基于MCGS的同向型換向器控制系統的設計

馬龍博，沈毅久，鄭建英

（浙江省計量科學研究院 國家液體流量計量器具質量監督檢驗中心實驗室，杭州 310018）

換向器是液體流量標準裝置中的重要組成部分，利用換向器的換向功能可以實現水流在不同管路（或流道）間的轉換。根據換向器在換向時是否對水流產生擾動，可以將換向器分為閉式換向器和開式換向器[1]：閉式換向器由于內部結構先天不足，在換向時會對管路中的水流產生擾動，這種擾動將會通過管路一直傳播到試驗段，并對試驗段中流速分布產生影響，進而影響安裝在試驗段中流量計的計量性能；開式換向器在結構上完全摒棄了閉式換向器的設計思路，采用噴嘴與換向體分離的設計結構，因此換向體改變噴嘴中噴出的水流時，不會對噴嘴中的水流產生擾動，由于開式換向器換向時不會對管道中的水流產生擾動，因而在液體流量標準裝置中的得到廣泛應用[2～5]。目前，廣泛使用的開式換向器主要是換入/換出不同向開式換向器，而在使用這種換向器時，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整到換入換出行程的中心位置等因素的存在，將會直接造成該型換向器在換入過程和換出過程中的流量模型不對稱，進而帶來較大的換向誤差，影響整套液體流量標準裝置的不確定度[6～7]。為減小上述換入/換出不同向換向器給整套水流量標準裝置帶來的不確定度，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的不確定度。

MCGS作為一款優秀的上位機控制軟件，不僅能夠快速構造和生成計算機監控系統的組態軟件，而且能夠通過對現場數據的采集處理，實現動畫顯示、報警處理、流程控制、實時曲線、歷史曲線和報表輸出等，從而可以向用戶提供有效的解決實際工程問題的方案，最終實現現場的實時監控，因此在工控領域得到了廣泛的應用[8]。

在對目前使用的換向器的優缺點分析的基礎上，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式換向器，并利用MCGS較好地實現了換向器的換入/換出控制，解決了不同向開式換向器“換入/換出不同向”問題，實現換向器的“換入/換出同向”，大大減小了換向器換向引起的不確定度。

1 系統的基本結構和工作原理

1.1 同向型開式換向器的結構及原理

圖1所示為同向型開式換向器的結構，其工作原理為

（1）控制伺服電機正向旋轉驅動絲杠作同向轉動，絲杠正向轉動配合螺母拖動分流器的第一分流腔水平移動至換向噴嘴正下方，此時換向噴嘴噴出的水流經過第一分流腔流入循環水池；

（2）按照（1）中伺服電機的控制方式，將計量腔水平移動至換向噴嘴正下方，此時換向噴嘴噴出的水流經過計量腔流入計量量器；在分流器水平移動的同時，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換器所在方向運動，并在經過第一光電轉換器時與第一光電轉換器配合發出脈沖信號并傳送至計時器開始計時；

（3）按照（1）中伺服電機的控制方式，將第二分流腔水平移動至換向噴嘴正下方，此時換向噴嘴噴出的水流經過第二分流腔流入循環水池；在分流器水平移動的同時，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換器所在方向運動，并在經過第二光電轉換器時與第二光電轉換器配合發出脈沖信號并傳送至計時器停止計時，完成一個換向過程。

（4）控制伺服電機反向旋轉驅動絲杠作同向轉動，絲杠反向轉動配合螺母拖動分流器的第二分流腔水平移動至換向噴嘴正下方，此時換向噴嘴噴出的水流經過第二分流腔流入循環水池；

（5）按照（4）中伺服電機的控制方式，將計量腔水平移動至換向噴嘴正下方，此時換向噴嘴噴出的水流經過計量腔流入計量量器；在分流器水平移動的同時，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換器所在方向運動，并在經過第二光電轉換器時與第二光電轉換器配合發出脈沖信號并傳送至計時器開始計時；

（6）按照（4）中伺服電機的控制方式，將第一分流腔水平移動至換向噴嘴正下方，此時換向噴嘴噴出的水流經過第一分流腔流入循環水池；在分流器水平移動的同時，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換器所在方向運動，并在經過第一光電轉換器時與第一光電轉換器配合發出脈沖信號并傳送至計時器停止計時，完成另一個換向過程。

圖1 同向型開式換向器結構Fig.1 Structure of the same direction diverter

1.2 同向型開式換向器控制系統結構

根據上述換入換出同向型開式換向器的工作原理，可以將該型換向器的控制系統設計成如圖2所示的結構。

由圖2可以看出，同向型開式換向器控制系統主要由上位機與PLC的通訊兩部分構成。PLC與現場對象的通訊，其基本原理如圖3所示。

圖2 系統的基本結構Fig.2 Basic structure of the system

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

2 控制系統的通訊

2.1 上位機與PLC的通訊

上位機與PLC的通訊是通過MCGS與RS485來完成的。RS485是工業現場常用的一種通信標準，它是采用平衡發送和差分接收方式來實現通信的，由于其傳輸線通常采用雙絞線，又是差分傳輸，因此具有較強的抗共模干擾能力。此外，RS485還具有傳輸距離長（最大傳輸距離可以達到1200 m）及站點支持能力強（最多支持32個站點）的優點[9]。

