任俊杰，李 媛

（北京聯(lián)合大學(xué) 機(jī)器人學(xué)院，北京 100101）

0 引言

目前我國(guó)儀器儀表產(chǎn)業(yè)的發(fā)展相對(duì)滯后，不僅體現(xiàn)在高精度儀表品類(lèi)的設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)上，也體現(xiàn)在現(xiàn)有儀表的生產(chǎn)、調(diào)試自動(dòng)化產(chǎn)線落后。根據(jù)國(guó)家計(jì)量檢定規(guī)程，所有儀器儀表在出廠前需進(jìn)行檢定，確認(rèn)是否合格；在使用一段時(shí)間后，也需要進(jìn)行再檢驗(yàn)?，F(xiàn)階段壓力儀表種類(lèi)較多，卻沒(méi)有專(zhuān)用的和通用的調(diào)試設(shè)備，因此，儀表的出廠調(diào)試大都采用人工方法進(jìn)行[1]。人工調(diào)試存在著諸多問(wèn)題：

1）檢定人員必須要具有熟練技能，而培養(yǎng)一個(gè)合格的檢測(cè)人員周期較長(zhǎng)；

2）人工調(diào)試一臺(tái)儀表需要較長(zhǎng)時(shí)間，效率低，調(diào)表工人在調(diào)試某一塊壓力表時(shí)需在其量程范圍內(nèi)選擇多個(gè)測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，比如直接使用Fluke PPC4E壓力控制器/校準(zhǔn)器進(jìn)行調(diào)試時(shí)，調(diào)表工人需在測(cè)試每一個(gè)壓力點(diǎn)時(shí)，都要重新設(shè)置一次校準(zhǔn)器才能繼續(xù)進(jìn)行壓力表的調(diào)試工作。當(dāng)調(diào)表工人們調(diào)試某些對(duì)精度要求較高的精密壓力表時(shí)，需要重新設(shè)置校準(zhǔn)器的次數(shù)多達(dá)三十多次；

3）人工加壓檢測(cè)存在人為誤差[2]

大量的人力和時(shí)間耗費(fèi)在對(duì)校準(zhǔn)器的設(shè)置上，大大降低了儀表檢定工作的效率[3]。因此，能根據(jù)調(diào)表工人實(shí)際需求，自動(dòng)對(duì)壓力控制器/校準(zhǔn)器進(jìn)行設(shè)置以實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力儀表的自動(dòng)檢定調(diào)試是現(xiàn)實(shí)需要。

本系統(tǒng)以S7-1200作為控制器，通過(guò)串口通信方式進(jìn)行PLC控制器和壓力控制器間的數(shù)據(jù)交換，編程實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力儀表的自動(dòng)調(diào)試。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

整個(gè)系統(tǒng)主要包括氣源系統(tǒng)、壓力控制器、中央控制器和調(diào)表工操作系統(tǒng)（觸摸屏），如圖1所示。氣源系統(tǒng)主要為待調(diào)壓力表提供一個(gè)比量程壓力稍高的基本穩(wěn)定的壓力測(cè)試環(huán)境，可以是高壓氮?dú)馄?，也可以是壓縮氣源。壓力控制器負(fù)責(zé)精確、快速地把氣源壓力穩(wěn)定到定點(diǎn)測(cè)試壓力值上。中央控制器采用S7-1200，作用是對(duì)壓力表定點(diǎn)調(diào)試過(guò)程進(jìn)行控制，以串口通信的方式采集壓力控制器的壓力數(shù)據(jù)，并把壓力的測(cè)試給定點(diǎn)值發(fā)送給壓力控制器。通過(guò)升壓和降壓兩個(gè)循環(huán)，在各檢定點(diǎn)對(duì)壓力表進(jìn)行測(cè)試，并給出測(cè)試結(jié)果[4]。觸摸屏通過(guò)以太網(wǎng)方式與中央控制器交換數(shù)據(jù)，調(diào)表工可以通過(guò)觸摸屏了解調(diào)試過(guò)程的壓力數(shù)據(jù)，并對(duì)調(diào)表過(guò)程進(jìn)行設(shè)置操作。

圖1 壓力儀表定點(diǎn)自動(dòng)調(diào)試系統(tǒng)組成

1.2 系統(tǒng)功能

表1所示為壓力儀表需要自動(dòng)檢測(cè)的項(xiàng)目匯總，根據(jù)自動(dòng)檢測(cè)項(xiàng)目要求，進(jìn)行了系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)。系統(tǒng)功能包括產(chǎn)品選擇、量程選擇、準(zhǔn)確度等級(jí)選擇、手/自動(dòng)調(diào)試、測(cè)漏功能，如圖2所示。

