過濾材料性能檢測平臺測控系統設計

吳恩周，馬小軍

（南京工業大學 自動化與控制科學學院，江蘇 南京 211816）

0 引言

過濾材料性能檢測系統中軟件是系統最重要的組成部分。檢測系統的軟件結合了計算機測控系統與傳感器技術、數據采集技術、PLC編程技術、串口通信技術。上位機軟件實時監測檢測平臺的壓力、流量，PLC接收上位機的指令對電磁調節閥的開度進行控制，并同時控制增壓泵和多個電磁開關閥的通斷，最終實現壓降流量特性試驗、多次通過試驗、沖洗試驗的自動化。

1 檢測系統總體設計

過濾材料性能檢測試驗臺是由變送器、電磁閥、PLC模塊、顆粒計數器、上位工控機組成的多功能綜合試驗裝置，其復雜程度高。系統基本結構框圖如圖1所示。

本檢測平臺的測控系統采用工控機和西門子PLC的上下位機，兩者之間通過串口進行數據通信。PLC是整個檢測系統現場控制的核心，不僅負責試驗平臺的壓力以及流量的數據采集，而且可以接收上位機發送的指令要求，調節試驗平臺中各執行元器件的狀態。檢測系統嚴格按照試驗步驟自動完成試驗，實現過濾材料性能檢測的自動化。

圖1 系統基本結構框圖

顆粒計數器和工控機構成顆粒檢測系統，上位機是主設備，顆粒計數器作為下位機，通過串口通信協議實現工控機與顆粒計數器的通信。采用顆粒計數器評定過濾材料的過濾精度，有助于提高檢測的速度和精度。上位機是測控系統的數據處理中心，主要用于處理、分析以及存儲試驗數據，輸出用戶所需的試驗結果及曲線。

本檢測系統包括2路壓力信號的采集，1路流量信號的采集，5路數字量輸出控制信號，1路模擬量輸出控制信號。蠕動泵與上位機LabVIEW直接進行RS485串口通信，因此直接受上位機控制。該系統測控系統以PLC為現場控制核心，工控機為數據存儲、處理以及人機交互平臺。充分利用了工控計算機良好的數據處理分析和強大的數據保存能力以及PLC抗干擾能力強、可靠性高的特點。

系統通過對壓力和流量的采集判斷來控制電磁開關閥的通斷以及電動調節閥的開度，最終完成檢測。軟件用戶界面友好，操作簡便。

2 通信方式選擇

PPI協議是西門子為PLC S7-200模塊設計的專用通信協議。PPI協議廣泛應用在西門子PLC S7-200與第三方組態軟件進行通信，包括西門子觸摸屏WINCC、組態王、紫金橋、力控等。當上位機采用PPI協議指令和PLC進行通信時，上位機能方便地讀取及寫入PLC所有存儲區的數據。此外，上位機還可以直接控制PLC的運行和停止。使用PPI協議通信時，PLC內部可以不用編程，因此，通信快捷方便，二者之間的數據傳輸速率高。這也是本檢測系統選擇此種方案的主要原因。PPI通信協議是一種主從式的通信，上位機為主機，PLC為從機，通信由上位機開始發起，PLC給予回應。

3 檢測系統軟件設計

3.1 測控系統的通信模塊軟件設計

VISA是美國國家儀器公司(NI)提供的一組針對儀器編程的標準API函數。VISA可以控制 USB﹑串口﹑以太網等通信設備。在LabVIEW開發平臺下，使用VISA與串口設備通信的步驟如下：(1)初始化端口。對串口通信的端口號﹑波特率﹑奇偶校驗位﹑數據位進行設定，使其與PLC端口的參數一致；(2)讀寫端口。利用串口讀寫函數，從串口中讀入和輸出數據；(3)關閉端口。按照上述通信步驟編程實現了LabVIEW和西門子PLC的串口通信，通信程序部分框圖如圖2所示。

