基于PLC和串口通信的壓力儀表自動調(diào)試系統(tǒng)設(shè)計

任俊杰，李 媛

（北京聯(lián)合大學(xué) 機(jī)器人學(xué)院，北京 100101）

0 引言

目前我國儀器儀表產(chǎn)業(yè)的發(fā)展相對滯后，不僅體現(xiàn)在高精度儀表品類的設(shè)計、開發(fā)上，也體現(xiàn)在現(xiàn)有儀表的生產(chǎn)、調(diào)試自動化產(chǎn)線落后。根據(jù)國家計量檢定規(guī)程，所有儀器儀表在出廠前需進(jìn)行檢定，確認(rèn)是否合格；在使用一段時間后，也需要進(jìn)行再檢驗(yàn)。現(xiàn)階段壓力儀表種類較多，卻沒有專用的和通用的調(diào)試設(shè)備，因此，儀表的出廠調(diào)試大都采用人工方法進(jìn)行[1]。人工調(diào)試存在著諸多問題：

1）檢定人員必須要具有熟練技能，而培養(yǎng)一個合格的檢測人員周期較長；

2）人工調(diào)試一臺儀表需要較長時間，效率低，調(diào)表工人在調(diào)試某一塊壓力表時需在其量程范圍內(nèi)選擇多個測量點(diǎn)進(jìn)行測量，比如直接使用Fluke PPC4E壓力控制器/校準(zhǔn)器進(jìn)行調(diào)試時，調(diào)表工人需在測試每一個壓力點(diǎn)時，都要重新設(shè)置一次校準(zhǔn)器才能繼續(xù)進(jìn)行壓力表的調(diào)試工作。當(dāng)調(diào)表工人們調(diào)試某些對精度要求較高的精密壓力表時，需要重新設(shè)置校準(zhǔn)器的次數(shù)多達(dá)三十多次；

3）人工加壓檢測存在人為誤差[2]

大量的人力和時間耗費(fèi)在對校準(zhǔn)器的設(shè)置上，大大降低了儀表檢定工作的效率[3]。因此，能根據(jù)調(diào)表工人實(shí)際需求，自動對壓力控制器/校準(zhǔn)器進(jìn)行設(shè)置以實(shí)現(xiàn)對壓力儀表的自動檢定調(diào)試是現(xiàn)實(shí)需要。

本系統(tǒng)以S7-1200作為控制器，通過串口通信方式進(jìn)行PLC控制器和壓力控制器間的數(shù)據(jù)交換，編程實(shí)現(xiàn)對壓力儀表的自動調(diào)試。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

1.1 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

整個系統(tǒng)主要包括氣源系統(tǒng)、壓力控制器、中央控制器和調(diào)表工操作系統(tǒng)（觸摸屏），如圖1所示。氣源系統(tǒng)主要為待調(diào)壓力表提供一個比量程壓力稍高的基本穩(wěn)定的壓力測試環(huán)境，可以是高壓氮?dú)馄?，也可以是壓縮氣源。壓力控制器負(fù)責(zé)精確、快速地把氣源壓力穩(wěn)定到定點(diǎn)測試壓力值上。中央控制器采用S7-1200，作用是對壓力表定點(diǎn)調(diào)試過程進(jìn)行控制，以串口通信的方式采集壓力控制器的壓力數(shù)據(jù)，并把壓力的測試給定點(diǎn)值發(fā)送給壓力控制器。通過升壓和降壓兩個循環(huán)，在各檢定點(diǎn)對壓力表進(jìn)行測試，并給出測試結(jié)果[4]。觸摸屏通過以太網(wǎng)方式與中央控制器交換數(shù)據(jù)，調(diào)表工可以通過觸摸屏了解調(diào)試過程的壓力數(shù)據(jù)，并對調(diào)表過程進(jìn)行設(shè)置操作。

圖1 壓力儀表定點(diǎn)自動調(diào)試系統(tǒng)組成

1.2 系統(tǒng)功能

表1所示為壓力儀表需要自動檢測的項目匯總，根據(jù)自動檢測項目要求，進(jìn)行了系統(tǒng)功能設(shè)計。系統(tǒng)功能包括產(chǎn)品選擇、量程選擇、準(zhǔn)確度等級選擇、手/自動調(diào)試、測漏功能，如圖2所示。

