馬龍博，趙建亮，鄭建英

(浙江省計(jì)量科學(xué)研究院，杭州 310013)

0 引言

開式換向器是液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的重要組成部分，是影響裝置計(jì)量準(zhǔn)確度最關(guān)鍵的部件之一，其工作質(zhì)量的好壞將直接影響裝置計(jì)量準(zhǔn)確度高低。換入換出同向換向器是開式換向器的一種，換向過程中不受換向擋板位置、噴嘴流速分布的影響，對(duì)液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置引入的不確定度較小，因此成為開式換向器發(fā)展的主要方向。

現(xiàn)場(chǎng)各種控制系統(tǒng)通常由組態(tài)王和PLC共同完成，組態(tài)王作為上位機(jī)控制軟件完成人機(jī)交互和下位機(jī)控制，PLC作為下位機(jī)完成上位機(jī)指令及各種運(yùn)算操作。組態(tài)王作為一種優(yōu)秀的上位機(jī)監(jiān)控軟件，在許多領(lǐng)域的遠(yuǎn)程監(jiān)控中都得到了廣泛應(yīng)用[1～7]。PLC是一種專門在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作電子裝置，用于控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。

本文在研究前人工作[8～10]并成功設(shè)計(jì)換入換出同向換向器基礎(chǔ)上，根據(jù)新設(shè)計(jì)換向器工作原理，給出了基于組態(tài)王和PLC同向換向器控制方法。開發(fā)了一套組態(tài)王和PLC相結(jié)合的換入換出同向換向器監(jiān)控系統(tǒng)，較好地實(shí)現(xiàn)了新設(shè)計(jì)換向器的同向換向運(yùn)行和對(duì)流量計(jì)的檢定。

1 系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和原理

1.1 換入換出同向換向器基本結(jié)構(gòu)

換入換出同向換向器基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 換入/換出同向換向器結(jié)構(gòu)示意圖

圖1所示換向器工作原理如下：

1) 水平移動(dòng)第一分流器2，使換向噴嘴1噴出的水流流入第一分流器2的第一分流漏斗21并通過第一導(dǎo)引管211進(jìn)入第一換向流道31；

2) 水平移動(dòng)第二分流器6，使第一換向流道31的出水口對(duì)準(zhǔn)第二分流器6的第一分流腔61的進(jìn)水口且第二換向流道32的出水口對(duì)準(zhǔn)第二分流器6的計(jì)量腔63的進(jìn)水口，第一換向流道31內(nèi)的水流由此經(jīng)第一分流腔61流入循環(huán)水池；

3) 水平移動(dòng)第一分流器2，使換向噴嘴1噴出的水流流入第一分流器2的第二分流漏斗22并通過第二導(dǎo)引管222及第二換向流道32流入第二分流器6的計(jì)量腔63，再由計(jì)量腔63底部的出水口進(jìn)入工作量器；在第一分流器2水平移動(dòng)的同時(shí)，該第一分流器2帶動(dòng)換向器計(jì)時(shí)導(dǎo)桿4運(yùn)動(dòng)，使換向器計(jì)時(shí)導(dǎo)桿4與光電轉(zhuǎn)換器5配合輸出一脈沖信號(hào)以控制計(jì)時(shí)器開始計(jì)時(shí)；

4) 水平移動(dòng)第二分流器6，使第一換向流道31的出水口對(duì)準(zhǔn)計(jì)量腔63的進(jìn)水口；

5) 水平移動(dòng)第一分流器2，使換向噴嘴1噴出的水流流入第一分流漏斗21并通過第一導(dǎo)引管211及第一換向流道31流入第二分流器6的計(jì)量腔63，再由計(jì)量腔63底部的出水口進(jìn)入工作量器。在該步驟中計(jì)時(shí)器不停止計(jì)時(shí)；

