風閥動態(tài)性能測試的控制系統(tǒng)設計

李偉立 葛黎明

摘? 要：針對風閥動態(tài)性能測試試驗裝置，為完成風閥流量特性試驗和阻力特性試驗，結合組態(tài)軟件和Modbus RTU通訊技術，提出一套基于PLC與組態(tài)王的風閥動態(tài)性能測試控制系統(tǒng)。由西門子S7-200系列PLC組成下位機，設計控制電路接線與程序編寫，并利用組態(tài)王軟件開發(fā)上位機監(jiān)控畫面。系統(tǒng)操作簡單、直觀，能夠進行設備的自動化控制，具有良好的穩(wěn)定性。

關鍵詞：風閥動態(tài)性能測試;組態(tài)王;Modbus RTU;PLC

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

引言

風閥是現(xiàn)代工業(yè)生產中各個領域里不可缺少的通用機械產品，已廣泛應用于核電、石油和化工等行業(yè)。在投入實際應用前，閥門的流量系數(shù)測試和阻力系數(shù)是必不可少的環(huán)節(jié)，它為工藝系統(tǒng)方案設計、設備選型與計算等提供科學的依據(jù)。

風閥動態(tài)性能測試系統(tǒng)是一套用于測試閥門流量系數(shù)和流阻系數(shù)的計算機自動控制系統(tǒng)。隨著計算機技術和自動控制技術的快速發(fā)展，PLC、組態(tài)軟件、變頻器技術已廣泛應用于工業(yè)化生產。為提高車間生產效率和自動化水平，本文基于PLC和組態(tài)王軟件設計一套用于風閥動態(tài)性能測試的控制系統(tǒng)。

1 風閥動態(tài)性能測試原理

風閥動態(tài)性能測試試驗裝置原理如圖1所示。測試裝置本體采用了吸式風管結構，風機位于管道的一端，通過改變其頻率調整流經管路的流量。圖1中，管壁入口處設置測壓孔，安裝壓力傳感器，用于測試入口流量壓差。被測閥門前后均設置測壓孔，安裝壓力變送器，用于測試兩點之間的管道阻力損失。同時安裝有用于測量現(xiàn)場的實時大氣壓力、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。

試驗過程為：（1）未安裝被測閥門之前，測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時閥門全開兩側靜壓差測試，？駐p20=？駐p（b）-？駐p（a），？駐p20為風閥標準狀態(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，測閥門各開啟度時流量，不同開啟度x對應的流量系數(shù)y=Qvi/Qvmax，Qvi是不同開啟度x時對應的流量，Qvmax是最大的測試流量;（4）閥門阻力系數(shù)計算公式：？孜=2×（？駐p（b）-？駐p（a））/（？籽a×C2）[1-2]，？籽a是大氣密度。

2 控制系統(tǒng)設計

控制系統(tǒng)的設計需滿足對現(xiàn)場工況的實時監(jiān)控，采集現(xiàn)場環(huán)境數(shù)據(jù)，反映系統(tǒng)的工作狀態(tài)，以及對相關設備的自動化控制。該風閥動態(tài)性能測試系統(tǒng)的控制系統(tǒng)主要由工控機、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，上位機由工控機組成，實現(xiàn)與下位機PLC的數(shù)據(jù)通訊，用于直觀顯示試驗系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)、改變試驗狀態(tài)、試驗數(shù)據(jù)記錄與存儲。上位機的監(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)場的監(jiān)控，提供友好的人機交互界面功能，滿足本試驗的控制要求[3]。下位機負責數(shù)據(jù)的采集和自動化輸出控制，由西門子公司生產的S7-200系列PLC CPU224XP和EM231模塊構成。CPU224XP具有兩個RS485通訊口、14DI/10DO，能夠與其它設備進行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個模擬量輸入通道，可采集4路4～20mA電流信號，本系統(tǒng)共有5個傳感器信號，使用2個EM231模塊。執(zhí)行機構由變頻器和風機構成，采用日本富士公司的5000G11S變頻器，頻率連續(xù)可調，運行高效，具有較好的靜態(tài)穩(wěn)定性。風機是管路測試系統(tǒng)的動力源，選用上海通風機廠制造的HL3-2A～9A混流風機，經計算，其風量滿足要求，并且噪音較小。

硬件連接與通訊設置：

（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)王中設置通信波特率9600Bps，PLC地址2：0，其余采用默認設置。

（2） 變頻器與PLC之間采用Modbus RTU通訊，PLC作為通訊的客戶機，變頻器作為服務器，變頻器地址設為3，波特率9600Bps，無奇偶校驗。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，設置手動頻率調整按鈕和風機運行指示燈，I0.1和I0.2是頻率調整按鈕。試驗過程中，上位機與下位機通訊出現(xiàn)故障時，應確保風機能夠及時停止運轉，設置手動停止按鈕，當I0.0信號輸入時，PLC程序發(fā)送停止運轉指令給變頻器。Q0.0和Q0.1分別用于顯示風機停止和運轉的兩種狀態(tài)。

