过滤材料性能检测平台测控系统设计

吴恩周，马小军

（南京工业大学 自动化与控制科学学院，江苏 南京 211816）

0 引言

过滤材料性能检测系统中软件是系统最重要的组成部分。检测系统的软件结合了计算机测控系统与传感器技术、数据采集技术、PLC编程技术、串口通信技术。上位机软件实时监测检测平台的压力、流量，PLC接收上位机的指令对电磁调节阀的开度进行控制，并同时控制增压泵和多个电磁开关阀的通断，最终实现压降流量特性试验、多次通过试验、冲洗试验的自动化。

1 检测系统总体设计

过滤材料性能检测试验台是由变送器、电磁阀、PLC模块、颗粒计数器、上位工控机组成的多功能综合试验装置，其复杂程度高。系统基本结构框图如图1所示。

本检测平台的测控系统采用工控机和西门子PLC的上下位机，两者之间通过串口进行数据通信。PLC是整个检测系统现场控制的核心，不仅负责试验平台的压力以及流量的数据采集，而且可以接收上位机发送的指令要求，调节试验平台中各执行元器件的状态。检测系统严格按照试验步骤自动完成试验，实现过滤材料性能检测的自动化。

图1 系统基本结构框图

颗粒计数器和工控机构成颗粒检测系统，上位机是主设备，颗粒计数器作为下位机，通过串口通信协议实现工控机与颗粒计数器的通信。采用颗粒计数器评定过滤材料的过滤精度，有助于提高检测的速度和精度。上位机是测控系统的数据处理中心，主要用于处理、分析以及存储试验数据，输出用户所需的试验结果及曲线。

本检测系统包括2路压力信号的采集，1路流量信号的采集，5路数字量输出控制信号，1路模拟量输出控制信号。蠕动泵与上位机LabVIEW直接进行RS485串口通信，因此直接受上位机控制。该系统测控系统以PLC为现场控制核心，工控机为数据存储、处理以及人机交互平台。充分利用了工控计算机良好的数据处理分析和强大的数据保存能力以及PLC抗干扰能力强、可靠性高的特点。

系统通过对压力和流量的采集判断来控制电磁开关阀的通断以及电动调节阀的开度，最终完成检测。软件用户界面友好，操作简便。

2 通信方式选择

PPI协议是西门子为PLC S7-200模块设计的专用通信协议。PPI协议广泛应用在西门子PLC S7-200与第三方组态软件进行通信，包括西门子触摸屏WINCC、组态王、紫金桥、力控等。当上位机采用PPI协议指令和PLC进行通信时，上位机能方便地读取及写入PLC所有存储区的数据。此外，上位机还可以直接控制PLC的运行和停止。使用PPI协议通信时，PLC内部可以不用编程，因此，通信快捷方便，二者之间的数据传输速率高。这也是本检测系统选择此种方案的主要原因。PPI通信协议是一种主从式的通信，上位机为主机，PLC为从机，通信由上位机开始发起，PLC给予回应。

3 检测系统软件设计

3.1 测控系统的通信模块软件设计

VISA是美国国家仪器公司(NI)提供的一组针对仪器编程的标准API函数。VISA可以控制 USB﹑串口﹑以太网等通信设备。在LabVIEW开发平台下，使用VISA与串口设备通信的步骤如下：(1)初始化端口。对串口通信的端口号﹑波特率﹑奇偶校验位﹑数据位进行设定，使其与PLC端口的参数一致；(2)读写端口。利用串口读写函数，从串口中读入和输出数据；(3)关闭端口。按照上述通信步骤编程实现了LabVIEW和西门子PLC的串口通信，通信程序部分框图如图2所示。

3.2 数据采集模块软件设计

数据采集是将压力值、流量值等模拟量采集后转换为数字量并由计算机显示、分析和处理。本系统数据采集部分首先传感器输出的电流信号通过西门子PLC的EM235模拟量输入模块，西门子的模拟量输入模块会把采集到的相应的模拟量电流信号转换为对应的数字量，并把对应的数字量存放在相应的寄存器中。这部分转换由西门子PLC编程来完成，传感器采集到的压力和流量存放在西门子 PLC中相应的AIW4、AIW6、AIW8寄存器内，为了方便上位机读取西门子PLC中的数据，分别将AIW4、AIW6、AIW8中 的 各 对 应 的 数 值 传 送 到 VW2、VW4、VW6寄存器中，这一部分在PLC编程软件step7-microwin中完成。

图2 LabVIEW与PLC的通信程序部分框图

3.3 过滤精度检测软件设计

根据不同的检测过滤材料，进行的多次通过检测所需的系统流量是不一样的，过滤材料的最大压差设定值也不一样，这两个参数值都是因材料制造厂商的不同而不同。考虑到检测不同材料所需要的流量不同，本检测程序采用PID控制算法来实现。PID控制图如图3所示。

图3 PID控制图

3.4 基于LabVIEW的检测系统数据库管理软件设计

在用LabVIEW编写应用程序时，很多情况下需要对数据进行存储、管理和查询。LabVIEW本身并不能对数据库进行访问，利用NI的附加工具包Database Connectivity对数据库进行连接访问。该工具包的主要特点是：(1)支持所有与ODBC或OLEDB兼容的数据库驱动程序，具有高度的可移植性。(2)用户通过改变ADO Connection Open.vi中的输入参数Connection String就可以方便地更新数据库。此外，该工具包能很好地与Microsoft Access兼容。

在使用LabVIEW工具包之前，首先需要在Windows操作系统中的ODBC数据源中创建一个DSN(Data Source Name)。LabVIEW与数据库之间的连接就是建立在DSN基础上的。采用LabVIEW的工具包与新建的DSN进行新的数据库连接程序图如图4所示。

此时系统对数据库进行管理，包括添加数据、删除数据等功能。查询数据库的测试数据程序框图如图5所示。

图4 数据库与LabVIEW连接程序图

3.5 检测数据报表生成模块设计

报表也是检测系统的一个重要组成部分。数据库作为一次数据源，它时刻地记录了检测系统所采集的数据，适合作为后期各种数据分析的数据源。但是数据库数据量庞大，不适合人工分析，报表作为二次数据源正好弥补了数据库的不足，可以很好地反映每次检测结果的实时数据情况。报表生成程序如图6所示。

图5 数据库管理系统查询部分程序框图

图6 报表生成程序框图

4 测试结果

对完成通量检测的多孔不锈钢过滤材料进行过滤精度检测。检测过程中，系统自动定时打开过滤材料上下游相应的电磁阀取样，采用颗粒计数器对样品中的不同粒径的个数进行检测。通过上位机对数据的处理，最后得到过滤材料的过滤比β值与样品中的不同粒径的曲线如图7所示。

图7 过滤比与微粒粒径的曲线

由图7的曲线可知，β值为75时，所对应的微粒粒径是13.7 μm，所以此种多孔不锈钢过滤材料的平均孔径为13.7 μm。采用本套检测平台测试的多孔不锈钢的通量为 95.46 m3/（h.m2.bar），平均孔径为 13.7 μm。 测试结果说明，采用此套系统测试的结果准确性比较可靠。

5 结论

本文首先分析了全自动完整性检测系统的总体结构，详细描述了整个测控系统的通信方式并详细探讨了基于西门子PLC的PPI协议指令分析，再通过PLC的PPI指令完成与上位机LabVIEW的通信设计。此检测平台目前还不具备远程控制功能，后期可以采用远程监控技术对系统进行无线控制。

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