基于組態軟件與DDE技術的流量計校準系統研制

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基于組態軟件與DDE技術的流量計校準系統研制

胡開明，李躍忠，趙永科

（東華理工大學機械與電子工程學院，江西撫州344000）

摘要：在分析流量標定裝置的標定原理與結構基礎上，將標準表法和標準體積法綜合在一套流量校準裝置中，擴大了應用范圍，提高了檢定效率。完成恒壓供水系統、數據采集、標準流量計及控制執行等電路的配置，建立系統的數學模型，進行Matlab仿真分析，采用組態王軟件開發流量計檢定系統，運用DDE技術完成了Matlab與組態間的動態數據交換，通過編程實現流量裝置和流量計的檢定、數據存儲以及歷史數據報表等功能，較好地實現在線實流校準的仿真。實驗調試表明：流量計校準裝置的準確度為0.3，能較好地實現流量校準系統的控制、數據采集、處理分析的自動化。

關鍵詞：流量標定；組態王；Matlab軟件；DDE技術

收到修改稿日期：2012-10-19

0　引　言

為保證流量儀表計量的準確性，流量計在出廠前、使用中、維修后都需要標定[1]。然而由于現場流量計的使用條件千變萬化，要想建立與現場完全一致的條件是不現實的，所以需要選定其共性的條件，以建立標定裝置，并運用相關的理論實踐知識去解決使用條件的問題。在熱工流量計量中目前國內外廣泛應用的有水表檢定裝置、靜態容器標準裝置、標準表法流量標準裝置等。標準裝置20世紀80年代在國外廣泛使用，在國內，雖然歷史較短，但隨著相應技術法規和量值溯源系統的完善，發展非常迅速[2]。然而這些裝置基本上都是獨立使用、針對性強、價值較高的標準裝置[3]。為減少資金的投入，避免對場地的浪費，增加裝置的通用性，本次設計將靜態容器法和標準表法綜合在一套流量標準裝置中，利用兩種方法各自的優點，實現對流量計的檢定，以提高檢定效率。設計中采用DDE技術使組態軟件與Matlab進行動態數據交換，在組態王中進行實時數據采樣、動態工藝圖顯示、數據匯總，將Matlab作為后臺進行算法運算和數據處理[4]，在組態環境內完成流量計的自動檢定。

1　液體流量校準系統組成

本裝置采用靜態容器法和標準表法相結合的結構，設計了一套具有效率較高、低成本、適合于開展試驗的液體流量校準裝置。該系統中被檢流量計的檢定由標準表法實現，而容器法主要用來完成標準流量計的在線檢定，這樣就可以綜合利用兩種方法各自的優良特性，用戶可以根據需要選擇檢定方法。系統構造如圖1所示。根據不同的標定方法選擇不同的標準容器，由換向器進行標準表法和標準容器法間切換。采用標準表法時，以實際流量流過被校驗流量儀表，與流過的標準渦輪流量計進行比較，從而確定被校驗儀表的流量值。采用標準容積法時則以穩定的流量q向容器內連續注入液體，準確確定注入的開始時刻t1和停止時刻t2，同時準確測量Δt=t1-t2間隔內容器中積存的液體流量Q，即可計算出平均流量。在組態信息管理系統里將采集系統的輸入信號，通過規定的算法對采集的數據進行分析、處理，以完成液體流量計檢定系統的控制、數據采集、處理分析的自動化，實現標定的高精度、高效率和易操作性。

2　系統建模

圖1　校準裝置結構圖

恒壓供水系統保證水流速度的恒定，利用變頻器實現恒壓供水，數據采集系統將采集的數據進行轉換和處理，恒流系統是保證高精度檢定的前提。系統中采用液位-流量串級控制，運用PID控制，以達到快速、小超調地達到穩定。

2.1流量模型

用渦輪流量計檢測管道中水的流量送入PLC控制器，運算后控制變頻器的頻率，進而控制水泵的轉速，從而調節管道內的流量。通過實驗測的變頻器頻率f和對應出口流量Q的數據如表1所示。

表1　電動機至水泵實驗數據

采用Matlab進行數據處理，利用數據擬合曲線法可得流量對象的傳遞函數為

2.2液位系統的模型

檢定系統的水箱高度h為100 cm，截面積F為60cm2，水通過泵進入水箱，進入水箱的流量由水泵決定，水泵的控制電壓輸入范圍為0～10 V，水泵出水量與控制電壓之間的關系為

式中：Qi——流入水箱的流量；

U

p——水泵的控制電壓；

參數可近似為τd=0.65s，Tp=5s，Kp=0.1 L/（V·s）。

3　組態技術與Matlab間的DDE通信

設計中采用亞控公司組態王6.53軟件完成組態界面和控制流程的編寫。通過定義變量，建立組態界面，完成系統的用戶窗口、實時數據庫、設備窗口，主控窗口，運行策略等設計[5]。

動態數據交換（DDE）是Windons環境下應用程序間數據交換的主流技術[6]，因此可以通過DDE協議將組態王與Matlab結合起來，以充分發揮各自的優點，如圖2所示。其中組態王軟件顯示友好的人機圖形界面，操作人員可以在界面上直接操作，通過DDE通信把仿真PLC送給組態王的數據信息及時傳給Matlab，在Matlab中進行算法和數據運算處理，并把計算結果回傳給組態王顯示，再由組態王對仿真PLC進行控制[7]，進而在組態環境里實現系統的調試。