3 軟件設計

控制程序設計主要包括下位機PLC程序設計和上位機組態(tài)王監(jiān)控界面設計。

3.1 下位機PLC程序

通過兩個EM231模塊采集試驗信息，PLC將采集到的數(shù)據(jù)進行處理，結果上傳至組態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，供試驗人員判斷工作狀態(tài)。PLC接受上位機的控制指令，按要求調整風機頻率，以達到調整管道流量的效果。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，對應PLC的數(shù)字量值為6400～32000，數(shù)據(jù)計算均采用浮點數(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，其實際測量范圍是-20～100℃，其余4個傳感器數(shù)據(jù)處理方式與之相同。

采用的日本富士5000G11S系列變頻器，支持標準Modbus RTU通訊功能，頻率指令代碼為S05，頻率值單位0.01Hz，即風機頻率為50Hz時應輸入值500/0.01=5000。運轉指令代碼為S06，S06為0、1和2時，分別代表風機停止、正向和反向動作。S05和 S06對應的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口進行Modbus RTU通訊。

風機頻率最大值為50Hz，即兩個寄存器的最大值為5000，采用字單元發(fā)送滿足要求。頻率值VW8000和運轉指令VW8002的數(shù)據(jù)由上位機寫入。程序每次傳送的是一個字單元，每執(zhí)行一個掃描循環(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)行相應的動作。

3.2 組態(tài)王監(jiān)控界面

上位機監(jiān)控系統(tǒng)主要實現(xiàn)相關參數(shù)輸入、數(shù)據(jù)顯示與計算、曲線擬合、風機調速和數(shù)據(jù)存儲等功能。組態(tài)王實時讀取PLC寄存器的值，各參數(shù)以指定方式顯示。監(jiān)控界面具有風機頻率調整按鈕，試驗全過程中可隨時調整管道內流量大小。試驗結束后，可進行打印輸出，同時將數(shù)據(jù)保存在數(shù)據(jù)庫中。

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

組態(tài)王工程設計步驟：

（1）建立新工程，根據(jù)向導建立新設備，選擇西門子S7200系列的USB通訊，設備名稱“風閥試驗PLC”。該設備代表下位機，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)類型均選擇浮點類型。

（2）建立“仿真PLC”設備，該設備用于存放發(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設備“風閥擬合VBexe”，該設備用于讀取VB程序。

（4）建立數(shù)據(jù)庫文件，連接組態(tài)王與數(shù)據(jù)源。創(chuàng)建表格模板、存儲數(shù)據(jù)記錄體和存儲數(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)輸入界面和試驗界面。

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

系統(tǒng)登錄成功后進入?yún)?shù)輸入界面，由試驗人員輸入試驗日期、編號以及待測閥門等相關參數(shù)。圖5中，當試驗人員需離開，為防止中途離開時其它人員操作，可單擊“上一步”按鈕返回登錄界面，此時輸入的相關參數(shù)不改變。當再次進入時，需重新輸入用戶名和密碼。參數(shù)輸入完畢后，單擊“下一步”進入試驗界面。

進入試驗界面圖6后，窗口左上角顯示試驗現(xiàn)場環(huán)境數(shù)據(jù)。下方有風機控制按鈕和數(shù)據(jù)打印按鈕。根據(jù)試驗測試原理，在做流量特性試驗和閥阻特性試驗前，首先應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試部分。窗口左側輸入風機頻率并啟動，風機按照指定頻率運轉。單擊管道阻力測試按鈕，左側的指示燈亮起，同時當前數(shù)據(jù)列動態(tài)顯示流量壓差、管道阻力和管道流速數(shù)據(jù)。試驗過程中，每改變一次頻率，當前數(shù)據(jù)的數(shù)值都會改變，數(shù)據(jù)趨于穩(wěn)定后單擊數(shù)據(jù)采集按鈕進行采集。

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)庫中。圖7為曲線擬合流程圖，當采樣值有相同時，程序會自動提示，監(jiān)控界面可以單擊刪除按鈕進行刪除。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，VB程序按照最小二乘法原理自動計算擬合公式，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言中，按照第1節(jié)中的測試原理及相關公式編寫流量系數(shù)和閥門阻力系數(shù)的計算程序。這兩項試驗可根據(jù)試驗需求進行，無先后順序，可以單獨試驗。試驗時單擊相應的試驗開關按鈕，界面上對應的指示燈亮起，改變風機頻率，待動態(tài)數(shù)據(jù)穩(wěn)定后進行采集。試驗完成后單擊打印預覽按鈕或者報告打印，通過打印設備打印試驗報告，退出工程，結束試驗。

4 結束語

本文針對風閥動態(tài)性能測試裝置，設計了一套基于PLC與組態(tài)王的自動控制系統(tǒng)。下位機以西門子CPU224XP作為控制器，EM231為模擬量采集模塊，完成了下位機數(shù)據(jù)采集與處理、變頻器控制的程序編寫。上位機通過組態(tài)王軟件完成了流量系數(shù)和閥門阻力系數(shù)計算試驗的監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)。該控制系統(tǒng)利用PLC強大的控制功能，結合組態(tài)王人機交互靈活、可靠的優(yōu)點，簡化了操作流程，實現(xiàn)了設備的自動化控制，具有良好的穩(wěn)定性。

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