李偉立 葛黎明

摘? 要：針對(duì)風(fēng)閥動(dòng)態(tài)性能測(cè)試試驗(yàn)裝置，為完成風(fēng)閥流量特性試驗(yàn)和阻力特性試驗(yàn)，結(jié)合組態(tài)軟件和Modbus RTU通訊技術(shù)，提出一套基于PLC與組態(tài)王的風(fēng)閥動(dòng)態(tài)性能測(cè)試控制系統(tǒng)。由西門子S7-200系列PLC組成下位機(jī)，設(shè)計(jì)控制電路接線與程序編寫，并利用組態(tài)王軟件開發(fā)上位機(jī)監(jiān)控畫面。系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單、直觀，能夠進(jìn)行設(shè)備的自動(dòng)化控制，具有良好的穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：風(fēng)閥動(dòng)態(tài)性能測(cè)試;組態(tài)王;Modbus RTU;PLC

中圖分類號(hào)：TH137.52 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2019）06-0024-04

引言

風(fēng)閥是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中各個(gè)領(lǐng)域里不可缺少的通用機(jī)械產(chǎn)品，已廣泛應(yīng)用于核電、石油和化工等行業(yè)。在投入實(shí)際應(yīng)用前，閥門的流量系數(shù)測(cè)試和阻力系數(shù)是必不可少的環(huán)節(jié)，它為工藝系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)、設(shè)備選型與計(jì)算等提供科學(xué)的依據(jù)。

風(fēng)閥動(dòng)態(tài)性能測(cè)試系統(tǒng)是一套用于測(cè)試閥門流量系數(shù)和流阻系數(shù)的計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)的快速發(fā)展，PLC、組態(tài)軟件、變頻器技術(shù)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)化生產(chǎn)。為提高車間生產(chǎn)效率和自動(dòng)化水平，本文基于PLC和組態(tài)王軟件設(shè)計(jì)一套用于風(fēng)閥動(dòng)態(tài)性能測(cè)試的控制系統(tǒng)。

1 風(fēng)閥動(dòng)態(tài)性能測(cè)試原理

風(fēng)閥動(dòng)態(tài)性能測(cè)試試驗(yàn)裝置原理如圖1所示。測(cè)試裝置本體采用了吸式風(fēng)管結(jié)構(gòu)，風(fēng)機(jī)位于管道的一端，通過改變其頻率調(diào)整流經(jīng)管路的流量。圖1中，管壁入口處設(shè)置測(cè)壓孔，安裝壓力傳感器，用于測(cè)試入口流量壓差。被測(cè)閥門前后均設(shè)置測(cè)壓孔，安裝壓力變送器，用于測(cè)試兩點(diǎn)之間的管道阻力損失。同時(shí)安裝有用于測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)大氣壓力、溫度和濕度的傳感器。變頻器和傳感器分別連接至模擬量采集模塊和PLC。

試驗(yàn)過程為：（1）未安裝被測(cè)閥門之前，測(cè)量閥門待安裝位置的前后管道阻力損失？駐p（a）與閥兩端管道流速c的關(guān)系？駐p（a）=f（c），即管道阻力損失系數(shù)方程;（2）管道流速20m/s時(shí)閥門全開兩側(cè)靜壓差測(cè)試，？駐p20=？駐p（b）-？駐p（a），？駐p20為風(fēng)閥標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)阻力損失，？駐p（b）是閥前后管道總阻力損失;（3）控制閥兩端阻力損失為？駐p20，測(cè)閥門各開啟度時(shí)流量，不同開啟度x對(duì)應(yīng)的流量系數(shù)y=Qvi/Qvmax，Qvi是不同開啟度x時(shí)對(duì)應(yīng)的流量，Qvmax是最大的測(cè)試流量;（4）閥門阻力系數(shù)計(jì)算公式：？孜=2×（？駐p（b）-？駐p（a））/（？籽a(bǔ)×C2）[1-2]，？籽a(bǔ)是大氣密度。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需滿足對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工況的實(shí)時(shí)監(jiān)控，采集現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境數(shù)據(jù)，反映系統(tǒng)的工作狀態(tài)，以及對(duì)相關(guān)設(shè)備的自動(dòng)化控制。該風(fēng)閥動(dòng)態(tài)性能測(cè)試系統(tǒng)的控制系統(tǒng)主要由工控機(jī)、PLC、數(shù)據(jù)采集模塊、變頻器和各類傳感器組成。

