基于组态软件与DDE技术的流量计校准系统研制



基于组态软件与DDE技术的流量计校准系统研制

胡开明，李跃忠，赵永科

（东华理工大学机械与电子工程学院，江西抚州344000）

摘要：在分析流量标定装置的标定原理与结构基础上，将标准表法和标准体积法综合在一套流量校准装置中，扩大了应用范围，提高了检定效率。完成恒压供水系统、数据采集、标准流量计及控制执行等电路的配置，建立系统的数学模型，进行Matlab仿真分析，采用组态王软件开发流量计检定系统，运用DDE技术完成了Matlab与组态间的动态数据交换，通过编程实现流量装置和流量计的检定、数据存储以及历史数据报表等功能，较好地实现在线实流校准的仿真。实验调试表明：流量计校准装置的准确度为0.3，能较好地实现流量校准系统的控制、数据采集、处理分析的自动化。

关键词：流量标定；组态王；Matlab软件；DDE技术

收到修改稿日期：2012-10-19

0　引　言

为保证流量仪表计量的准确性，流量计在出厂前、使用中、维修后都需要标定[1]。然而由于现场流量计的使用条件千变万化，要想建立与现场完全一致的条件是不现实的，所以需要选定其共性的条件，以建立标定装置，并运用相关的理论实践知识去解决使用条件的问题。在热工流量计量中目前国内外广泛应用的有水表检定装置、静态容器标准装置、标准表法流量标准装置等。标准装置20世纪80年代在国外广泛使用，在国内，虽然历史较短，但随着相应技术法规和量值溯源系统的完善，发展非常迅速[2]。然而这些装置基本上都是独立使用、针对性强、价值较高的标准装置[3]。为减少资金的投入，避免对场地的浪费，增加装置的通用性，本次设计将静态容器法和标准表法综合在一套流量标准装置中，利用两种方法各自的优点，实现对流量计的检定，以提高检定效率。设计中采用DDE技术使组态软件与Matlab进行动态数据交换，在组态王中进行实时数据采样、动态工艺图显示、数据汇总，将Matlab作为后台进行算法运算和数据处理[4]，在组态环境内完成流量计的自动检定。

1　液体流量校准系统组成

本装置采用静态容器法和标准表法相结合的结构，设计了一套具有效率较高、低成本、适合于开展试验的液体流量校准装置。该系统中被检流量计的检定由标准表法实现，而容器法主要用来完成标准流量计的在线检定，这样就可以综合利用两种方法各自的优良特性，用户可以根据需要选择检定方法。系统构造如图1所示。根据不同的标定方法选择不同的标准容器，由换向器进行标准表法和标准容器法间切换。采用标准表法时，以实际流量流过被校验流量仪表，与流过的标准涡轮流量计进行比较，从而确定被校验仪表的流量值。采用标准容积法时则以稳定的流量q向容器内连续注入液体，准确确定注入的开始时刻t1和停止时刻t2，同时准确测量Δt=t1-t2间隔内容器中积存的液体流量Q，即可计算出平均流量。在组态信息管理系统里将采集系统的输入信号，通过规定的算法对采集的数据进行分析、处理，以完成液体流量计检定系统的控制、数据采集、处理分析的自动化，实现标定的高精度、高效率和易操作性。

2　系统建模

图1　校准装置结构图

恒压供水系统保证水流速度的恒定，利用变频器实现恒压供水，数据采集系统将采集的数据进行转换和处理，恒流系统是保证高精度检定的前提。系统中采用液位-流量串级控制，运用PID控制，以达到快速、小超调地达到稳定。

2.1流量模型

用涡轮流量计检测管道中水的流量送入PLC控制器，运算后控制变频器的频率，进而控制水泵的转速，从而调节管道内的流量。通过实验测的变频器频率f和对应出口流量Q的数据如表1所示。

表1　电动机至水泵实验数据

采用Matlab进行数据处理，利用数据拟合曲线法可得流量对象的传递函数为

2.2液位系统的模型

检定系统的水箱高度h为100 cm，截面积F为60cm2，水通过泵进入水箱，进入水箱的流量由水泵决定，水泵的控制电压输入范围为0～10 V，水泵出水量与控制电压之间的关系为

式中：Qi——流入水箱的流量；

U

p——水泵的控制电压；

参数可近似为τd=0.65s，Tp=5s，Kp=0.1 L/（V·s）。

3　组态技术与Matlab间的DDE通信

设计中采用亚控公司组态王6.53软件完成组态界面和控制流程的编写。通过定义变量，建立组态界面，完成系统的用户窗口、实时数据库、设备窗口，主控窗口，运行策略等设计[5]。

动态数据交换（DDE）是Windons环境下应用程序间数据交换的主流技术[6]，因此可以通过DDE协议将组态王与Matlab结合起来，以充分发挥各自的优点，如图2所示。其中组态王软件显示友好的人机图形界面，操作人员可以在界面上直接操作，通过DDE通信把仿真PLC送给组态王的数据信息及时传给Matlab，在Matlab中进行算法和数据运算处理，并把计算结果回传给组态王显示，再由组态王对仿真PLC进行控制[7]，进而在组态环境里实现系统的调试。

