實時的把采集數(shù)據(jù)傳給上位機進行處理，不存在數(shù)據(jù)傳輸延時。上位機采用圖形化系統(tǒng)設計平臺的LabVIEW 作為開發(fā)平臺，通過調用VISA(Virtual Instrument Software Architecture，虛擬儀器軟件架構)接口函數(shù)來實現(xiàn)與PLC的串口通訊，編程簡單、極大的縮短了系統(tǒng)的開發(fā)周期。

PPI通訊協(xié)議是一種主從式的通信，上位機(即PC機)為主機，PLC為從機。通信由上位機LabVIEW開始發(fā)起，PLC給予回應。本文設計系統(tǒng)的通訊步驟如下：

(1) 上位機向PLC發(fā)送通信命令 10 02 00 49 4B 16 (十六進制)目的是與PLC建立連接。

(2)PLC接到上位機通訊命令后進行校驗，如果無誤則返回數(shù)據(jù)10 00 02 02 04 16給上位機作出初步應答。

(3)上位機接收到初步應答后，再向PLC發(fā)送通信指令10 02 00 5C 5E 16 ，目的是讓PLC確認執(zhí)行通信。

(4) PLC接到確認命令后，執(zhí)行上位機發(fā)送的確認執(zhí)行通信命令， 并向上位機返回數(shù)據(jù)E5。它的通信過程要往復兩次才完成一次的通信，比較嚴謹，不易出錯。

VISA是一組針對儀器編程的標準API函數(shù)，VISA可以控制USB﹑串口﹑以太網(wǎng)等設備。在LabVIEW開發(fā)平臺下，使用VISA與串口設備通訊的步驟為：初始化端口，對串口通信的端口號﹑波特率﹑奇偶校驗位﹑數(shù)據(jù)位進行設定，使其與PLC端口的參數(shù)一致；讀寫端口，利用串口讀寫函數(shù),從串口中讀入和輸出數(shù)據(jù)；.關閉端口?；谝陨蠈ξ鏖T子PPI協(xié)議和VISA函數(shù)的介紹，按照通訊步驟編程實現(xiàn)了LabVIEW和西門子PLC的串口通訊，通訊程序如下圖4所示。

圖4 LabVIEW和PLC串口通訊程序圖

3.2 系統(tǒng)控制軟件設計

整個測試系統(tǒng)控制部分包括電磁閥的通斷控制、泵的啟動和停止控制、電動調節(jié)閥的開度控制。其中電磁閥的通斷和泵的啟停由PLC的數(shù)字量輸出控制。在PLC和上位機LabVIEW通訊成功后，上位機通過發(fā)送控制指令的方式給PLC，PLC接收到指令后作出相應動作控制電磁閥的通斷和泵的啟停。電動調節(jié)閥(4～20 mA)由PLC的模擬量輸出端控制，上位機LabVIEW通過發(fā)送寫入指令的方式把6 400-32 000間的任意一個的數(shù)字信號傳給PLC模擬量輸出寄存器，PLC的模擬量輸出模塊EM235內部自帶12位D/A轉換芯片，把數(shù)字信號轉換成對應的4～20 mA的電流信號傳給電動調節(jié)閥，從而控制電動調節(jié)閥的開度(其中4 mA對應電動調節(jié)閥全閉，20 mA對應電動調節(jié)閥全開)。

3.3 數(shù)據(jù)采集和讀取軟件設計

測試系統(tǒng)需要采集兩路壓力傳感器信號，一路電磁流量計信號。傳感器將檢測到的信號轉換成4～20 mA的電流信號傳到PLC的模擬量模塊EM235中，模擬量模塊內部自帶12位A/D轉換芯片，把電流信號轉換成相應的數(shù)值保存在PLC的寄存器中。當上位機LabVIEW發(fā)送讀取命令給PLC時，PLC接收到指令后把存放在PLC寄存器中相應的值取出并在計算機的界面上顯示。

3.4 數(shù)據(jù)處理和保存軟件設計

上位機從PLC中讀出的數(shù)值要先轉換回采集的壓力和流量值，再進行顯示、保存。以壓力傳感器為例，量程為0～500 kPa，假設PLC采集到的數(shù)值為X,則數(shù)值轉換回壓力P的換算公式(2)如下：

(2)

數(shù)據(jù)保存程序是基于LabVIEW的ActiveX控件進行編寫，保存的數(shù)據(jù)是測試時記錄的流量和對應的壓差。程序如下圖5所示。

圖5 保存測試數(shù)據(jù)程序框圖

4 測試結果與分析

測試系統(tǒng)界面如圖6所示。

圖6 測試界面圖

對一種過濾不銹鋼材料進行了兩次純水通量測試得到的數(shù)據(jù)，測試材料的有效面積是0.00 534m2,，兩次測試的壓力、流量和通量如表1和表2所示。

圖1 相控發(fā)射聚焦原理圖

壓力差/bar流量/(m3·h-1)通量/(m3·h-1·m-2·bar-1)1130595987709204779762061031295460280140936300

注：1 bar=100kPa。

表2 第二次測試

壓力和流量曲線如圖7所示。

從表1和表2可知，在不同的壓力和流量下，通量基本上是個定值。從圖7的測試曲線可知，壓差和流量值基本成線性關系，且壓力差越大，流量越大。兩次測試重復性良好，說明整個系統(tǒng)符合測試要求且測試結果可靠性良好。

圖7 測試曲線

5 結論

本文設計的測試系統(tǒng)充分結合了LabVIEW和PLC的優(yōu)點，采用了PLC的PPI協(xié)議進行了上下位機的通訊，實現(xiàn)了純水通量測試系統(tǒng)的自動測試。測試系統(tǒng)的用戶界面友好，操作方便，重復性良好。且測試數(shù)據(jù)自動保存，便于后期的查詢分析。該系統(tǒng)經(jīng)過長時間的調試，現(xiàn)在運行穩(wěn)定，和以往的手動通量測試相比，大大提高了工作效率。

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Design of Pure Water Flux Testing System for Filtration Materials Based on LabVIEW and PLC

ZHANG Tao-fei1，SHEN Jie1，WANG Zheng-fei2，YU Jian3，HUANG Yan3，LIU Qiang3

(1.Collage of Automation and Electrical Engineering,Nanjing Tech University，Nanjing 210000，china； 2.Nanjing GQ Functional Material Technology Co.,Ltd，Nanjing 210009，china； 3.Key Laboratory of Materials Chemistry,Nanjing Tech University，Nanjing 210009，china)

Pure water flux is an important parameter for the permeation performances of filtration materials,particularly,the membranes.In order to improve the precision and convenience of the test,a new automatic system was designed for testing the pure water flux of the filtration materials,and its hardware structure and software design were introduced in detail.This testing system was based on LabVIEW platform,and the serial port communication between LabVIEW and the slave computer PLCS7-200 was carried out by uses of the Siemens PPI protocol and the VISA interface function,allowing the data acquisition,processing and storage .The experimental results indicate that the testing system in this work is user-friendly,stable and reproducible.

PLC ; LabVIEW; VISA; serial port communication ; PPI protocol；pure water flux testing system

2014-09-22 收修改稿日期：2015-02-12

TP273

A

1002-1841(2015)07-0074-03

張?zhí)绎w(1990— )，碩士研究生，研究方向為自動化裝置與檢測儀表技術，E-mail：18761683059@163.com 沈捷(1976—)，副教授，研究方向機器視覺，多機器人協(xié)調控制，E-mail：shenjienj@163.com