圖2為控制系統(tǒng)的方案圖，上位機(jī)由工控機(jī)組成，實(shí)現(xiàn)與下位機(jī)PLC的數(shù)據(jù)通訊，用于直觀顯示試驗(yàn)系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)、改變?cè)囼?yàn)狀態(tài)、試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄與存儲(chǔ)。上位機(jī)的監(jiān)控程序利用組態(tài)王KingView6.60SP1開發(fā)，組態(tài)王主要用于工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)控，提供友好的人機(jī)交互界面功能，滿足本試驗(yàn)的控制要求[3]。下位機(jī)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集和自動(dòng)化輸出控制，由西門子公司生產(chǎn)的S7-200系列PLC CPU224XP和EM231模塊構(gòu)成。CPU224XP具有兩個(gè)RS485通訊口、14DI/10DO，能夠與其它設(shè)備進(jìn)行PPI通訊和Modbus RTU通訊[4]，執(zhí)行數(shù)字量輸入和輸出控制。EM231模塊擁有4個(gè)模擬量輸入通道，可采集4路4～20mA電流信號(hào)，本系統(tǒng)共有5個(gè)傳感器信號(hào)，使用2個(gè)EM231模塊。執(zhí)行機(jī)構(gòu)由變頻器和風(fēng)機(jī)構(gòu)成，采用日本富士公司的5000G11S變頻器，頻率連續(xù)可調(diào)，運(yùn)行高效，具有較好的靜態(tài)穩(wěn)定性。風(fēng)機(jī)是管路測(cè)試系統(tǒng)的動(dòng)力源，選用上海通風(fēng)機(jī)廠制造的HL3-2A～9A混流風(fēng)機(jī)，經(jīng)計(jì)算，其風(fēng)量滿足要求，并且噪音較小。

硬件連接與通訊設(shè)置：

（1） 組態(tài)王與PLC之間采用西門子的USB/PPI電纜連接，在組態(tài)王中設(shè)置通信波特率9600Bps，PLC地址2：0，其余采用默認(rèn)設(shè)置。

（2） 變頻器與PLC之間采用Modbus RTU通訊，PLC作為通訊的客戶機(jī)，變頻器作為服務(wù)器，變頻器地址設(shè)為3，波特率9600Bps，無奇偶校驗(yàn)。利用屏蔽雙絞線將PLC PORT 1口的3孔、8孔連接至變頻器的接線端子S+、S-進(jìn)行通信[5]。

（3）所有傳感器均為2線制輸出，直接連接電源和EM231模塊。

表1為PLC的端口地址分配，硬件電路中，設(shè)置手動(dòng)頻率調(diào)整按鈕和風(fēng)機(jī)運(yùn)行指示燈，I0.1和I0.2是頻率調(diào)整按鈕。試驗(yàn)過程中，上位機(jī)與下位機(jī)通訊出現(xiàn)故障時(shí)，應(yīng)確保風(fēng)機(jī)能夠及時(shí)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，設(shè)置手動(dòng)停止按鈕，當(dāng)I0.0信號(hào)輸入時(shí)，PLC程序發(fā)送停止運(yùn)轉(zhuǎn)指令給變頻器。Q0.0和Q0.1分別用于顯示風(fēng)機(jī)停止和運(yùn)轉(zhuǎn)的兩種狀態(tài)。

3 軟件設(shè)計(jì)

控制程序設(shè)計(jì)主要包括下位機(jī)PLC程序設(shè)計(jì)和上位機(jī)組態(tài)王監(jiān)控界面設(shè)計(jì)。

3.1 下位機(jī)PLC程序

通過兩個(gè)EM231模塊采集試驗(yàn)信息，PLC將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，結(jié)果上傳至組態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，供試驗(yàn)人員判斷工作狀態(tài)。PLC接受上位機(jī)的控制指令，按要求調(diào)整風(fēng)機(jī)頻率，以達(dá)到調(diào)整管道流量的效果。PLC、組態(tài)王以及變頻器之間的數(shù)據(jù)通訊，必須明確數(shù)據(jù)的地址與功能，本系統(tǒng)的通訊寄存器分配如表2所示。

傳感器輸出4～20mA電流，對(duì)應(yīng)PLC的數(shù)字量值為6400～32000，數(shù)據(jù)計(jì)算均采用浮點(diǎn)數(shù)。圖3為大氣溫度值采集程序，輸入地址為AIW4，寄存器地址為VD1000，其實(shí)際測(cè)量范圍是-20～100℃，其余4個(gè)傳感器數(shù)據(jù)處理方式與之相同。