MCGS通過RS485與PLC的通訊必須通過以下設置來實現：

（1）通過MCGS的設備窗口建立系統與外部設備的連接關系。本文中在設備窗口中配置外部設備為西門子S7-200 PLC，設備的相關屬性設置為波特率9600，數據位為8位，停止位為1位，偶校驗；另外PLC的地址設置為02。

（2）建立系統與外部設備的連接關系后，需要對MCGS中的變量進行定義。變量的定義在實時數據庫進行。本系統中，需要定義的主要變量有伺服電機啟/停變量、伺服電機轉動方向變量、光電信號輸入變量、被檢表脈沖輸入變量等。

2.2 PLC與現場設備的通訊

PLC與現場設備的通訊主要包括以下3個方面：

（1）現場被檢流量計的脈沖輸入：本項目中的現場被檢流量計一般為脈沖輸出流量計。在對該類型流量計進行檢定時，流量計輸出的脈沖通過S7-200 PLC的I0.3口輸入到PLC的寄存器中；

（2）伺服電機控制輸出：包括方向控制輸出和脈沖輸出。其中方向輸出通過S7-200 PLC的Q0.2輸出，用于控制伺服電機的旋轉方向；脈沖輸出通過S7-200 PLC的Q0.1輸出，用于控制伺服電機的轉動速度和旋轉圈數；

（3）光電轉換器1和光電轉換器2的脈沖輸入：伺服電機正向旋轉時，以光電轉換器1的脈沖信號作為檢定計時開始信號，以光電轉換器2的脈沖信號作為檢定計時的結束信號；伺服電機反向旋轉時，以光電轉換器2的脈沖信號作為檢定計時的開始信號，以光電轉換器1的脈沖信號作為檢定計時的結束信號；其中，光電轉換器1和光電轉換器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 同向型開式換向器的運行控制

首先進行運行控制的初始化，主要包括同向型開式換向器與噴嘴間的位置調整、檢定用水量設定、關閉計量量器底閥等；

其次，調節裝置管道中的水流量，當流量達到所需流量并穩定后，點擊檢定開始按鈕，伺服電機根據前次檢定結束后計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方向，并開始旋轉拖動計量腔進行換入，在換如過程中2只光電轉換器中的一只將產生脈沖信號并傳送至S7-200 PLC，PLC在接收到脈沖信號后，控制計時器開始檢定計時、計頻；在換入過程中，噴嘴噴出的水流逐漸通過計量腔中的其中一個分流腔流入到計量量器；

第三，當檢定用水量達到設定的用水量時，伺服電機開始同向旋轉拖動計量腔進行換出，在換出過程中，另一只光電轉換器將產生脈沖信號并傳送至S7-200 PLC，PLC接收到脈沖信號后，控制計時器結束檢定計時、計頻；在換出過程中，噴嘴噴出的水流逐漸通過計量器的另一個分流腔流入到循環水池；此時，換入/換出過程結束；

第四，上位機根據得到的被檢流量計的累積脈沖數和脈沖當量計算出累積流量，并結合累積時間計算出被檢流量計的瞬時流量，該瞬時流量與裝置得到的瞬時流量進行比對，得到被檢流量計的示值誤差。此時，一個檢定過程結束。

3 結語

本文在總結前人研究的基礎上，基于“換入/換出”同向原理，研制了一種換入換出同向型開式換向器，并基于新研制換向器的工作原理，開發了一套用于換向器的控制系統，較好地實現了新研制換向器的運行控制。運行結果表明，新研制的換入換出同向型換向器及其控制系統結構簡單、運行穩定可靠，大大消除了因“換入/換出”不同向引入的不確定度，能夠解決不同向開式換向器帶來的諸多難題。

[1]史振東，李旭，王東偉.兩種換向器在液體流量標準裝置中的應用[J].計量技術，2006（12）：65-66.

[2]孟濤，王池，陳曉銘.流量裝置中換向器檢定方法的研究[J].計量學報，2008，29（5）：420-422.

[3]國家質量技術監督局.JJG 164-2000液體流量標準裝置檢定規程[S].2000.

[4]馬龍博，鄭建英，趙建亮.基于換入換出同向方法的開式換向器設計及不確定度評定方法研究[J].制造業自動化，2013，35（11）：119-122.

[5]李金海，蘇彥勛.液體流量裝置中有關換向器和穩定性檢測的不確定度[J].計量學報，2008，29（5）：437-440.

[6]馬龍博，鄭建英，趙建亮.液體流量標準裝置中開式換向器測量誤差模型研究[J].傳感技術學報，2015，28（4）：515-520.

[7]馬龍博，趙建亮，鄭建英.液體流量標準裝置中開式換向器測量誤差實驗研究[J].自動化儀表，2015，36（4）：60-67.

[8]昆侖通態.全中文工控組態軟件MCGS用戶指南[Z].北京昆侖通態自動化軟件科技有限公司，2001.

[9]周耿烈，呂紅梅，劉瑞玲.用VB6.0實現PC機與智能儀表的遠距離串行通信[J].蘭州工業高等專科學校學報，2007，14（1）：5-8.