基于MCGS的同向型換向器控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

馬龍博，沈毅久，鄭建英

（浙江省計(jì)量科學(xué)研究院 國(guó)家液體流量計(jì)量器具質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心實(shí)驗(yàn)室，杭州 310018）

換向器是液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置中的重要組成部分，利用換向器的換向功能可以實(shí)現(xiàn)水流在不同管路（或流道）間的轉(zhuǎn)換。根據(jù)換向器在換向時(shí)是否對(duì)水流產(chǎn)生擾動(dòng)，可以將換向器分為閉式換向器和開(kāi)式換向器[1]：閉式換向器由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)先天不足，在換向時(shí)會(huì)對(duì)管路中的水流產(chǎn)生擾動(dòng)，這種擾動(dòng)將會(huì)通過(guò)管路一直傳播到試驗(yàn)段，并對(duì)試驗(yàn)段中流速分布產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響安裝在試驗(yàn)段中流量計(jì)的計(jì)量性能；開(kāi)式換向器在結(jié)構(gòu)上完全摒棄了閉式換向器的設(shè)計(jì)思路，采用噴嘴與換向體分離的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，因此換向體改變噴嘴中噴出的水流時(shí)，不會(huì)對(duì)噴嘴中的水流產(chǎn)生擾動(dòng)，由于開(kāi)式換向器換向時(shí)不會(huì)對(duì)管道中的水流產(chǎn)生擾動(dòng)，因而在液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置中的得到廣泛應(yīng)用[2～5]。目前，廣泛使用的開(kāi)式換向器主要是換入/換出不同向開(kāi)式換向器，而在使用這種換向器時(shí)，由于換入/換出不同向、換向噴嘴噴出的水流流速分布不均勻及換向器換向擋板很難調(diào)整到換入換出行程的中心位置等因素的存在，將會(huì)直接造成該型換向器在換入過(guò)程和換出過(guò)程中的流量模型不對(duì)稱，進(jìn)而帶來(lái)較大的換向誤差，影響整套液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的不確定度[6～7]。為減小上述換入/換出不同向換向器給整套水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置帶來(lái)的不確定度，急需研制一種新型原理的換向器，以減小因換向器換向帶來(lái)的不確定度。

MCGS作為一款優(yōu)秀的上位機(jī)控制軟件，不僅能夠快速構(gòu)造和生成計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件，而且能夠通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集處理，實(shí)現(xiàn)動(dòng)畫顯示、報(bào)警處理、流程控制、實(shí)時(shí)曲線、歷史曲線和報(bào)表輸出等，從而可以向用戶提供有效的解決實(shí)際工程問(wèn)題的方案，最終實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，因此在工控領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[8]。

在對(duì)目前使用的換向器的優(yōu)缺點(diǎn)分析的基礎(chǔ)上，基于“換入/換出”同向原理，研制了一種不受換向擋板位置和換向器噴口流速分布影響的同向型開(kāi)式換向器，并利用MCGS較好地實(shí)現(xiàn)了換向器的換入/換出控制，解決了不同向開(kāi)式換向器“換入/換出不同向”問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)換向器的“換入/換出同向”，大大減小了換向器換向引起的不確定度。

1 系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 同向型開(kāi)式換向器的結(jié)構(gòu)及原理

圖1所示為同向型開(kāi)式換向器的結(jié)構(gòu)，其工作原理為

（1）控制伺服電機(jī)正向旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)絲杠作同向轉(zhuǎn)動(dòng)，絲杠正向轉(zhuǎn)動(dòng)配合螺母拖動(dòng)分流器的第一分流腔水平移動(dòng)至換向噴嘴正下方，此時(shí)換向噴嘴噴出的水流經(jīng)過(guò)第一分流腔流入循環(huán)水池；

（2）按照（1）中伺服電機(jī)的控制方式，將計(jì)量腔水平移動(dòng)至換向噴嘴正下方，此時(shí)換向噴嘴噴出的水流經(jīng)過(guò)計(jì)量腔流入計(jì)量量器；在分流器水平移動(dòng)的同時(shí)，固定安裝在絲杠螺母上的換向擋板隨絲杠螺母一起向第一光電轉(zhuǎn)換器所在方向運(yùn)動(dòng)，并在經(jīng)過(guò)第一光電轉(zhuǎn)換器時(shí)與第一光電轉(zhuǎn)換器配合發(fā)出脈沖信號(hào)并傳送至計(jì)時(shí)器開(kāi)始計(jì)時(shí)；