6) 水平移動(dòng)第二分流器6，使第二換向流道32的出水口對(duì)準(zhǔn)第二分流器6的第二分流腔62的進(jìn)水口；

7) 水平移動(dòng)第一分流器2，使換向噴嘴1噴出的水流流入第二分流漏斗22并通過第二導(dǎo)引管222及第二換向流道32流入第二分流器6的第二分流腔62后，再流入循環(huán)水池；在第一分流器2水平移動(dòng)的同時(shí)帶動(dòng)換向器計(jì)時(shí)導(dǎo)桿4運(yùn)動(dòng)，使換向器計(jì)時(shí)導(dǎo)桿4與光電轉(zhuǎn)換器5配合輸出一脈沖信號(hào)以控制計(jì)時(shí)器停止計(jì)時(shí)。

1.2 換入換出同向換向器控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

根據(jù)換入換出同向換向器的工作原理，設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。由圖2可以看出，該系統(tǒng)由上位計(jì)算機(jī)、RS-232/PPI電纜、PLC、輸入/輸出對(duì)象等構(gòu)成，其中輸入/輸出對(duì)象包括伺服電機(jī)、換向閥及被檢表等組成。

圖2 控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)圖

圖2所示控制系統(tǒng)的通訊與控制包括三部分：一是上位機(jī)通過PPI（點(diǎn)對(duì)點(diǎn)接口）與PLC的通訊；二是PLC與現(xiàn)場(chǎng)輸入/輸出對(duì)象的通信；三是系統(tǒng)的運(yùn)行控制。

2 控制系統(tǒng)通訊及運(yùn)行控制

2.1 上位機(jī)與PLC的通訊

上位機(jī)與PLC的通訊是通過組態(tài)王和PPI來完成的。組態(tài)王是一種通用的工業(yè)監(jiān)控軟件，集過程控制設(shè)計(jì)、現(xiàn)場(chǎng)操作及資源管理于一體，將各種生產(chǎn)控制系統(tǒng)及信息交流匯集在一起，實(shí)現(xiàn)各種過程的優(yōu)化控制。PPI是西門子S7-200系統(tǒng)開發(fā)的通訊協(xié)議。該協(xié)議是一種主從協(xié)議：主站設(shè)備發(fā)送要求到從站設(shè)備，從站設(shè)備響應(yīng)。從站不主動(dòng)發(fā)送信息，只是等待主站的要求和對(duì)要求作出響應(yīng)。PPI支持的通訊速率為9.6kbit、19.2kbit和187.5kbit。

組態(tài)王與PLC的PPI通訊是通過以下兩方面的設(shè)定實(shí)現(xiàn)的。

2.1.1 PLC通訊硬件的連接

使用PLC編程軟件STEP7-micro/WIN32在“SET PG/PC Interface”對(duì)話框中配置PC/PPI cable，選擇Interface Parameter Assignment為PPI，并設(shè)置PPI參數(shù)默認(rèn)值，雙擊通訊框中的刷新圖標(biāo)建立與S7-200的通信連接。

2.1.2 組態(tài)王的設(shè)置

1) 外部設(shè)備的定義

用組態(tài)王中的“設(shè)備配置向?qū)А?對(duì)外部設(shè)備（此處為PLC）進(jìn)行定義，首先選擇向?qū)е械耐ㄓ嵎绞綖槲鏖T子S7-200系列PPI通信，并設(shè)定如下通信參數(shù)：波特率為9.6kbit，數(shù)據(jù)位為8位，停止位為1位，偶校驗(yàn)；其次，設(shè)定PLC的地址，本系統(tǒng)中將PLC地址設(shè)為默認(rèn)地址2。

2) 變量的定義

對(duì)外部設(shè)備定義完成后，需要對(duì)組態(tài)王中的變量進(jìn)行定義，以實(shí)現(xiàn)組態(tài)王與PLC的數(shù)據(jù)交換，變量的定義是在組態(tài)王的“數(shù)據(jù)字典”中進(jìn)行的，即在“數(shù)據(jù)詞典”中選擇變量類型為I/O型，并選擇連接設(shè)備，指定所訪問的寄存器名及寄存器類型。本系統(tǒng)中，定義的變量主要包括：伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向變量、伺服電機(jī)啟動(dòng)/停止變量、檢定允許/禁止變量、換向器換向方向變量、換向器換向開關(guān)變量及光電信號(hào)輸入變量等。

