风阀动态性能测试的控制系统设计

摘  要：针对风阀动态性能测试试验装置，为完成风阀流量特性试验和阻力特性试验，结合组态软件和Modbus RTU通讯技术，提出一套基于PLC与组態王的风阀动态性能测试控制系统。由西门子S7-200系列PLC组成下位机，设计控制电路接线与程序编写，并利用组态王软件开发上位机监控画面。系统操作简单、直观，能够进行设备的自动化控制，具有良好的稳定性。

关键词：风阀动态性能测试;组态王;Modbus RTU;PLC

中图分类号：TH137.52 文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2019）06-0024-04

引言

风阀是现代工业生产中各个领域里不可缺少的通用机械产品，已广泛应用于核电、石油和化工等行业。在投入实际应用前，阀门的流量系数测试和阻力系数是必不可少的环节，它为工艺系统方案设计、设备选型与计算等提供科学的依据。

风阀动态性能测试系统是一套用于测试阀门流量系数和流阻系数的计算机自动控制系统。随着计算机技术和自动控制技术的快速发展，PLC、组态软件、变频器技术已广泛应用于工业化生产。为提高车间生产效率和自动化水平，本文基于PLC和组态王软件设计一套用于风阀动态性能测试的控制系统。

1 风阀动态性能测试原理

风阀动态性能测试试验装置原理如图1所示。测试装置本体采用了吸式风管结构，风机位于管道的一端，通过改变其频率调整流经管路的流量。图1中，管壁入口处设置测压孔，安装压力传感器，用于测试入口流量压差。被测阀门前后均设置测压孔，安装压力变送器，用于测试两点之间的管道阻力损失。同时安装有用于测量现场的实时大气压力、温度和湿度的传感器。变频器和传感器分别连接至模拟量采集模块和PLC。

试验过程为：（1）未安装被测阀门之前，测量阀门待安装位置的前后管道阻力损失？驻p（a）与阀两端管道流速c的关系？驻p（a）=f（c），即管道阻力损失系数方程;（2）管道流速20m/s时阀门全开两侧静压差测试，？驻p20=？驻p（b）-？驻p（a），？驻p20为风阀标准状态阻力损失，？驻p（b）是阀前后管道总阻力损失;（3）控制阀两端阻力损失为？驻p20，测阀门各开启度时流量，不同开启度x对应的流量系数y=Qvi/Qvmax，Qvi是不同开启度x时对应的流量，Qvmax是最大的测试流量;（4）阀门阻力系数计算公式：？孜=2×（？驻p（b）-？驻p（a））/（？籽a×C2）[1-2]，？籽a是大气密度。

2 控制系统设计

控制系统的设计需满足对现场工况的实时监控，采集现场环境数据，反映系统的工作状态，以及对相关设备的自动化控制。该风阀动态性能测试系统的控制系统主要由工控机、PLC、数据采集模块、变频器和各类传感器组成。

图2为控制系统的方案图，上位机由工控机组成，实现与下位机PLC的数据通讯，用于直观显示试验系统运行数据、改变试验状态、试验数据记录与存储。上位机的监控程序利用组态王KingView6.60SP1开发，组态王主要用于工业控制现场的监控，提供友好的人机交互界面功能，满足本试验的控制要求[3]。下位机负责数据的采集和自动化输出控制，由西门子公司生产的S7-200系列PLC CPU224XP和EM231模块构成。CPU224XP具有两个RS485通讯口、14DI/10DO，能够与其它设备进行PPI通讯和Modbus RTU通讯[4]，执行数字量输入和输出控制。EM231模块拥有4个模拟量输入通道，可采集4路4～20mA电流信号，本系统共有5个传感器信号，使用2个EM231模块。执行机构由变频器和风机构成，采用日本富士公司的5000G11S变频器，频率连续可调，运行高效，具有较好的静态稳定性。风机是管路测试系统的动力源，选用上海通风机厂制造的HL3-2A～9A混流风机，经计算，其风量满足要求，并且噪音较小。