（3）按照（1）中伺服電機(jī)的控制方式，將第二分流腔水平移動(dòng)至換向噴嘴正下方，此時(shí)換向噴嘴噴出的水流經(jīng)過(guò)第二分流腔流入循環(huán)水池；在分流器水平移動(dòng)的同時(shí)，固定安裝在絲杠螺母上的換向擋板隨絲杠螺母一起向第二光電轉(zhuǎn)換器所在方向運(yùn)動(dòng)，并在經(jīng)過(guò)第二光電轉(zhuǎn)換器時(shí)與第二光電轉(zhuǎn)換器配合發(fā)出脈沖信號(hào)并傳送至計(jì)時(shí)器停止計(jì)時(shí)，完成一個(gè)換向過(guò)程。

（4）控制伺服電機(jī)反向旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)絲杠作同向轉(zhuǎn)動(dòng)，絲杠反向轉(zhuǎn)動(dòng)配合螺母拖動(dòng)分流器的第二分流腔水平移動(dòng)至換向噴嘴正下方，此時(shí)換向噴嘴噴出的水流經(jīng)過(guò)第二分流腔流入循環(huán)水池；

（5）按照（4）中伺服電機(jī)的控制方式，將計(jì)量腔水平移動(dòng)至換向噴嘴正下方，此時(shí)換向噴嘴噴出的水流經(jīng)過(guò)計(jì)量腔流入計(jì)量量器；在分流器水平移動(dòng)的同時(shí)，固定安裝在絲杠螺母上的換向擋板隨絲杠螺母一起向第二光電轉(zhuǎn)換器所在方向運(yùn)動(dòng)，并在經(jīng)過(guò)第二光電轉(zhuǎn)換器時(shí)與第二光電轉(zhuǎn)換器配合發(fā)出脈沖信號(hào)并傳送至計(jì)時(shí)器開(kāi)始計(jì)時(shí)；

（6）按照（4）中伺服電機(jī)的控制方式，將第一分流腔水平移動(dòng)至換向噴嘴正下方，此時(shí)換向噴嘴噴出的水流經(jīng)過(guò)第一分流腔流入循環(huán)水池；在分流器水平移動(dòng)的同時(shí)，固定安裝在絲杠螺母上的換向擋板隨絲杠螺母一起向第一光電轉(zhuǎn)換器所在方向運(yùn)動(dòng)，并在經(jīng)過(guò)第一光電轉(zhuǎn)換器時(shí)與第一光電轉(zhuǎn)換器配合發(fā)出脈沖信號(hào)并傳送至計(jì)時(shí)器停止計(jì)時(shí)，完成另一個(gè)換向過(guò)程。

圖1 同向型開(kāi)式換向器結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of the same direction diverter

1.2 同向型開(kāi)式換向器控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)上述換入換出同向型開(kāi)式換向器的工作原理，可以將該型換向器的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)成如圖2所示的結(jié)構(gòu)。

由圖2可以看出，同向型開(kāi)式換向器控制系統(tǒng)主要由上位機(jī)與PLC的通訊兩部分構(gòu)成。PLC與現(xiàn)場(chǎng)對(duì)象的通訊，其基本原理如圖3所示。

圖2 系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)Fig.2 Basic structure of the system

圖3 控制系統(tǒng)基本原理Fig.3 Basic theory of the control system

2 控制系統(tǒng)的通訊

2.1 上位機(jī)與PLC的通訊

上位機(jī)與PLC的通訊是通過(guò)MCGS與RS485來(lái)完成的。RS485是工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)常用的一種通信標(biāo)準(zhǔn)，它是采用平衡發(fā)送和差分接收方式來(lái)實(shí)現(xiàn)通信的，由于其傳輸線通常采用雙絞線，又是差分傳輸，因此具有較強(qiáng)的抗共模干擾能力。此外，RS485還具有傳輸距離長(zhǎng)（最大傳輸距離可以達(dá)到1200 m）及站點(diǎn)支持能力強(qiáng)（最多支持32個(gè)站點(diǎn)）的優(yōu)點(diǎn)[9]。

MCGS通過(guò)RS485與PLC的通訊必須通過(guò)以下設(shè)置來(lái)實(shí)現(xiàn)：

（1）通過(guò)MCGS的設(shè)備窗口建立系統(tǒng)與外部設(shè)備的連接關(guān)系。本文中在設(shè)備窗口中配置外部設(shè)備為西門子S7-200 PLC，設(shè)備的相關(guān)屬性設(shè)置為波特率9600，數(shù)據(jù)位為8位，停止位為1位，偶校驗(yàn)；另外PLC的地址設(shè)置為02。

（2）建立系統(tǒng)與外部設(shè)備的連接關(guān)系后，需要對(duì)MCGS中的變量進(jìn)行定義。變量的定義在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行。本系統(tǒng)中，需要定義的主要變量有伺服電機(jī)啟/停變量、伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向變量、光電信號(hào)輸入變量、被檢表脈沖輸入變量等。