采用的日本富士5000G11S系列變頻器，支持標(biāo)準(zhǔn)Modbus RTU通訊功能，頻率指令代碼為S05，頻率值單位0.01Hz，即風(fēng)機(jī)頻率為50Hz時(shí)應(yīng)輸入值500/0.01=5000。運(yùn)轉(zhuǎn)指令代碼為S06，S06為0、1和2時(shí)，分別代表風(fēng)機(jī)停止、正向和反向動(dòng)作。S05和 S06對(duì)應(yīng)的Modbus通訊保持寄存器地址分別為401798和401799。變頻器的控制程序如圖4所示，程序使用PORT1口進(jìn)行Modbus RTU通訊。

風(fēng)機(jī)頻率最大值為50Hz，即兩個(gè)寄存器的最大值為5000，采用字單元發(fā)送滿足要求。頻率值VW8000和運(yùn)轉(zhuǎn)指令VW8002的數(shù)據(jù)由上位機(jī)寫入。程序每次傳送的是一個(gè)字單元，每執(zhí)行一個(gè)掃描循環(huán)周期，PLC分別將VW8000和VW8002字單元中的數(shù)據(jù)發(fā)送到通訊保持寄存器401798和401799中，即改變S05和S06中的數(shù)據(jù)，執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。

3.2 組態(tài)王監(jiān)控界面

上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)相關(guān)參數(shù)輸入、數(shù)據(jù)顯示與計(jì)算、曲線擬合、風(fēng)機(jī)調(diào)速和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能。組態(tài)王實(shí)時(shí)讀取PLC寄存器的值，各參數(shù)以指定方式顯示。監(jiān)控界面具有風(fēng)機(jī)頻率調(diào)整按鈕，試驗(yàn)全過程中可隨時(shí)調(diào)整管道內(nèi)流量大小。試驗(yàn)結(jié)束后，可進(jìn)行打印輸出，同時(shí)將數(shù)據(jù)保存在數(shù)據(jù)庫(kù)中。

組態(tài)王軟件不具備對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)雜處理的能力，無法對(duì)采集到的管道流速和管路阻力進(jìn)行曲線擬合。利用VB6.0開發(fā)曲線擬合工具，采用最小二乘法對(duì)采樣值進(jìn)行擬合，生成可執(zhí)行文件。組態(tài)王具有和VB通訊的DDE功能[6]，計(jì)算管道阻力損失系數(shù)方程時(shí)與利用VB6.0開發(fā)生成的“.exe”文件進(jìn)行DDE通訊，動(dòng)態(tài)獲取擬合曲線方程[7]。

組態(tài)王工程設(shè)計(jì)步驟：

（1）建立新工程，根據(jù)向?qū)Ы⑿略O(shè)備，選擇西門子S7200系列的USB通訊，設(shè)備名稱“風(fēng)閥試驗(yàn)PLC”。該設(shè)備代表下位機(jī)，按照表2通訊寄存器的分配地址，在組態(tài)王變量組中新建數(shù)據(jù)通訊的變量，所有數(shù)據(jù)類型均選擇浮點(diǎn)類型。

（2）建立“仿真PLC”設(shè)備，該設(shè)備用于存放發(fā)送給VB程序的數(shù)據(jù)，建立字符串類型變量，選中允許DDE訪問。

（3）建立DDE設(shè)備“風(fēng)閥擬合VBexe”，該設(shè)備用于讀取VB程序。

（4）建立數(shù)據(jù)庫(kù)文件，連接組態(tài)王與數(shù)據(jù)源。創(chuàng)建表格模板、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)記錄體和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)記錄體。

（5）建立監(jiān)控界面與程序編寫。主要包括登錄界面、參數(shù)輸入界面和試驗(yàn)界面。

參數(shù)輸入界面和試驗(yàn)界面如圖5和圖6所示，可完成待測(cè)閥門的參數(shù)錄入和運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控。

系統(tǒng)登錄成功后進(jìn)入?yún)?shù)輸入界面，由試驗(yàn)人員輸入試驗(yàn)日期、編號(hào)以及待測(cè)閥門等相關(guān)參數(shù)。圖5中，當(dāng)試驗(yàn)人員需離開，為防止中途離開時(shí)其它人員操作，可單擊“上一步”按鈕返回登錄界面，此時(shí)輸入的相關(guān)參數(shù)不改變。當(dāng)再次進(jìn)入時(shí)，需重新輸入用戶名和密碼。參數(shù)輸入完畢后，單擊“下一步”進(jìn)入試驗(yàn)界面。

