基于LabVIEW的通用型氣體質(zhì)量流量計(jì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

馬力 陳超 劉夷平 秦亭亭 / 上海市計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院

基于LabVIEW的通用型氣體質(zhì)量流量計(jì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

馬力 陳超 劉夷平 秦亭亭 / 上海市計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院

設(shè)計(jì)了帶有模擬信號(hào)采集和輸出功能的通用型氣體質(zhì)量流量計(jì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)與被測(cè)流量計(jì)的數(shù)據(jù)通信，改變了無法校準(zhǔn)氣體質(zhì)量流量計(jì)變送器和氣體質(zhì)量流量控制器的現(xiàn)狀。

LabVIEW；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；氣體質(zhì)量流量計(jì)；氣體質(zhì)量流量控制器

0 引言

擁有較高準(zhǔn)確度和實(shí)現(xiàn)各類信號(hào)通信的氣體質(zhì)量流量計(jì)和氣體質(zhì)量流量控制器是當(dāng)今工業(yè)測(cè)控領(lǐng)域使用越來越多的流量顯示儀表和流量控制儀表［1］，然而對(duì)氣體質(zhì)量流量計(jì)的校準(zhǔn)還基本停留在人工讀數(shù)的原始階段。有一些使用在集成控制設(shè)備中的氣體質(zhì)量流量計(jì)甚至不帶數(shù)顯，僅有模擬信號(hào)通信，使用目測(cè)讀數(shù)法，顯然不能滿足使用要求。

為了校準(zhǔn)這部分流量計(jì)和逐步淘汰以人工讀數(shù)為主的測(cè)量方法，設(shè)計(jì)了帶有模擬信號(hào)采集和輸出功能的通用型氣體質(zhì)量流量計(jì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)與被測(cè)流量計(jì)的數(shù)據(jù)通信。整套裝置可根據(jù)預(yù)設(shè)流量點(diǎn)，完成流量計(jì)的校準(zhǔn)工作，并輸出原始記錄。

1 系統(tǒng)的硬件架構(gòu)

通用型氣體質(zhì)量流量計(jì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)示意圖如圖1所示。系統(tǒng)硬件部分由氣源、流量控制閥、被測(cè)氣體質(zhì)量流量計(jì)或控制器、標(biāo)準(zhǔn)器串聯(lián)而成。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)以PC機(jī)為上位機(jī)，PLC可編程邏輯控制器為下位機(jī)。硬件部分還包括PC/PPI cable上下位機(jī)數(shù)據(jù)連接線、氣體質(zhì)量流量控制器（量程分別為5～500 mL/min、500～5 000 mL/min和5 000～5 0000 mL/min）、溫度變送器（15～25 ℃）、壓力變送器（95～108 kPa）和SL-800型活塞式氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置（5～50 000 mL/min）。系統(tǒng)硬件架構(gòu)如圖2所示。

1.1 上位機(jī)

該系統(tǒng)的上位機(jī)安裝有LabVIEW、OPC Servers、 Step7_MICRO/WIN V4.0軟件，分別對(duì)上位機(jī)程序、上下位機(jī)數(shù)據(jù)交換、下位機(jī)程序進(jìn)行編程。

圖1 通用型氣體質(zhì)量流量計(jì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

圖2 硬件架構(gòu)

1.2 下位機(jī)

下位機(jī)選用PLC可編程邏輯控制器。該控制器包含兩路0～10 V模擬輸入、四路4～20 mA或0～10 V模擬輸入、四路4～20 mA或0～10 V模擬輸出。

1.3 裝置配套設(shè)備

氣體質(zhì)量流量控制器準(zhǔn)確度等級(jí)為5級(jí)，滿足JJG 897-1995《質(zhì)量流量計(jì)》中關(guān)于調(diào)節(jié)流量點(diǎn)的相關(guān)要求。

溫度變送器選型為148型變送器和PT100型熱電偶，準(zhǔn)確度等級(jí)0.5級(jí)，用于測(cè)量被測(cè)表端的溫度值。

壓力變送器選型3051TG型絕壓變送器，準(zhǔn)確度等級(jí)0.5級(jí)，用于測(cè)量被測(cè)表端的壓力值。

2 系統(tǒng)的軟件架構(gòu)

系統(tǒng)軟件基本基于圖3所示流程圖進(jìn)行編寫。

圖3 流程圖

2.1 上位機(jī)程序

LabVIEW的程序遵循流程圖編寫［2］。主界面分為管路顯示圖、原始記錄顯示表、開始結(jié)束按鈕、時(shí)間項(xiàng)目顯示。

2.2 下位機(jī)程序

下位機(jī)采用Step7 MICRO/WIN對(duì)需要使用的模擬量串口進(jìn)行編程［3］。

2.3 上下位機(jī)通信程序

系統(tǒng)采用價(jià)廉物美的PLC作為下位機(jī)的型式。并非由LabVIEW程序直接控制自家NI數(shù)據(jù)采集卡，故需采用OPC通信。通過建立NI OPC Servers，設(shè)置PLC通信端子到LabVIEW的虛擬通道［1］，控制流量控制閥、采集被測(cè)表、裝置壓力變送器、溫度變送器的模擬信號(hào)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制和數(shù)據(jù)采集。