3.2 數據采集模塊軟件設計

數據采集是將壓力值、流量值等模擬量采集后轉換為數字量并由計算機顯示、分析和處理。本系統數據采集部分首先傳感器輸出的電流信號通過西門子PLC的EM235模擬量輸入模塊，西門子的模擬量輸入模塊會把采集到的相應的模擬量電流信號轉換為對應的數字量，并把對應的數字量存放在相應的寄存器中。這部分轉換由西門子PLC編程來完成，傳感器采集到的壓力和流量存放在西門子 PLC中相應的AIW4、AIW6、AIW8寄存器內，為了方便上位機讀取西門子PLC中的數據，分別將AIW4、AIW6、AIW8中 的 各 對 應 的 數 值 傳 送 到 VW2、VW4、VW6寄存器中，這一部分在PLC編程軟件step7-microwin中完成。

圖2 LabVIEW與PLC的通信程序部分框圖

3.3 過濾精度檢測軟件設計

根據不同的檢測過濾材料，進行的多次通過檢測所需的系統流量是不一樣的，過濾材料的最大壓差設定值也不一樣，這兩個參數值都是因材料制造廠商的不同而不同?？紤]到檢測不同材料所需要的流量不同，本檢測程序采用PID控制算法來實現。PID控制圖如圖3所示。

圖3 PID控制圖

3.4 基于LabVIEW的檢測系統數據庫管理軟件設計

在用LabVIEW編寫應用程序時，很多情況下需要對數據進行存儲、管理和查詢。LabVIEW本身并不能對數據庫進行訪問，利用NI的附加工具包Database Connectivity對數據庫進行連接訪問。該工具包的主要特點是：(1)支持所有與ODBC或OLEDB兼容的數據庫驅動程序，具有高度的可移植性。(2)用戶通過改變ADO Connection Open.vi中的輸入參數Connection String就可以方便地更新數據庫。此外，該工具包能很好地與Microsoft Access兼容。

在使用LabVIEW工具包之前，首先需要在Windows操作系統中的ODBC數據源中創建一個DSN(Data Source Name)。LabVIEW與數據庫之間的連接就是建立在DSN基礎上的。采用LabVIEW的工具包與新建的DSN進行新的數據庫連接程序圖如圖4所示。

此時系統對數據庫進行管理，包括添加數據、刪除數據等功能。查詢數據庫的測試數據程序框圖如圖5所示。

圖4 數據庫與LabVIEW連接程序圖

3.5 檢測數據報表生成模塊設計

報表也是檢測系統的一個重要組成部分。數據庫作為一次數據源，它時刻地記錄了檢測系統所采集的數據，適合作為后期各種數據分析的數據源。但是數據庫數據量龐大，不適合人工分析，報表作為二次數據源正好彌補了數據庫的不足，可以很好地反映每次檢測結果的實時數據情況。報表生成程序如圖6所示。

圖5 數據庫管理系統查詢部分程序框圖

圖6 報表生成程序框圖

4 測試結果

對完成通量檢測的多孔不銹鋼過濾材料進行過濾精度檢測。檢測過程中，系統自動定時打開過濾材料上下游相應的電磁閥取樣，采用顆粒計數器對樣品中的不同粒徑的個數進行檢測。通過上位機對數據的處理，最后得到過濾材料的過濾比β值與樣品中的不同粒徑的曲線如圖7所示。

圖7 過濾比與微粒粒徑的曲線

由圖7的曲線可知，β值為75時，所對應的微粒粒徑是13.7 μm，所以此種多孔不銹鋼過濾材料的平均孔徑為13.7 μm。采用本套檢測平臺測試的多孔不銹鋼的通量為 95.46 m3/（h.m2.bar），平均孔徑為 13.7 μm。 測試結果說明，采用此套系統測試的結果準確性比較可靠。

5 結論

本文首先分析了全自動完整性檢測系統的總體結構，詳細描述了整個測控系統的通信方式并詳細探討了基于西門子PLC的PPI協議指令分析，再通過PLC的PPI指令完成與上位機LabVIEW的通信設計。此檢測平臺目前還不具備遠程控制功能，后期可以采用遠程監控技術對系統進行無線控制。

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