表1 壓力儀表自動檢測項目

圖2 壓力儀表定點(diǎn)自動調(diào)試系統(tǒng)功能

1）產(chǎn)品選擇功能

被測壓力儀表分為一般壓力表、精密壓力表、數(shù)字壓力表以及壓力變送器，可以在觸摸屏上實(shí)現(xiàn)對這四個種類的選擇。

2）量程選擇功能

可以根據(jù)壓力表產(chǎn)品的不同分度等級通過觸摸屏進(jìn)行選擇，如0～1.6MPa，0～2.5MPa，0～4MPa等。

3）準(zhǔn)確度等級選擇功能

不同種類壓力表對應(yīng)不同的可選擇的精確度，操作人員可根據(jù)實(shí)際情況選擇相應(yīng)的精確度。

4）調(diào)試功能

可以根據(jù)壓力表的量程選擇不低于10個壓力值的測量點(diǎn)（包括正向升壓和反向降壓），升壓后到一個測量點(diǎn)停止，手動確認(rèn)后繼續(xù)升壓，也可提前設(shè)定好停留時間，如20s，到時間后自動升壓。升到最大壓力點(diǎn)后停止保持靜壓，壓力降低過程也是同理。壓力測量點(diǎn)的多少可以根據(jù)被調(diào)儀表要求進(jìn)行設(shè)置，操作者可以設(shè)置各個測量點(diǎn)的間隔時間。設(shè)置之后，調(diào)試過程可以自動完成。

5）測漏功能

在校準(zhǔn)器施加壓力后，壓力值在規(guī)定時間達(dá)不到給定值或達(dá)到給定后系統(tǒng)壓力又降低，將產(chǎn)生報警信息，提示儀表或連接部位有泄漏的地方。

2 系統(tǒng)硬件配置

壓力控制器選用福祿克公司的PPC4E壓力控制器，可以進(jìn)行密閉容器中氣體壓力的精確設(shè)置和控制，用于壓力儀表校準(zhǔn)和測試。PPC4E可以由操作員使用前面板顯示屏、鍵盤和功能鍵進(jìn)行本地人工控制，也可以通過串口RS232的ASCII字符命令字符串由計算機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程自動控制。本文中的PPC4E壓力控制器是通過串口通信方式由PLC來進(jìn)行控制的。

PLC控制系統(tǒng)硬件全部選用的是西門子公司的模塊，包括中央控制器S7-1200、RS232通信模塊、電源模塊和9寸觸摸屏，模塊信息如表2所示。

表2 PLC控制系統(tǒng)硬件列表

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

采用博途軟件分別進(jìn)行了PLC程序和觸摸屏操作監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計?？刂破鞒绦蚴歉鶕?jù)壓力儀表自動調(diào)試系統(tǒng)的功能要求編寫，實(shí)現(xiàn)壓力定點(diǎn)的自動給定調(diào)試功能；觸摸屏操作監(jiān)控功能軟件為調(diào)表工提供直觀方便的人機(jī)接口。

3.1 PLC程序設(shè)計

程序總體流程如圖3所示。系統(tǒng)運(yùn)行開始首先要進(jìn)行壓力表產(chǎn)品、量程和精確度等級的選擇。之后選擇調(diào)試方式，可以自動也可以手動方式進(jìn)行調(diào)試，并可設(shè)置各測點(diǎn)的時間間隔。設(shè)置完成后開始調(diào)試，PLC通過RC232串口通信將壓力測點(diǎn)設(shè)定值發(fā)送給壓力控制器，通過串口通信，PLC接收壓力控制器設(shè)備實(shí)際氣壓后判斷是否達(dá)到測點(diǎn)設(shè)定值。按照設(shè)定測試時間和順序，依次升壓或減壓到相應(yīng)的測點(diǎn)，完成壓力儀表的所有檢測項目。