硬件连接与通讯设置：

（1） 组态王与PLC之间采用西门子的USB/PPI电缆连接，在组态王中设置通信波特率9600Bps，PLC地址2：0，其余采用默认设置。

（2） 变频器与PLC之间采用Modbus RTU通讯，PLC作为通讯的客户机，变频器作为服务器，变频器地址设为3，波特率9600Bps，无奇偶校验。利用屏蔽双绞线将PLC PORT 1口的3孔、8孔连接至变频器的接线端子S+、S-进行通信[5]。

（3）所有传感器均为2线制输出，直接连接电源和EM231模块。

表1为PLC的端口地址分配，硬件电路中，设置手动频率调整按钮和风机运行指示灯，I0.1和I0.2是频率调整按钮。试验过程中，上位机与下位机通讯出现故障时，应确保风机能够及时停止运转，设置手动停止按钮，当I0.0信号输入时，PLC程序发送停止运转指令给变频器。Q0.0和Q0.1分别用于显示风机停止和运转的两种状态。

3 软件设计

控制程序设计主要包括下位机PLC程序设计和上位机组态王监控界面设计。

3.1 下位机PLC程序

通过两个EM231模块采集试验信息，PLC将采集到的数据进行处理，结果上传至组态监控系统，供试验人员判断工作状态。PLC接受上位机的控制指令，按要求调整风机频率，以达到调整管道流量的效果。PLC、组态王以及变频器之间的数据通讯，必须明确数据的地址与功能，本系统的通讯寄存器分配如表2所示。

传感器输出4～20mA电流，对应PLC的数字量值为6400～32000，数据计算均采用浮点数。图3为大气温度值采集程序，输入地址为AIW4，寄存器地址为VD1000，其实际测量范围是-20～100℃，其余4个传感器数据处理方式与之相同。

采用的日本富士5000G11S系列变频器，支持标准Modbus RTU通讯功能，频率指令代码为S05，频率值单位0.01Hz，即风机频率为50Hz时应输入值500/0.01=5000。運转指令代码为S06，S06为0、1和2时，分别代表风机停止、正向和反向动作。S05和 S06对应的Modbus通讯保持寄存器地址分别为401798和401799。变频器的控制程序如图4所示，程序使用PORT1口进行Modbus RTU通讯。

风机频率最大值为50Hz，即两个寄存器的最大值为5000，采用字单元发送满足要求。频率值VW8000和运转指令VW8002的数据由上位机写入。程序每次传送的是一个字单元，每执行一个扫描循环周期，PLC分别将VW8000和VW8002字单元中的数据发送到通讯保持寄存器401798和401799中，即改变S05和S06中的数据，执行相应的动作。

3.2 组态王监控界面

上位机监控系统主要实现相关参数输入、数据显示与计算、曲线拟合、风机调速和数据存储等功能。组态王实时读取PLC寄存器的值，各参数以指定方式显示。监控界面具有风机频率调整按钮，试验全过程中可随时调整管道内流量大小。试验结束后，可进行打印输出，同时将数据保存在数据库中。

组态王软件不具备对数据进行复杂处理的能力，无法对采集到的管道流速和管路阻力进行曲线拟合。利用VB6.0开发曲线拟合工具，采用最小二乘法对采样值进行拟合，生成可执行文件。组态王具有和VB通讯的DDE功能[6]，计算管道阻力损失系数方程时与利用VB6.0开发生成的“.exe”文件进行DDE通讯，动态获取拟合曲线方程[7]。

组态王工程设计步骤：

（1）建立新工程，根据向导建立新设备，选择西门子S7200系列的USB通讯，设备名称“风阀试验PLC”。该设备代表下位机，按照表2通讯寄存器的分配地址，在组态王变量组中新建数据通讯的变量，所有数据类型均选择浮点类型。

