基于LabVIEW與PLC的過濾材料純水通量測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張?zhí)绎w，沈 捷，王正飛，俞 健，黃 彥，劉 強(qiáng)

(1.南京工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)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(xué)材料化學(xué)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張?zhí)绎w1，沈 捷1，王正飛2，俞 健3，黃 彥3，劉 強(qiáng)3

(1.南京工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)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(xué)材料化學(xué)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(zhǔn)確、快速的實(shí)現(xiàn)純水通量的測(cè)定，本工作設(shè)計(jì)了一套自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，并詳細(xì)說明了其硬件結(jié)構(gòu)和軟件設(shè)計(jì)方法。該測(cè)試系統(tǒng)以LabVIEW作為上位機(jī)的開發(fā)平臺(tái)，通過調(diào)用VISA接口函數(shù)并采用了西門子PPI協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了LabVIEW與下位機(jī)西門子PLCS7-200的串口通訊。測(cè)試系統(tǒng)集上位機(jī)數(shù)據(jù)采集﹑數(shù)據(jù)顯示和數(shù)據(jù)保存于一體。測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)界面友好、運(yùn)行穩(wěn)定、測(cè)試重復(fù)性好，達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求。

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

0 引言

過濾材料不僅廣泛應(yīng)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(shù)領(lǐng)域里的作用也日益突出。表征過濾材料性能的一個(gè)重要指標(biāo)是它的純水通量(也稱透過速率)，表示單位壓力下，單位時(shí)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(guān)。準(zhǔn)確表征過濾材料的純水通量，不僅對(duì)于新型過濾材料研發(fā)有重要的指導(dǎo)意義，而且對(duì)不同用戶正確選擇適合的產(chǎn)品也有很大的實(shí)際意義。

傳統(tǒng)的過濾材料純水通量測(cè)試，一般采用手動(dòng)方式，由于操作步驟的繁瑣，測(cè)試時(shí)間較長(zhǎng)，使得手動(dòng)測(cè)試不僅效率低下，而且容易出錯(cuò)。因此設(shè)計(jì)一套自動(dòng)純水通量測(cè)試系統(tǒng)有助于高效準(zhǔn)確的測(cè)試出不同類型的過濾材料純水通量，對(duì)判斷出它在不同領(lǐng)域里的應(yīng)用具有重要的實(shí)用意義。

1 測(cè)試原理

純水通量測(cè)試有內(nèi)壓法和外壓法。一般測(cè)試純水通量采用內(nèi)壓法，測(cè)試時(shí)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(nèi)壓法示意圖

本文設(shè)計(jì)的過濾材料純水通量自動(dòng)測(cè)試以PLC模擬量輸出控制電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開度來改變系統(tǒng)的流量，分別在電動(dòng)調(diào)節(jié)閥不同的開度下檢測(cè)并自動(dòng)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(gè)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(cè)試系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

測(cè)試系統(tǒng)硬件主要包括PLC S7-200 cpu224[3]、EM235模擬量擴(kuò)展模塊、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、電磁閥、電磁流量計(jì)、壓力傳感器、增壓泵、管道以及計(jì)算機(jī)。整個(gè)系統(tǒng)硬件框架結(jié)構(gòu)如圖2所示。系統(tǒng)由下位機(jī)和上位機(jī)兩部分構(gòu)成，下位機(jī)PLC的功能是負(fù)責(zé)執(zhí)行上位機(jī)指令來控制測(cè)試系統(tǒng)的電磁閥通斷以及電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開度，此外，PLC還負(fù)責(zé)采集測(cè)試系統(tǒng)的流量、和過濾材料兩端的壓力，上位機(jī)LabVIEW的主要功能是和PLC通訊以及負(fù)責(zé)對(duì)下位機(jī)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示、分析和保存。

圖2 測(cè)試系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)

由于檢測(cè)系統(tǒng)只需要控制兩個(gè)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(dòng)調(diào)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(jì)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(cè)試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與軟件設(shè)計(jì)