3 技術(shù)關(guān)鍵和難點(diǎn)

3.1 程序的編制

該系統(tǒng)需要考慮同時(shí)實(shí)施模擬量和RS232通信輸入LabVIEW的問題。模擬量信號(hào)通過PLC作轉(zhuǎn)換模塊的方式通信，RS232信號(hào)則采用 NI-VISA的方式。

LabVIEW中分別制作了8個(gè)vi程序：參數(shù)設(shè)置.vi、主界面.vi、數(shù)據(jù)查詢.vi、原始記錄打印.vi、被測(cè)模擬量修正.vi、流量控制器修正.vi、溫度變送器修正.vi、壓力變送器修正.vi。其主從關(guān)系如圖4所示。

圖4 vi程序邏輯

3.2 系統(tǒng)的自校

系統(tǒng)的模擬信號(hào)輸出和輸入在使用一段時(shí)間后會(huì)出現(xiàn)模擬信號(hào)零點(diǎn)和滿量程漂移。為了解決這一難點(diǎn)問題，必須編制模擬量校準(zhǔn)子程序，對(duì)系統(tǒng)的電壓和電流進(jìn)行校準(zhǔn)。

把過程校準(zhǔn)儀的測(cè)量端接到模擬信號(hào)的輸出端，通過程序?qū)α泓c(diǎn)和滿量程進(jìn)行自校。

把過程校準(zhǔn)儀的標(biāo)準(zhǔn)源端接到模擬信號(hào)的輸入端，通過程序?qū)α泓c(diǎn)和滿量程進(jìn)行自校。

以電流檔為例，自校前的被測(cè)表的零點(diǎn)和滿量程默認(rèn)值分別為4.000 mA和20.000 mA，校準(zhǔn)值為4.008 mA，19.996 mA。

則自校前流量為

上述自校過程能保證系統(tǒng)校準(zhǔn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3.3 實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體質(zhì)量流量控制器的校準(zhǔn)

氣體質(zhì)量流量控制器是在氣體質(zhì)量流量計(jì)后端加一個(gè)PID控制閥的流量控制器，用來實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體質(zhì)量流量的控制。一般氣體質(zhì)量流量計(jì)采用模擬信號(hào)與上位機(jī)通信。

由于氣體質(zhì)量流量控制器的控制閥通常是NC常閉閥，所以其校準(zhǔn)工作不同于氣體質(zhì)量流量計(jì)，不僅要通電和測(cè)量模擬量，還需要輸入特定模擬量使其開閥。這成為氣體質(zhì)量流量控制器校準(zhǔn)工作的最大難點(diǎn)，國內(nèi)測(cè)控技術(shù)還沒有特別成熟，在這套系統(tǒng)制成之前，全國各地計(jì)量機(jī)構(gòu)還不具備校準(zhǔn)這類流量控制器的能力。為了校準(zhǔn)這部分質(zhì)量流量控制器，系統(tǒng)設(shè)置了被測(cè)表模擬量輸入端口和模擬量輸出端口，分別為PLC的AIW4和AQW0端口。

校準(zhǔn)前，在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置對(duì)話框中應(yīng)選擇質(zhì)量流量計(jì)或質(zhì)量控制器。然后按照檢定規(guī)程由被檢表模擬輸出值通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成流量值。該流量值與標(biāo)準(zhǔn)表的顯示值之差即為誤差值。

這樣，就能順利完成氣體質(zhì)量流量計(jì)或質(zhì)量流量控制器的校準(zhǔn)工作。

4 結(jié)語

綜上所述，基于LabVIEW和PLC技術(shù)研制了通用型氣體質(zhì)量流量計(jì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。使用結(jié)果表明，該系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確度高，經(jīng)濟(jì)成本較低，開發(fā)周期短，改變了無法校準(zhǔn)氣體質(zhì)量流量計(jì)變送器和氣體質(zhì)量流量控制器的現(xiàn)狀，是國內(nèi)首次將流量測(cè)控系統(tǒng)應(yīng)用于氣體微小流量標(biāo)定的系統(tǒng)之一。該系統(tǒng)可以完成對(duì)氣體質(zhì)量流量計(jì)和氣體質(zhì)量流量控制器的校準(zhǔn)工作。

［1］劉榮榮，容匯. 基于LabVIEW的氣體流量計(jì)自動(dòng)檢定系統(tǒng)［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2007（08）：41-43.

［2］陳樹學(xué)，劉萱. LabVIEW寶典［M］. 北京：電子工業(yè)出版社，2011.

［3］林獻(xiàn)坤，朱琳，高禮剛. 基于LabVIEW和OPC的三軸加載機(jī)測(cè)控系統(tǒng)開發(fā)［J］. 儀表技術(shù)與傳感器，2015（05）：60-64.

An universal data acquisition system of gas mass flowmeters based on LabVIEW

Ma Li，Chen Chao，Liu Yiping，Qin Tingting
（Shanghai Institute of Measurement and Testing Technology）

An universal data acquisition system of gas mass flow meters based on LabVIEW with the functions of analog signal acquisition and output was designed， which realized the data communication between the system and tested flow meters. With the establishment of the system， the calibration of gas mass flow transmitter and gas mass flow controller is now available.

LabVIEW； data acquisition system； gas mass flowmeter； gas mass flow controller