2.2 PLC與現(xiàn)場(chǎng)輸入/輸出對(duì)象的通訊

PLC與現(xiàn)場(chǎng)輸入/輸出對(duì)象的通訊主要包括以下四個(gè)方面：

現(xiàn)場(chǎng)被檢流量計(jì)脈沖輸入：本項(xiàng)目中現(xiàn)場(chǎng)用到的被檢流量計(jì)是電磁流量計(jì)，進(jìn)行檢定試驗(yàn)時(shí)，根據(jù)流量的不同流量計(jì)會(huì)產(chǎn)生不同頻率的脈沖輸出，該脈沖輸出通過PLC的I0.3口輸入到PLC的寄存器中；

伺服電機(jī)控制輸出：對(duì)伺服電機(jī)的控制輸出包括方向輸出和脈沖輸出，方向輸出通過PLC的Q0.2輸出給伺服電機(jī)，控制伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向；脈沖輸出通過PLC的Q0.1輸出給伺服電機(jī)，控制伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度和轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)；

換向器換向閥控制輸出：對(duì)換向器換向閥的控制輸出是通過PLC的Q0.3來完成的，該控制輸出主要用于控制換向器工作時(shí)的換入/換出；

換向器光電脈沖輸入：換向器工作時(shí)換入/換出均產(chǎn)生光電脈沖信號(hào)，換向器換入時(shí)產(chǎn)生的光電脈沖信號(hào)一般作為檢定試驗(yàn)計(jì)時(shí)的開始信號(hào)，換向器換出時(shí)產(chǎn)生的光電脈沖信號(hào)一般作為檢定試驗(yàn)計(jì)時(shí)的結(jié)束信號(hào)，上述信號(hào)是通過PLC的I0.1輸入到PLC，控制PLC內(nèi)部計(jì)時(shí)器的計(jì)時(shí)開始與結(jié)束。

2.3 換入換出同向換向器的運(yùn)行控制

換入換出同向換向器的運(yùn)行控制過程如下：首先對(duì)運(yùn)行控制進(jìn)行初始化。主要包括第一、第二分流器位置調(diào)整、檢定試驗(yàn)時(shí)間的設(shè)定、換向器換向方向的設(shè)定（主要是保證在檢定試驗(yàn)前水流在旁通管中流動(dòng)）、檢定允許的設(shè)定、伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向的設(shè)定、伺服電機(jī)輸出脈沖個(gè)數(shù)的設(shè)定、第一、第二次中斷時(shí)間的設(shè)定及關(guān)閉換向器底閥。其次，對(duì)管道中的水流量進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)流量達(dá)到檢定試驗(yàn)流量并穩(wěn)定后，控制第一分流器換入，水流由旁通管經(jīng)第一、第二分流器改變流向后進(jìn)入稱重量器；在第一分流器換入的同時(shí)產(chǎn)生光電控制脈沖且檢定試驗(yàn)過程的第一次中斷開始工作，PLC根據(jù)接收到的光電控制脈沖，同步的對(duì)被檢流量計(jì)脈沖和檢定試驗(yàn)時(shí)間進(jìn)行累計(jì)。第三，PLC不斷檢測(cè)第一次中斷時(shí)間是否到達(dá)設(shè)定中斷時(shí)間。如果到達(dá)設(shè)定的第一次中斷時(shí)間，則控制伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)第二分流器移動(dòng)到預(yù)定位置；第一次中斷結(jié)束的同時(shí)，第二次中斷開始。第四，在第二分流器移動(dòng)到預(yù)定位置一定時(shí)間后，控制第一分流器換出。水流仍然由旁通管經(jīng)第一、第二分流器改變流向后進(jìn)入稱重量器，在第一分流器換出的同時(shí)產(chǎn)生的光電控制脈沖不影響PLC對(duì)被檢流量計(jì)脈沖和檢定時(shí)間的累計(jì)。第五，PLC不斷檢測(cè)第二次中斷時(shí)間是否到達(dá)設(shè)定中斷時(shí)間。如果到達(dá)設(shè)定的第二次中斷時(shí)間，則控制伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)第二分流器移動(dòng)到預(yù)定位置。第六，在整個(gè)試驗(yàn)過程中，累計(jì)的檢定試驗(yàn)時(shí)間不斷與初始化時(shí)設(shè)定的檢定試驗(yàn)時(shí)間進(jìn)行比較。當(dāng)累計(jì)的檢定試驗(yàn)時(shí)間達(dá)到初始化時(shí)設(shè)定的檢定試驗(yàn)時(shí)間時(shí)，PLC控制換向器換入（該第一分流器換入實(shí)際是換向器的換出，即將水流由稱重量器改換到旁通管，檢定試驗(yàn)結(jié)束，同時(shí)保證換向器的換入/換出同向），水流由第一、第二分流器改變方向后進(jìn)入旁通管；在第一分流器換入的同時(shí)產(chǎn)生光電控制脈沖，PLC根據(jù)接收到的光電控制脈沖同步的停止對(duì)被檢流量計(jì)脈沖和檢定試驗(yàn)時(shí)間的累計(jì)。第七，上位機(jī)根據(jù)累計(jì)脈沖數(shù)和累計(jì)時(shí)間計(jì)算出被檢流量計(jì)在檢定試驗(yàn)時(shí)間段內(nèi)的瞬時(shí)流量，同時(shí)根據(jù)電子稱稱量得到的檢定時(shí)間段內(nèi)注入稱重量器的水的重量，結(jié)合水的密度及累計(jì)時(shí)間計(jì)算出檢定試驗(yàn)時(shí)間段內(nèi)管道中的實(shí)際瞬時(shí)流量。第八，檢定試驗(yàn)時(shí)間段內(nèi)的被檢流量計(jì)的瞬時(shí)流量與管道中的實(shí)際瞬時(shí)流量進(jìn)行比較，得到被檢流量計(jì)的示值誤差。