2.2 PLC與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的通訊

PLC與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的通訊主要包括以下3個(gè)方面：

（1）現(xiàn)場(chǎng)被檢流量計(jì)的脈沖輸入：本項(xiàng)目中的現(xiàn)場(chǎng)被檢流量計(jì)一般為脈沖輸出流量計(jì)。在對(duì)該類型流量計(jì)進(jìn)行檢定時(shí)，流量計(jì)輸出的脈沖通過(guò)S7-200 PLC的I0.3口輸入到PLC的寄存器中；

（2）伺服電機(jī)控制輸出：包括方向控制輸出和脈沖輸出。其中方向輸出通過(guò)S7-200 PLC的Q0.2輸出，用于控制伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向；脈沖輸出通過(guò)S7-200 PLC的Q0.1輸出，用于控制伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度和旋轉(zhuǎn)圈數(shù)；

（3）光電轉(zhuǎn)換器1和光電轉(zhuǎn)換器2的脈沖輸入：伺服電機(jī)正向旋轉(zhuǎn)時(shí)，以光電轉(zhuǎn)換器1的脈沖信號(hào)作為檢定計(jì)時(shí)開(kāi)始信號(hào)，以光電轉(zhuǎn)換器2的脈沖信號(hào)作為檢定計(jì)時(shí)的結(jié)束信號(hào)；伺服電機(jī)反向旋轉(zhuǎn)時(shí)，以光電轉(zhuǎn)換器2的脈沖信號(hào)作為檢定計(jì)時(shí)的開(kāi)始信號(hào)，以光電轉(zhuǎn)換器1的脈沖信號(hào)作為檢定計(jì)時(shí)的結(jié)束信號(hào)；其中，光電轉(zhuǎn)換器1和光電轉(zhuǎn)換器2的脈沖輸出線分別連接至S7-200 PLC的I0.1和I0.2端口。

2.3 同向型開(kāi)式換向器的運(yùn)行控制

首先進(jìn)行運(yùn)行控制的初始化，主要包括同向型開(kāi)式換向器與噴嘴間的位置調(diào)整、檢定用水量設(shè)定、關(guān)閉計(jì)量量器底閥等；

其次，調(diào)節(jié)裝置管道中的水流量，當(dāng)流量達(dá)到所需流量并穩(wěn)定后，點(diǎn)擊檢定開(kāi)始按鈕，伺服電機(jī)根據(jù)前次檢定結(jié)束后計(jì)量腔的第一分流腔和第二分流腔與噴嘴間的位置判斷旋轉(zhuǎn)方向，并開(kāi)始旋轉(zhuǎn)拖動(dòng)計(jì)量腔進(jìn)行換入，在換如過(guò)程中2只光電轉(zhuǎn)換器中的一只將產(chǎn)生脈沖信號(hào)并傳送至S7-200 PLC，PLC在接收到脈沖信號(hào)后，控制計(jì)時(shí)器開(kāi)始檢定計(jì)時(shí)、計(jì)頻；在換入過(guò)程中，噴嘴噴出的水流逐漸通過(guò)計(jì)量腔中的其中一個(gè)分流腔流入到計(jì)量量器；

第三，當(dāng)檢定用水量達(dá)到設(shè)定的用水量時(shí)，伺服電機(jī)開(kāi)始同向旋轉(zhuǎn)拖動(dòng)計(jì)量腔進(jìn)行換出，在換出過(guò)程中，另一只光電轉(zhuǎn)換器將產(chǎn)生脈沖信號(hào)并傳送至S7-200 PLC，PLC接收到脈沖信號(hào)后，控制計(jì)時(shí)器結(jié)束檢定計(jì)時(shí)、計(jì)頻；在換出過(guò)程中，噴嘴噴出的水流逐漸通過(guò)計(jì)量器的另一個(gè)分流腔流入到循環(huán)水池；此時(shí)，換入/換出過(guò)程結(jié)束；

第四，上位機(jī)根據(jù)得到的被檢流量計(jì)的累積脈沖數(shù)和脈沖當(dāng)量計(jì)算出累積流量，并結(jié)合累積時(shí)間計(jì)算出被檢流量計(jì)的瞬時(shí)流量，該瞬時(shí)流量與裝置得到的瞬時(shí)流量進(jìn)行比對(duì)，得到被檢流量計(jì)的示值誤差。此時(shí)，一個(gè)檢定過(guò)程結(jié)束。

3 結(jié)語(yǔ)

本文在總結(jié)前人研究的基礎(chǔ)上，基于“換入/換出”同向原理，研制了一種換入換出同向型開(kāi)式換向器，并基于新研制換向器的工作原理，開(kāi)發(fā)了一套用于換向器的控制系統(tǒng)，較好地實(shí)現(xiàn)了新研制換向器的運(yùn)行控制。運(yùn)行結(jié)果表明，新研制的換入換出同向型換向器及其控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行穩(wěn)定可靠，大大消除了因“換入/換出”不同向引入的不確定度，能夠解決不同向開(kāi)式換向器帶來(lái)的諸多難題。

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