測(cè)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(cè)試準(zhǔn)備主要是對(duì)程序界面的一些必要參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置完成后，系統(tǒng)先判斷上下位機(jī)通信是否正常，通訊成功后，進(jìn)入測(cè)試，先打開相應(yīng)的電磁閥，再調(diào)節(jié)電動(dòng)調(diào)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(dòng)調(diào)節(jié)閥的開度，重復(fù)上面步驟，直至電動(dòng)調(diào)節(jié)閥全閉，壓力差為0時(shí)，測(cè)試結(jié)束。測(cè)試過程中，每改變一次電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開度，等待60 s后使系統(tǒng)穩(wěn)定，程序自動(dòng)記錄此時(shí)的流量和壓差。整個(gè)測(cè)試步驟按照流程圖進(jìn)行。整個(gè)系統(tǒng)軟件部分主要分成4個(gè)模塊：上位機(jī)LabVIEW和下位機(jī)PLC通信設(shè)計(jì)；系統(tǒng)控制模塊的設(shè)計(jì)；數(shù)據(jù)采集和讀取的設(shè)計(jì)；數(shù)據(jù)處理以及數(shù)據(jù)保存設(shè)計(jì)。以下分別對(duì)每個(gè)模塊進(jìn)行詳細(xì)介紹。

圖3 系統(tǒng)軟件流程圖

3.1 LabVIEW與PLC的 PPI串口通信設(shè)計(jì)

工控機(jī)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(duì)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(fù)雜度和時(shí)間。在實(shí)現(xiàn)和西門子PLC通訊后，上下位機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸存在延時(shí)問題，在有些采集精度要求高的場(chǎng)合，幾乎達(dá)不到現(xiàn)場(chǎng)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(chǔ)區(qū)，大大增加了通訊的復(fù)雜度。PPI[6]協(xié)議是為PLCS7-200設(shè)計(jì)的專用通訊協(xié)議，當(dāng)上位機(jī)采用PPI協(xié)議指令和PLC進(jìn)行通訊時(shí)，上位機(jī)能讀寫PLC所有存儲(chǔ)區(qū)的數(shù)據(jù)，上位機(jī)還直接可以控制PLC的啟動(dòng)和停止。此外，PLC能夠?qū)崟r(shí)的把采集數(shù)據(jù)傳給上位機(jī)進(jìn)行處理，不存在數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)。上位機(jī)采用圖形化系統(tǒng)設(shè)計(jì)平臺(tái)的LabVIEW 作為開發(fā)平臺(tái)，通過調(diào)用VISA(Virtual Instrument Software Architecture，虛擬儀器軟件架構(gòu))接口函數(shù)來實(shí)現(xiàn)與PLC的串口通訊，編程簡(jiǎn)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(jī)(即PC機(jī))為主機(jī)，PLC為從機(jī)。通信由上位機(jī)LabVIEW開始發(fā)起，PLC給予回應(yīng)。本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)的通訊步驟如下：

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

(2)PLC接到上位機(jī)通訊命令后進(jìn)行校驗(yàn)，如果無誤則返回?cái)?shù)據(jù)10 00 02 02 04 16給上位機(jī)作出初步應(yīng)答。

(3)上位機(jī)接收到初步應(yīng)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(rèn)執(zhí)行通信。

(4) PLC接到確認(rèn)命令后，執(zhí)行上位機(jī)發(fā)送的確認(rèn)執(zhí)行通信命令， 并向上位機(jī)返回?cái)?shù)據(jù)E5。它的通信過程要往復(fù)兩次才完成一次的通信，比較嚴(yán)謹(jǐn)，不易出錯(cuò)。

VISA是一組針對(duì)儀器編程的標(biāo)準(zhǔn)API函數(shù)，VISA可以控制USB﹑串口﹑以太網(wǎng)等設(shè)備。在LabVIEW開發(fā)平臺(tái)下，使用VISA與串口設(shè)備通訊的步驟為：初始化端口，對(duì)串口通信的端口號(hào)﹑波特率﹑奇偶校驗(yàn)位﹑數(shù)據(jù)位進(jìn)行設(shè)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(guān)閉端口。基于以上對(duì)西門子PPI協(xié)議和VISA函數(shù)的介紹，按照通訊步驟編程實(shí)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(shè)計(jì)