圖3 程序總體流程

PLC程序采用梯形圖語言編寫，包括主程序和串口通信功能塊程序。

1）主程序（OB1）

主程序?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)品、量程、精確度等級的選擇設(shè)置、手自動調(diào)試選擇、測點(diǎn)時間的設(shè)置、測漏功能等，并分別調(diào)用串口通信功能塊RS232_target（FC5）和PRR（FC7），與壓力控制器交換數(shù)據(jù)。通信功能塊的調(diào)用如圖4所示。

圖4 串口通信功能塊在主程序中的調(diào)用

2）串口通信程序

RS232_target(FC5)的功能是實(shí)現(xiàn)PLC將壓力設(shè)定值發(fā)送給壓力控制器。按照PPC4E壓力控制器的串口協(xié)議，首先把目標(biāo)測點(diǎn)氣壓值轉(zhuǎn)換為字符串格式存儲起來，并將里面的空格全部刪除，再將刪除空格后的數(shù)據(jù)保存起來，然后啟動接收信息，發(fā)送緩沖區(qū)，并判斷數(shù)據(jù)是否發(fā)送成功。RS232_target(FC5)塊主要程序如圖5所示。

圖5 RS232_target(FC5)功能塊程序

PRR（FC7）的功能是PLC通過RC232串口通信接收到設(shè)備實(shí)際氣壓后，判斷是否達(dá)到設(shè)定值。主要程序如圖6所示。

圖6 PRR（FC7）功能塊程序

3.2 觸摸屏操作監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

觸摸屏操作監(jiān)控系統(tǒng)采用博途軟件中的WinCC組態(tài)軟件設(shè)計，主要包括手/自動調(diào)試選擇、產(chǎn)品選擇、量程選擇、準(zhǔn)確度等級選擇、測點(diǎn)時間設(shè)置、調(diào)試等功能界面，通過以太網(wǎng)通信將組態(tài)好的監(jiān)控界面下載到TP900 Comfort觸摸屏中。運(yùn)行系統(tǒng)則可以對壓力儀表進(jìn)行選擇設(shè)置和自動調(diào)試，操作監(jiān)控畫面如圖7所示。

圖7 觸摸屏監(jiān)控操作界面

自動調(diào)試方式下可以進(jìn)行產(chǎn)品選擇、產(chǎn)品選擇、準(zhǔn)確度等級選擇、量程選擇后，進(jìn)行測點(diǎn)時間設(shè)定，可以采用默認(rèn)方式（程序內(nèi)置時間）或非默認(rèn)方式（觸摸屏上手動設(shè)置時間），然后開始自動檢測調(diào)試。

手動調(diào)試方式下可以進(jìn)行檢測點(diǎn)手動設(shè)定，設(shè)置完成后開始進(jìn)行檢測調(diào)試。

檢測調(diào)試畫面中會顯示當(dāng)前測點(diǎn)值，并給出產(chǎn)生的氣壓是否達(dá)到測點(diǎn)值指示。測試結(jié)束會還給出合格或不合格的結(jié)論，以及有無泄漏。

4 系統(tǒng)測試

系統(tǒng)設(shè)計完成后，針對幾種壓力表，對搭建好的系統(tǒng)進(jìn)行了反復(fù)大量的測試，不斷完善程序，最終實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)功能要求。最后進(jìn)行了樣機(jī)制作，樣機(jī)如圖8所示，圖9為樣機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)。目前，該系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于實(shí)際壓力儀表的自動調(diào)試中。

圖8 樣機(jī)原型

圖9 樣機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)

5 結(jié)語

本系統(tǒng)以S7-1200 PLC為核心控制器，設(shè)計實(shí)現(xiàn)了壓力范圍0～6MPa、調(diào)壓介質(zhì)是壓縮空氣的壓力儀表自動調(diào)試系統(tǒng)。采用串口通信方式實(shí)現(xiàn)了核心控制器和壓力控制器間的數(shù)據(jù)交換，系統(tǒng)兼容性強(qiáng)，可以滿足多種壓力儀表產(chǎn)品調(diào)校、檢驗(yàn)需求。系統(tǒng)操作設(shè)置簡單、自動化程度較高，有效提高了壓力儀表產(chǎn)品的生產(chǎn)調(diào)試效率。