風閥動態性能測試的控制系統設計

李偉立 葛黎明

摘? 要：針對風閥動態性能測試試驗裝置，為完成風閥流量特性試驗和阻力特性試驗，結合組態軟件和Modbus RTU通訊技術，提出一套基于PLC與組態王的風閥動態性能測試控制系統。由西門子S7-200系列PLC組成下位機，設計控制電路接線與程序編寫，并利用組態王軟件開發上位機監控畫面。系統操作簡單、直觀，能夠進行設備的自動化控制，具有良好的穩定性。

關鍵詞：風閥動態性能測試;組態王;Modbus RTU;PLC

中圖分類號：TH137.52 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）06-0024-04

引言

風閥是現代工業生產中各個領域里不可缺少的通用機械產品，已廣泛應用于核電、石油和化工等行業。在投入實際應用前，閥門的流量系數測試和阻力系數是必不可少的環節，它為工藝系統方案設計、設備選型與計算等提供科學的依據。

風閥動態性能測試系統是一套用于測試閥門流量系數和流阻系數的計算機自動控制系統。隨著計算機技術和自動控制技術的快速發展，PLC、組態軟件、變頻器技術已廣泛應用于工業化生產。為提高車間生產效率和自動化水平，本文基于PLC和組態王軟件設計一套用于風閥動態性能測試的控制系統。

1 風閥動態性能測試原理

風閥動態性能測試試驗裝置原理如圖1所示。測試裝置本體采用了吸式風管結構，風機位于管道的一端，通過改變其頻率調整流經管路的流量。圖1中，管壁入口處設置測壓孔，安裝壓力傳感器，用于測試入口流量壓差。被測閥門前后均設置測壓孔，安裝壓力變送器，用于測試兩點之間的管道阻力損失。同時安裝有用于測量現場的實時大氣壓力、溫度和濕度的傳感器。變頻器和傳感器分別連接至模擬量采集模塊和PLC。

試驗過程為：（1）未安裝被測閥門之前，測量閥門待安裝位置的前后管道阻力損失？駐p（a）與閥兩端管道流速c的關系？駐p（a）=f（c），即管道阻力損失系數方程;（2）管道流速20m/s時閥門全開兩側靜壓差測試，？駐p20=？駐p（b）-？駐p（a），？駐p20為風閥標準狀態阻力損失，？駐p（b）是閥前后管道總阻力損失;（3）控制閥兩端阻力損失為？駐p20，測閥門各開啟度時流量，不同開啟度x對應的流量系數y=Qvi/Qvmax，Qvi是不同開啟度x時對應的流量，Qvmax是最大的測試流量;（4）閥門阻力系數計算公式：？孜=2×（？駐p（b）-？駐p（a））/（？籽a×C2）[1-2]，？籽a是大氣密度。

2 控制系統設計

控制系統的設計需滿足對現場工況的實時監控，采集現場環境數據，反映系統的工作狀態，以及對相關設備的自動化控制。該風閥動態性能測試系統的控制系統主要由工控機、PLC、數據采集模塊、變頻器和各類傳感器組成。

圖2為控制系統的方案圖，上位機由工控機組成，實現與下位機PLC的數據通訊，用于直觀顯示試驗系統運行數據、改變試驗狀態、試驗數據記錄與存儲。上位機的監控程序利用組態王KingView6.60SP1開發，組態王主要用于工業控制現場的監控，提供友好的人機交互界面功能，滿足本試驗的控制要求[3]。下位機負責數據的采集和自動化輸出控制，由西門子公司生產的S7-200系列PLC CPU224XP和EM231模塊構成。CPU224XP具有兩個RS485通訊口、14DI/10DO，能夠與其它設備進行PPI通訊和Modbus RTU通訊[4]，執行數字量輸入和輸出控制。EM231模塊擁有4個模擬量輸入通道，可采集4路4～20mA電流信號，本系統共有5個傳感器信號，使用2個EM231模塊。執行機構由變頻器和風機構成，采用日本富士公司的5000G11S變頻器，頻率連續可調，運行高效，具有較好的靜態穩定性。風機是管路測試系統的動力源，選用上海通風機廠制造的HL3-2A～9A混流風機，經計算，其風量滿足要求，并且噪音較小。