3 結(jié)束語

基于新設(shè)計(jì)的換入換出同向換向器工作原理，給出了基于組態(tài)王和PLC同向換向器控制方法，并通過組態(tài)王與PLC間的PPI通訊、PLC與現(xiàn)場(chǎng)輸入/輸出對(duì)象的通訊及換向器換入換出同向的控制，較好的實(shí)現(xiàn)了換入換出同向換向器的運(yùn)行及對(duì)流量計(jì)的檢定。運(yùn)行結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有友好的人機(jī)界面，良好的穩(wěn)定性、可靠性，較好的解決了換入換出同向換向器的運(yùn)行控制。

[1] 黃中原,劉健,秦春節(jié).基于組態(tài)王的空壓機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)研究[J]. 壓縮機(jī)技術(shù),2006(1):18-19.

[2] 陳程,孫自強(qiáng).德士古水煤漿氣化爐爐溫監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)[J].自動(dòng)化儀表, 2005,26(10):44-46.

[3] 蘇云,潘豐,肖應(yīng)旺.基于組態(tài)王與PLC的運(yùn)程控制系統(tǒng)[J].工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置,2004(2):53-55.

[4] 彭繼慎,孟慶鑄,張靜,等.基于PLC和組態(tài)王的油庫收發(fā)油控制系統(tǒng)[J].制造業(yè)自動(dòng)化,2008,30(1):54-57.

[5] 周兵. 基于組態(tài)王的玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)檢定裝置[J].計(jì)量技術(shù), 2012, 1: 50-53.

[6] 彭珍瑞, 侯飛.基于組態(tài)王的熱工性能測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].蘭州交通大學(xué)學(xué)報(bào),2013,32(1):146-150.

[7] 靳雷,王建躍.組態(tài)王和PLC在機(jī)械手臂控制系統(tǒng)的應(yīng)用[J]. 化工自動(dòng)化及儀表,2010,37(3):103-106.

[8] T. Shimada, S. Oda, Y.Terao, et al.Development of a New Diverter System for Liquid Flow Calibration Facilities,Flow Meas. Instrum.,2003,14:89-96.

[9] R. Doihara, T. Shimada, Y.Terao, et al. Development of Weighing Tank System Employing Rotating Double Wing Diverter, Flow Meas. Instrum.,2006,17:141-152.

[10] W. Poeschel, R. Engel, D. Dopheide, et al. A Unique Fluid Diverter Design for Water Flow Calibration Facilities,Proceedings of the 10th International Conference on Flow Measurement(FLOMEKO 2000),Salvador, June 5-8,2000.