整個DDE通信部分的軟件設計使用Matlab語言編寫靈活的S函數來實現，以M文件形式存在。

圖2　組態軟件與Matlab的DDE通信

Simulink提供了一個M文件形式的S函數模板，包括定義一些必要函數的語句和一些注釋。因此，程序編寫簡單，修改起來也容易，有利于對算法的分析和改進，Matlab與組態王通信的仿真框如圖3所示。

圖3　Matlab與組態王DDE通信的S函數模型

system2方框是經過Simulink封裝后系統的PID控制算法子系統。DDE_Init是Matlab初始化函數，DDE_Input是Matlab輸入數據函數，DDE_Out－Put是Matlab輸出函數，FlowMeter是流量控制程序。在Matlab環境里，通過S函數編寫程序實現DDE通信的初始化，定義應用程序名和主題名；接受Matlab傳送過來的數據，建立熱鏈接并接收數據；實現Matlab數據的發送，將控制量傳送給組態王[8]。

4　系統調試

采用組態王軟件，定義DDE設備，指定邏輯變量，選擇數據交換類型，定義I/O變量，連接DDE設備，確認允許DDE訪問。組建系統的組態環境，構造校準系統的虛擬調試平臺。

通過DDE使組態軟件與Matlab通信，充分利用Matlab強大的計算和仿真功能及組態王界面設計功能，將采集的數據在Matlab中運算處理后送回組態進行顯示，實現檢定系統自動化。

在液位-流量串級控制系統中，液位系統作為主控器，流量系統作為副控制器。主調節器采用PID控制，根據系統數學模型采用ZN法整定控制參數[9-10]，得到Kp=12.0，Ki=0.75，Kd=4，副調節器采用PI控制，其參數整定為Kp=6.5，Ki=0.5。

編輯組態運行界面和運行數據，編寫液位穩流控制和管道內的流體動態效果運行程序，書寫標準表法和體積法校準的組態運行程序。標準表法主要通過比較標準表和待測流量計中數據確定校準精度，體積法計算一定時間內流入罐缸內的流量值的方法實現流量計量。運行組態界面，在界面上設置液位給定值，啟動水泵，然后打開Matlab結構控制框圖，點擊運行快捷鍵，進行S函數的運行，Matlab與組態間便可進行實時數據通信，整個檢定系統進入運行狀態。返回組態界面，還可以看到流量校準和液位控制動態畫面、歷史曲線畫面、實時曲線畫面和實時報表畫面等。系統組態運行界面如圖4所示，整個系統畫面通過4個按鈕和1個菜單進行方便的控制，水泵啟動按鈕可以啟動電機和變頻器，其余3個按鈕用于選擇校準方式，當切換至標準容積法標定時，右上方的時鐘會進行計時，根據標準罐的液位即可換算成單位時間內的體積流量。菜單按鈕欄中設置系統的歷史曲線、實時曲線和實時數據報表功能，可以直接查詢。

圖4　流量標定系統的組態運行界面

圖5　組態運行歷史曲線

圖6　Matlab仿真運行曲線

系統組態運行的歷史曲線如圖5所示，Matlab仿真圖形如圖6所示。可知兩曲線的數據基本一致，系統穩態無靜差，標準表與恒流表的示數一致，調節時間ts≈30s，超調量σ%≈27%，振蕩次數N=1。從圖4的組態界面運行圖中很直觀看出變頻器頻率為32 Hz，系統波動系數較小，穩定性較好，檢定的環境良好，在同等條件下測得的5組數據如表2所示。從表2可計算出該裝置準確度等級為0.3，滿足工業計量要求。

表2　流量檢定數據

5　結束語

本文以DDE通信技術作為紐帶，使用Matlab與組態技術完成了水流量標準裝置計算機控制系統的設計，實現了檢定過程的高效、直觀、自動化，克服人為操作中的種種不足。該裝置主要有3大優點：（1）該流量標準裝置將靜態容器法和標準表法集成在一起，擴大了應用范圍，節約了成本。（2）該裝置的標準表部分采用的是并聯標準表的方法，在不降低計量可靠性的前提下，可以擴大流量計測量范圍。（3）采用組態王與Matlab混合編程，通過DDE技術實現組態王與Matlab的交互鏈接，從而縮短了開發周期，提高了運行效率.

參考文獻

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Design of flow meter calibration system based on configuration software and DDE technology

HU Kai-ming，LI Yue-zhong，ZHAO Yong-ke

（College of Mechanical and Electronics Engineering，East China Institute of Technology，Fuzhou 344000，China）

Abstract:The methods of master meter and standard table are integrated in a flow standard device after analyzing the principle and structure of the flow calibration standard device，which can expand application range and improve detection efficiency. The system has the functions of constant pressure water supply and data acquisition. And it is also equipped with the hardware circuits of the standard flow meter，the actuator，etc. The mathematical model is established，and Matlab simulation analysis is carried out. Flow meter calibration system is developed with the Kingview software. The dynamic data exchange between Matlab and configuration is realized with DDE technology. The functions of calibration，data storage，history data report，etc. are realized for the flow device and the flowmeter through programming. The method is a good way for on-line real-calibration simulation. Experimental results show that the accuracy of the flowmeter calibration device is 0.3，and it can preferably reach to the automation of control，data acquisition，processing and analysis.

Key words:flow calibration；Kingview；Matlab；DDE technology

基金項目：國家自然科學基金項目（61064013）

收稿日期：2012-08-30；

doi：10.11857/j.issn.1674-5124.2013.05.018

文章編號：1674-5124（2013）05-0065-03

文獻標志碼：A

中圖分類號：TH814；TP272；TP311.52；TM930.12

作者簡介：胡開明（1977-），男，安徽安慶市人，講師，碩士，主要從事控制理論、檢測與控制儀表裝置領域的教學與研究工作。