硬件連接與通訊設置：

（1） 組態王與PLC之間采用西門子的USB/PPI電纜連接，在組態王中設置通信波特率9600Bps，PLC地址2：0，其余采用默認設置。

（2） 變頻器與PLC之間采用Modbus RTU通訊，PLC作為通訊的客戶機，變頻器作為服務器，變頻器地址設為3，波特率9600Bps，無奇偶校驗。利用屏蔽雙絞線將PLC PORT 1口的3孔、8孔連接至變頻器的接線端子S+、S-進行通信[5]。

（3）所有傳感器均為2線制輸出，直接連接電源和EM231模塊。

表1為PLC的端口地址分配，硬件電路中，設置手動頻率調整按鈕和風機運行指示燈，I0.1和I0.2是頻率調整按鈕。試驗過程中，上位機與下位機通訊出現故障時，應確保風機能夠及時停止運轉，設置手動停止按鈕，當I0.0信號輸入時，PLC程序發送停止運轉指令給變頻器。Q0.0和Q0.1分別用于顯示風機停止和運轉的兩種狀態。

3 軟件設計

控制程序設計主要包括下位機PLC程序設計和上位機組態王監控界面設計。

3.1 下位機PLC程序

通過兩個EM231模塊采集試驗信息，PLC將采集到的數據進行處理，結果上傳至組態監控系統，供試驗人員判斷工作狀態。PLC接受上位機的控制指令，按要求調整風機頻率，以達到調整管道流量的效果。PLC、組態王以及變頻器之間的數據通訊，必須明確數據的地址與功能，本系統的通訊寄存器分配如表2所示。

傳感器輸出4～20mA電流，對應PLC的數字量值為6400～32000，數據計算均采用浮點數。圖3為大氣溫度值采集程序，輸入地址為AIW4，寄存器地址為VD1000，其實際測量范圍是-20～100℃，其余4個傳感器數據處理方式與之相同。

采用的日本富士5000G11S系列變頻器，支持標準Modbus RTU通訊功能，頻率指令代碼為S05，頻率值單位0.01Hz，即風機頻率為50Hz時應輸入值500/0.01=5000。運轉指令代碼為S06，S06為0、1和2時，分別代表風機停止、正向和反向動作。S05和 S06對應的Modbus通訊保持寄存器地址分別為401798和401799。變頻器的控制程序如圖4所示，程序使用PORT1口進行Modbus RTU通訊。

風機頻率最大值為50Hz，即兩個寄存器的最大值為5000，采用字單元發送滿足要求。頻率值VW8000和運轉指令VW8002的數據由上位機寫入。程序每次傳送的是一個字單元，每執行一個掃描循環周期，PLC分別將VW8000和VW8002字單元中的數據發送到通訊保持寄存器401798和401799中，即改變S05和S06中的數據，執行相應的動作。

3.2 組態王監控界面

上位機監控系統主要實現相關參數輸入、數據顯示與計算、曲線擬合、風機調速和數據存儲等功能。組態王實時讀取PLC寄存器的值，各參數以指定方式顯示。監控界面具有風機頻率調整按鈕，試驗全過程中可隨時調整管道內流量大小。試驗結束后，可進行打印輸出，同時將數據保存在數據庫中。

組態王軟件不具備對數據進行復雜處理的能力，無法對采集到的管道流速和管路阻力進行曲線擬合。利用VB6.0開發曲線擬合工具，采用最小二乘法對采樣值進行擬合，生成可執行文件。組態王具有和VB通訊的DDE功能[6]，計算管道阻力損失系數方程時與利用VB6.0開發生成的“.exe”文件進行DDE通訊，動態獲取擬合曲線方程[7]。

組態王工程設計步驟：

（1）建立新工程，根據向導建立新設備，選擇西門子S7200系列的USB通訊，設備名稱“風閥試驗PLC”。該設備代表下位機，按照表2通訊寄存器的分配地址，在組態王變量組中新建數據通訊的變量，所有數據類型均選擇浮點類型。