進(jìn)入試驗(yàn)界面圖6后，窗口左上角顯示試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境數(shù)據(jù)。下方有風(fēng)機(jī)控制按鈕和數(shù)據(jù)打印按鈕。根據(jù)試驗(yàn)測(cè)試原理，在做流量特性試驗(yàn)和閥阻特性試驗(yàn)前，首先應(yīng)求得管道阻力損失系數(shù)方程，即窗口上部分的管道阻力測(cè)試部分。窗口左側(cè)輸入風(fēng)機(jī)頻率并啟動(dòng)，風(fēng)機(jī)按照指定頻率運(yùn)轉(zhuǎn)。單擊管道阻力測(cè)試按鈕，左側(cè)的指示燈亮起，同時(shí)當(dāng)前數(shù)據(jù)列動(dòng)態(tài)顯示流量壓差、管道阻力和管道流速數(shù)據(jù)。試驗(yàn)過程中，每改變一次頻率，當(dāng)前數(shù)據(jù)的數(shù)值都會(huì)改變，數(shù)據(jù)趨于穩(wěn)定后單擊數(shù)據(jù)采集按鈕進(jìn)行采集。

采集十組數(shù)據(jù)后，停止采集，并將數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)中。圖7為曲線擬合流程圖，當(dāng)采樣值有相同時(shí)，程序會(huì)自動(dòng)提示，監(jiān)控界面可以單擊刪除按鈕進(jìn)行刪除。組態(tài)王將數(shù)據(jù)發(fā)送給曲線擬合程序，采樣值大于等于三組時(shí)，VB程序按照最小二乘法原理自動(dòng)計(jì)算擬合公式，發(fā)送至監(jiān)控界面顯示，VB界面如圖8所示。

在圖6的畫面存在的命令語(yǔ)言中，按照第1節(jié)中的測(cè)試原理及相關(guān)公式編寫流量系數(shù)和閥門阻力系數(shù)的計(jì)算程序。這兩項(xiàng)試驗(yàn)可根據(jù)試驗(yàn)需求進(jìn)行，無先后順序，可以單獨(dú)試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)單擊相應(yīng)的試驗(yàn)開關(guān)按鈕，界面上對(duì)應(yīng)的指示燈亮起，改變風(fēng)機(jī)頻率，待動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)穩(wěn)定后進(jìn)行采集。試驗(yàn)完成后單擊打印預(yù)覽按鈕或者報(bào)告打印，通過打印設(shè)備打印試驗(yàn)報(bào)告，退出工程，結(jié)束試驗(yàn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)風(fēng)閥動(dòng)態(tài)性能測(cè)試裝置，設(shè)計(jì)了一套基于PLC與組態(tài)王的自動(dòng)控制系統(tǒng)。下位機(jī)以西門子CPU224XP作為控制器，EM231為模擬量采集模塊，完成了下位機(jī)數(shù)據(jù)采集與處理、變頻器控制的程序編寫。上位機(jī)通過組態(tài)王軟件完成了流量系數(shù)和閥門阻力系數(shù)計(jì)算試驗(yàn)的監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)。該控制系統(tǒng)利用PLC強(qiáng)大的控制功能，結(jié)合組態(tài)王人機(jī)交互靈活、可靠的優(yōu)點(diǎn)，簡(jiǎn)化了操作流程，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的自動(dòng)化控制，具有良好的穩(wěn)定性。

參考文獻(xiàn)：

[1]賽慶毅，殷忠民，王會(huì)敏，等.空氣閥門性能試驗(yàn)測(cè)試裝置對(duì)比研究[J].流體機(jī)械，2012，40（1）：6-9.

[2]李磊磊，楊東升，劉建峰，等.基于PLC航天閥門流阻流量特性測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].液壓與氣動(dòng)，2017（11）：29-35.

[3]李瑞先.組態(tài)王軟件在監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電氣傳動(dòng)自動(dòng)化，2006，28（5）：49-51.

[4]何強(qiáng)，單啟兵.可編程序控制器應(yīng)用：S7-200[M].中國(guó)水利水電出版社，2010.

[5]王俊杰，徐建文.基于MODBUS-RTU通訊協(xié)議的變頻器PLC控制設(shè)計(jì)[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2016，29（2）：15-16.

[6]基于VB6.0和DDE的I/O模塊與組態(tài)王的通信研究[J].儀表技術(shù)，2011（3）：1-4.

[7]岳雪嬌，劉瑛.VB中實(shí)現(xiàn)最小二乘法數(shù)據(jù)處理[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2016（10）：159-162.