表1 壓力儀表自動(dòng)檢測(cè)項(xiàng)目

圖2 壓力儀表定點(diǎn)自動(dòng)調(diào)試系統(tǒng)功能

1）產(chǎn)品選擇功能

被測(cè)壓力儀表分為一般壓力表、精密壓力表、數(shù)字壓力表以及壓力變送器，可以在觸摸屏上實(shí)現(xiàn)對(duì)這四個(gè)種類(lèi)的選擇。

2）量程選擇功能

可以根據(jù)壓力表產(chǎn)品的不同分度等級(jí)通過(guò)觸摸屏進(jìn)行選擇，如0～1.6MPa，0～2.5MPa，0～4MPa等。

3）準(zhǔn)確度等級(jí)選擇功能

不同種類(lèi)壓力表對(duì)應(yīng)不同的可選擇的精確度，操作人員可根據(jù)實(shí)際情況選擇相應(yīng)的精確度。

4）調(diào)試功能

可以根據(jù)壓力表的量程選擇不低于10個(gè)壓力值的測(cè)量點(diǎn)（包括正向升壓和反向降壓），升壓后到一個(gè)測(cè)量點(diǎn)停止，手動(dòng)確認(rèn)后繼續(xù)升壓，也可提前設(shè)定好停留時(shí)間，如20s，到時(shí)間后自動(dòng)升壓。升到最大壓力點(diǎn)后停止保持靜壓，壓力降低過(guò)程也是同理。壓力測(cè)量點(diǎn)的多少可以根據(jù)被調(diào)儀表要求進(jìn)行設(shè)置，操作者可以設(shè)置各個(gè)測(cè)量點(diǎn)的間隔時(shí)間。設(shè)置之后，調(diào)試過(guò)程可以自動(dòng)完成。

5）測(cè)漏功能

在校準(zhǔn)器施加壓力后，壓力值在規(guī)定時(shí)間達(dá)不到給定值或達(dá)到給定后系統(tǒng)壓力又降低，將產(chǎn)生報(bào)警信息，提示儀表或連接部位有泄漏的地方。

2 系統(tǒng)硬件配置

壓力控制器選用福祿克公司的PPC4E壓力控制器，可以進(jìn)行密閉容器中氣體壓力的精確設(shè)置和控制，用于壓力儀表校準(zhǔn)和測(cè)試。PPC4E可以由操作員使用前面板顯示屏、鍵盤(pán)和功能鍵進(jìn)行本地人工控制，也可以通過(guò)串口RS232的ASCII字符命令字符串由計(jì)算機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程自動(dòng)控制。本文中的PPC4E壓力控制器是通過(guò)串口通信方式由PLC來(lái)進(jìn)行控制的。

PLC控制系統(tǒng)硬件全部選用的是西門(mén)子公司的模塊，包括中央控制器S7-1200、RS232通信模塊、電源模塊和9寸觸摸屏，模塊信息如表2所示。

表2 PLC控制系統(tǒng)硬件列表

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

采用博途軟件分別進(jìn)行了PLC程序和觸摸屏操作監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)?？刂破鞒绦蚴歉鶕?jù)壓力儀表自動(dòng)調(diào)試系統(tǒng)的功能要求編寫(xiě)，實(shí)現(xiàn)壓力定點(diǎn)的自動(dòng)給定調(diào)試功能；觸摸屏操作監(jiān)控功能軟件為調(diào)表工提供直觀方便的人機(jī)接口。

3.1 PLC程序設(shè)計(jì)

程序總體流程如圖3所示。系統(tǒng)運(yùn)行開(kāi)始首先要進(jìn)行壓力表產(chǎn)品、量程和精確度等級(jí)的選擇。之后選擇調(diào)試方式，可以自動(dòng)也可以手動(dòng)方式進(jìn)行調(diào)試，并可設(shè)置各測(cè)點(diǎn)的時(shí)間間隔。設(shè)置完成后開(kāi)始調(diào)試，PLC通過(guò)RC232串口通信將壓力測(cè)點(diǎn)設(shè)定值發(fā)送給壓力控制器，通過(guò)串口通信，PLC接收壓力控制器設(shè)備實(shí)際氣壓后判斷是否達(dá)到測(cè)點(diǎn)設(shè)定值。按照設(shè)定測(cè)試時(shí)間和順序，依次升壓或減壓到相應(yīng)的測(cè)點(diǎn)，完成壓力儀表的所有檢測(cè)項(xiàng)目。