整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)控制部分包括電磁閥的通斷控制、泵的啟動(dòng)和停止控制、電動(dòng)調(diào)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(jī)LabVIEW通訊成功后，上位機(jī)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(yīng)動(dòng)作控制電磁閥的通斷和泵的啟停。電動(dòng)調(diào)節(jié)閥(4～20 mA)由PLC的模擬量輸出端控制，上位機(jī)LabVIEW通過發(fā)送寫入指令的方式把6 400-32 000間的任意一個(gè)的數(shù)字信號(hào)傳給PLC模擬量輸出寄存器，PLC的模擬量輸出模塊EM235內(nèi)部自帶12位D/A轉(zhuǎn)換芯片，把數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的4～20 mA的電流信號(hào)傳給電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，從而控制電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開度(其中4 mA對(duì)應(yīng)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥全閉，20 mA對(duì)應(yīng)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥全開)。

3.3 數(shù)據(jù)采集和讀取軟件設(shè)計(jì)

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

3.4 數(shù)據(jù)處理和保存軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)從PLC中讀出的數(shù)值要先轉(zhuǎn)換回采集的壓力和流量值，再進(jìn)行顯示、保存。以壓力傳感器為例，量程為0～500 kPa，假設(shè)PLC采集到的數(shù)值為X,則數(shù)值轉(zhuǎn)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(jìn)行編寫，保存的數(shù)據(jù)是測(cè)試時(shí)記錄的流量和對(duì)應(yīng)的壓差。程序如下圖5所示。

圖5 保存測(cè)試數(shù)據(jù)程序框圖

4 測(cè)試結(jié)果與分析

測(cè)試系統(tǒng)界面如圖6所示。

圖6 測(cè)試界面圖

對(duì)一種過濾不銹鋼材料進(jìn)行了兩次純水通量測(cè)試得到的數(shù)據(jù)，測(cè)試材料的有效面積是0.00 534m2,，兩次測(cè)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(cè)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(gè)定值。從圖7的測(cè)試曲線可知，壓差和流量值基本成線性關(guān)系，且壓力差越大，流量越大。兩次測(cè)試重復(fù)性良好，說明整個(gè)系統(tǒng)符合測(cè)試要求且測(cè)試結(jié)果可靠性良好。

圖7 測(cè)試曲線

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的測(cè)試系統(tǒng)充分結(jié)合了LabVIEW和PLC的優(yōu)點(diǎn)，采用了PLC的PPI協(xié)議進(jìn)行了上下位機(jī)的通訊，實(shí)現(xiàn)了純水通量測(cè)試系統(tǒng)的自動(dòng)測(cè)試。測(cè)試系統(tǒng)的用戶界面友好，操作方便，重復(fù)性良好。且測(cè)試數(shù)據(jù)自動(dòng)保存，便于后期的查詢分析。該系統(tǒng)經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的調(diào)試，現(xiàn)在運(yùn)行穩(wěn)定，和以往的手動(dòng)通量測(cè)試相比，大大提高了工作效率。

[1] 張慧,朱淑飛,魯學(xué)仁.膜技術(shù)在水處理中國(guó)的應(yīng)用與發(fā)展.水處理技術(shù),2002(5):256-259.

[2] 王湛,張新妙,武文娟.操作條件對(duì)死端微濾膜通量的影響-溫度、壓力、濃度的影響.膜科學(xué)與技術(shù),2006(1):26-30.

[3] 溫照方.SIMATIC S7-200 可編程序控制器教程.北京: 北京理工大學(xué)出版社,2002.

[4] 李洪波.基于西門子PLC的OPC服務(wù)器開發(fā):[學(xué)位論文].天津：天津大學(xué),2007.

[5] 廖聲立.利用MODBUS通訊實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)PLC系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制.化工自動(dòng)化及儀表， 2011(10)355-358.

[6] 彭魏臻,麻紅昭,張華,張偉.PPI 協(xié)議分析.化工自動(dòng)化及儀表,2006,33(4):47-49.

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?yàn)樽詣?dòng)化裝置與檢測(cè)儀表技術(shù)，E-mail：18761683059@163.com 沈捷(1976—)，副教授，研究方向機(jī)器視覺，多機(jī)器人協(xié)調(diào)控制，E-mail：shenjienj@163.com