（2）建立“仿真PLC”设备，该设备用于存放发送给VB程序的数据，建立字符串类型变量，选中允许DDE访问。

（3）建立DDE设备“风阀拟合VBexe”，该设备用于读取VB程序。

（4）建立数据库文件，连接组态王与数据源。创建表格模板、存储数据记录体和存储数据记录体。

（5）建立监控界面与程序编写。主要包括登录界面、参数输入界面和试验界面。

参数输入界面和试验界面如图5和图6所示，可完成待测阀门的参数录入和运行状态的监控。

系统登录成功后进入参数输入界面，由试验人员输入试验日期、编号以及待测阀门等相关参数。图5中，当试验人员需离开，为防止中途离开时其它人员操作，可单击“上一步”按钮返回登录界面，此时输入的相关参数不改变。当再次进入时，需重新输入用户名和密码。参数输入完毕后，单击“下一步”进入试验界面。

进入试验界面图6后，窗口左上角显示试验现场环境数据。下方有风机控制按钮和数据打印按钮。根据试验测试原理，在做流量特性试验和阀阻特性试验前，首先应求得管道阻力损失系数方程，即窗口上部分的管道阻力测试部分。窗口左侧输入风机频率并启动，风机按照指定频率运转。单击管道阻力测试按钮，左侧的指示灯亮起，同时当前数据列动态显示流量压差、管道阻力和管道流速数据。试验过程中，每改变一次频率，当前数据的数值都会改变，数据趋于稳定后单击数据采集按钮进行采集。

采集十组数据后，停止采集，并将数据存入数据库中。图7为曲线拟合流程图，当采样值有相同时，程序会自动提示，监控界面可以单击删除按钮进行删除。组态王将数据发送给曲线拟合程序，采样值大于等于三组时，VB程序按照最小二乘法原理自动计算拟合公式，发送至监控界面显示，VB界面如图8所示。

在图6的画面存在的命令语言中，按照第1节中的测试原理及相关公式编写流量系数和阀门阻力系数的计算程序。这两项试验可根据试验需求进行，无先后顺序，可以单独试验。试验时单击相应的试验开关按钮，界面上对应的指示灯亮起，改变风机频率，待动态数据稳定后进行采集。试验完成后单击打印预览按钮或者报告打印，通过打印设备打印试验报告，退出工程，结束试验。

4 结束语

本文针对风阀动态性能测试装置，设计了一套基于PLC与组态王的自动控制系统。下位机以西门子CPU224XP作为控制器，EM231为模拟量采集模块，完成了下位机数据采集与处理、变频器控制的程序编写。上位机通过组态王软件完成了流量系数和阀门阻力系数计算试验的监控系统开发。该控制系统利用PLC强大的控制功能，结合组态王人机交互灵活、可靠的优点，简化了操作流程，实现了设备的自动化控制，具有良好的稳定性。

参考文献：

[1]赛庆毅，殷忠民，王会敏，等.空气阀门性能试验测试装置对比研究[J].流体机械，2012，40（1）：6-9.

[2]李磊磊，杨东升，刘建峰，等.基于PLC航天阀门流阻流量特性测试系统设计[J].液压与气动，2017（11）：29-35.

[3]李瑞先.组态王软件在监控系统中的应用[J].电气传动自动化，2006，28（5）：49-51.

[4]何强，单启兵.可编程序控制器应用：S7-200[M].中国水利水电出版社，2010.

[5]王俊杰，徐建文.基于MODBUS-RTU通讯协议的变频器PLC控制设计[J].工业控制计算机，2016，29（2）：15-16.

[6]基于VB6.0和DDE的I/O模块与组态王的通信研究[J].仪表技术，2011（3）：1-4.

[7]岳雪娇，刘瑛.VB中实现最小二乘法数据处理[J].机械设计与制造，2016（10）：159-162.

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