圖3 程序總體流程

PLC程序采用梯形圖語(yǔ)言編寫(xiě)，包括主程序和串口通信功能塊程序。

1）主程序（OB1）

主程序?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)品、量程、精確度等級(jí)的選擇設(shè)置、手自動(dòng)調(diào)試選擇、測(cè)點(diǎn)時(shí)間的設(shè)置、測(cè)漏功能等，并分別調(diào)用串口通信功能塊RS232_target（FC5）和PRR（FC7），與壓力控制器交換數(shù)據(jù)。通信功能塊的調(diào)用如圖4所示。

圖4 串口通信功能塊在主程序中的調(diào)用

2）串口通信程序

RS232_target(FC5)的功能是實(shí)現(xiàn)PLC將壓力設(shè)定值發(fā)送給壓力控制器。按照PPC4E壓力控制器的串口協(xié)議，首先把目標(biāo)測(cè)點(diǎn)氣壓值轉(zhuǎn)換為字符串格式存儲(chǔ)起來(lái)，并將里面的空格全部刪除，再將刪除空格后的數(shù)據(jù)保存起來(lái)，然后啟動(dòng)接收信息，發(fā)送緩沖區(qū)，并判斷數(shù)據(jù)是否發(fā)送成功。RS232_target(FC5)塊主要程序如圖5所示。

圖5 RS232_target(FC5)功能塊程序

PRR（FC7）的功能是PLC通過(guò)RC232串口通信接收到設(shè)備實(shí)際氣壓后，判斷是否達(dá)到設(shè)定值。主要程序如圖6所示。

圖6 PRR（FC7）功能塊程序

3.2 觸摸屏操作監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

觸摸屏操作監(jiān)控系統(tǒng)采用博途軟件中的WinCC組態(tài)軟件設(shè)計(jì)，主要包括手/自動(dòng)調(diào)試選擇、產(chǎn)品選擇、量程選擇、準(zhǔn)確度等級(jí)選擇、測(cè)點(diǎn)時(shí)間設(shè)置、調(diào)試等功能界面，通過(guò)以太網(wǎng)通信將組態(tài)好的監(jiān)控界面下載到TP900 Comfort觸摸屏中。運(yùn)行系統(tǒng)則可以對(duì)壓力儀表進(jìn)行選擇設(shè)置和自動(dòng)調(diào)試，操作監(jiān)控畫(huà)面如圖7所示。

圖7 觸摸屏監(jiān)控操作界面

自動(dòng)調(diào)試方式下可以進(jìn)行產(chǎn)品選擇、產(chǎn)品選擇、準(zhǔn)確度等級(jí)選擇、量程選擇后，進(jìn)行測(cè)點(diǎn)時(shí)間設(shè)定，可以采用默認(rèn)方式（程序內(nèi)置時(shí)間）或非默認(rèn)方式（觸摸屏上手動(dòng)設(shè)置時(shí)間），然后開(kāi)始自動(dòng)檢測(cè)調(diào)試。

手動(dòng)調(diào)試方式下可以進(jìn)行檢測(cè)點(diǎn)手動(dòng)設(shè)定，設(shè)置完成后開(kāi)始進(jìn)行檢測(cè)調(diào)試。

檢測(cè)調(diào)試畫(huà)面中會(huì)顯示當(dāng)前測(cè)點(diǎn)值，并給出產(chǎn)生的氣壓是否達(dá)到測(cè)點(diǎn)值指示。測(cè)試結(jié)束會(huì)還給出合格或不合格的結(jié)論，以及有無(wú)泄漏。

4 系統(tǒng)測(cè)試

系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，針對(duì)幾種壓力表，對(duì)搭建好的系統(tǒng)進(jìn)行了反復(fù)大量的測(cè)試，不斷完善程序，最終實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)功能要求。最后進(jìn)行了樣機(jī)制作，樣機(jī)如圖8所示，圖9為樣機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)。目前，該系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于實(shí)際壓力儀表的自動(dòng)調(diào)試中。

圖8 樣機(jī)原型

圖9 樣機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)

5 結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)以S7-1200 PLC為核心控制器，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了壓力范圍0～6MPa、調(diào)壓介質(zhì)是壓縮空氣的壓力儀表自動(dòng)調(diào)試系統(tǒng)。采用串口通信方式實(shí)現(xiàn)了核心控制器和壓力控制器間的數(shù)據(jù)交換，系統(tǒng)兼容性強(qiáng)，可以滿(mǎn)足多種壓力儀表產(chǎn)品調(diào)校、檢驗(yàn)需求。系統(tǒng)操作設(shè)置簡(jiǎn)單、自動(dòng)化程度較高，有效提高了壓力儀表產(chǎn)品的生產(chǎn)調(diào)試效率。