整个DDE通信部分的软件设计使用Matlab语言编写灵活的S函数来实现，以M文件形式存在。

图2　组态软件与Matlab的DDE通信

Simulink提供了一个M文件形式的S函数模板，包括定义一些必要函数的语句和一些注释。因此，程序编写简单，修改起来也容易，有利于对算法的分析和改进，Matlab与组态王通信的仿真框如图3所示。

图3　Matlab与组态王DDE通信的S函数模型

system2方框是经过Simulink封装后系统的PID控制算法子系统。DDE_Init是Matlab初始化函数，DDE_Input是Matlab输入数据函数，DDE_Out－Put是Matlab输出函数，FlowMeter是流量控制程序。在Matlab环境里，通过S函数编写程序实现DDE通信的初始化，定义应用程序名和主题名；接受Matlab传送过来的数据，建立热链接并接收数据；实现Matlab数据的发送，将控制量传送给组态王[8]。

4　系统调试

采用组态王软件，定义DDE设备，指定逻辑变量，选择数据交换类型，定义I/O变量，连接DDE设备，确认允许DDE访问。组建系统的组态环境，构造校准系统的虚拟调试平台。

通过DDE使组态软件与Matlab通信，充分利用Matlab强大的计算和仿真功能及组态王界面设计功能，将采集的数据在Matlab中运算处理后送回组态进行显示，实现检定系统自动化。

在液位-流量串级控制系统中，液位系统作为主控器，流量系统作为副控制器。主调节器采用PID控制，根据系统数学模型采用ZN法整定控制参数[9-10]，得到Kp=12.0，Ki=0.75，Kd=4，副调节器采用PI控制，其参数整定为Kp=6.5，Ki=0.5。

编辑组态运行界面和运行数据，编写液位稳流控制和管道内的流体动态效果运行程序，书写标准表法和体积法校准的组态运行程序。标准表法主要通过比较标准表和待测流量计中数据确定校准精度，体积法计算一定时间内流入罐缸内的流量值的方法实现流量计量。运行组态界面，在界面上设置液位给定值，启动水泵，然后打开Matlab结构控制框图，点击运行快捷键，进行S函数的运行，Matlab与组态间便可进行实时数据通信，整个检定系统进入运行状态。返回组态界面，还可以看到流量校准和液位控制动态画面、历史曲线画面、实时曲线画面和实时报表画面等。系统组态运行界面如图4所示，整个系统画面通过4个按钮和1个菜单进行方便的控制，水泵启动按钮可以启动电机和变频器，其余3个按钮用于选择校准方式，当切换至标准容积法标定时，右上方的时钟会进行计时，根据标准罐的液位即可换算成单位时间内的体积流量。菜单按钮栏中设置系统的历史曲线、实时曲线和实时数据报表功能，可以直接查询。

图4　流量标定系统的组态运行界面

图5　组态运行历史曲线

图6　Matlab仿真运行曲线

系统组态运行的历史曲线如图5所示，Matlab仿真图形如图6所示。可知两曲线的数据基本一致，系统稳态无静差，标准表与恒流表的示数一致，调节时间ts≈30s，超调量σ%≈27%，振荡次数N=1。从图4的组态界面运行图中很直观看出变频器频率为32 Hz，系统波动系数较小，稳定性较好，检定的环境良好，在同等条件下测得的5组数据如表2所示。从表2可计算出该装置准确度等级为0.3，满足工业计量要求。

表2　流量检定数据

5　结束语

本文以DDE通信技术作为纽带，使用Matlab与组态技术完成了水流量标准装置计算机控制系统的设计，实现了检定过程的高效、直观、自动化，克服人为操作中的种种不足。该装置主要有3大优点：（1）该流量标准装置将静态容器法和标准表法集成在一起，扩大了应用范围，节约了成本。（2）该装置的标准表部分采用的是并联标准表的方法，在不降低计量可靠性的前提下，可以扩大流量计测量范围。（3）采用组态王与Matlab混合编程，通过DDE技术实现组态王与Matlab的交互链接，从而缩短了开发周期，提高了运行效率.

参考文献

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[6] 于海生，丁军航.微型计算机控制技术[M] . 2版.北京：清华大学出版社，2009：237-238.

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[8] 董新利，王景景.在控制系统中实现组态王与Matlab的DDE通讯[J] .微计算机信息，2005，21（8）：3-5.

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[10] 杨汉，袁中凡.基于组态软件和PLC的机翼精加工水平测控系统[J] .中国测试技术，2008，34（1）：131-133.

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

基金项目：国家自然科学基金项目（61064013）

收稿日期：2012-08-30；

doi：10.11857/j.issn.1674-5124.2013.05.018

文章编号：1674-5124（2013）05-0065-03

文献标志码：A

中图分类号：TH814；TP272；TP311.52；TM930.12

作者简介：胡开明（1977-），男，安徽安庆市人，讲师，硕士，主要从事控制理论、检测与控制仪表装置领域的教学与研究工作。