（2）建立“仿真PLC”設備，該設備用于存放發送給VB程序的數據，建立字符串類型變量，選中允許DDE訪問。

（3）建立DDE設備“風閥擬合VBexe”，該設備用于讀取VB程序。

（4）建立數據庫文件，連接組態王與數據源。創建表格模板、存儲數據記錄體和存儲數據記錄體。

（5）建立監控界面與程序編寫。主要包括登錄界面、參數輸入界面和試驗界面。

參數輸入界面和試驗界面如圖5和圖6所示，可完成待測閥門的參數錄入和運行狀態的監控。

系統登錄成功后進入參數輸入界面，由試驗人員輸入試驗日期、編號以及待測閥門等相關參數。圖5中，當試驗人員需離開，為防止中途離開時其它人員操作，可單擊“上一步”按鈕返回登錄界面，此時輸入的相關參數不改變。當再次進入時，需重新輸入用戶名和密碼。參數輸入完畢后，單擊“下一步”進入試驗界面。

進入試驗界面圖6后，窗口左上角顯示試驗現場環境數據。下方有風機控制按鈕和數據打印按鈕。根據試驗測試原理，在做流量特性試驗和閥阻特性試驗前，首先應求得管道阻力損失系數方程，即窗口上部分的管道阻力測試部分。窗口左側輸入風機頻率并啟動，風機按照指定頻率運轉。單擊管道阻力測試按鈕，左側的指示燈亮起，同時當前數據列動態顯示流量壓差、管道阻力和管道流速數據。試驗過程中，每改變一次頻率，當前數據的數值都會改變，數據趨于穩定后單擊數據采集按鈕進行采集。

采集十組數據后，停止采集，并將數據存入數據庫中。圖7為曲線擬合流程圖，當采樣值有相同時，程序會自動提示，監控界面可以單擊刪除按鈕進行刪除。組態王將數據發送給曲線擬合程序，采樣值大于等于三組時，VB程序按照最小二乘法原理自動計算擬合公式，發送至監控界面顯示，VB界面如圖8所示。

在圖6的畫面存在的命令語言中，按照第1節中的測試原理及相關公式編寫流量系數和閥門阻力系數的計算程序。這兩項試驗可根據試驗需求進行，無先后順序，可以單獨試驗。試驗時單擊相應的試驗開關按鈕，界面上對應的指示燈亮起，改變風機頻率，待動態數據穩定后進行采集。試驗完成后單擊打印預覽按鈕或者報告打印，通過打印設備打印試驗報告，退出工程，結束試驗。

4 結束語

本文針對風閥動態性能測試裝置，設計了一套基于PLC與組態王的自動控制系統。下位機以西門子CPU224XP作為控制器，EM231為模擬量采集模塊，完成了下位機數據采集與處理、變頻器控制的程序編寫。上位機通過組態王軟件完成了流量系數和閥門阻力系數計算試驗的監控系統開發。該控制系統利用PLC強大的控制功能，結合組態王人機交互靈活、可靠的優點，簡化了操作流程，實現了設備的自動化控制，具有良好的穩定性。

參考文獻：

[1]賽慶毅，殷忠民，王會敏，等.空氣閥門性能試驗測試裝置對比研究[J].流體機械，2012，40（1）：6-9.

[2]李磊磊，楊東升，劉建峰，等.基于PLC航天閥門流阻流量特性測試系統設計[J].液壓與氣動，2017（11）：29-35.

[3]李瑞先.組態王軟件在監控系統中的應用[J].電氣傳動自動化，2006，28（5）：49-51.

[4]何強，單啟兵.可編程序控制器應用：S7-200[M].中國水利水電出版社，2010.

[5]王俊杰，徐建文.基于MODBUS-RTU通訊協議的變頻器PLC控制設計[J].工業控制計算機，2016，29（2）：15-16.

[6]基于VB6.0和DDE的I/O模塊與組態王的通信研究[J].儀表技術，2011（3）：1-4.

[7]岳雪嬌，劉瑛.VB中實現最小二乘法數據處理[J].機械設計與制造，2016（10）：159-162.