基于MCGS的同向型换向器控制系统的设计

马龙博，沈毅久，郑建英

（浙江省计量科学研究院 国家液体流量计量器具质量监督检验中心实验室，杭州 310018）

换向器是液体流量标准装置中的重要组成部分，利用换向器的换向功能可以实现水流在不同管路（或流道）间的转换。根据换向器在换向时是否对水流产生扰动，可以将换向器分为闭式换向器和开式换向器[1]：闭式换向器由于内部结构先天不足，在换向时会对管路中的水流产生扰动，这种扰动将会通过管路一直传播到试验段，并对试验段中流速分布产生影响，进而影响安装在试验段中流量计的计量性能；开式换向器在结构上完全摒弃了闭式换向器的设计思路，采用喷嘴与换向体分离的设计结构，因此换向体改变喷嘴中喷出的水流时，不会对喷嘴中的水流产生扰动，由于开式换向器换向时不会对管道中的水流产生扰动，因而在液体流量标准装置中的得到广泛应用[2～5]。目前，广泛使用的开式换向器主要是换入/换出不同向开式换向器，而在使用这种换向器时，由于换入/换出不同向、换向喷嘴喷出的水流流速分布不均匀及换向器换向挡板很难调整到换入换出行程的中心位置等因素的存在，将会直接造成该型换向器在换入过程和换出过程中的流量模型不对称，进而带来较大的换向误差，影响整套液体流量标准装置的不确定度[6～7]。为减小上述换入/换出不同向换向器给整套水流量标准装置带来的不确定度，急需研制一种新型原理的换向器，以减小因换向器换向带来的不确定度。

MCGS作为一款优秀的上位机控制软件，不仅能够快速构造和生成计算机监控系统的组态软件，而且能够通过对现场数据的采集处理，实现动画显示、报警处理、流程控制、实时曲线、历史曲线和报表输出等，从而可以向用户提供有效的解决实际工程问题的方案，最终实现现场的实时监控，因此在工控领域得到了广泛的应用[8]。

在对目前使用的换向器的优缺点分析的基础上，基于“换入/换出”同向原理，研制了一种不受换向挡板位置和换向器喷口流速分布影响的同向型开式换向器，并利用MCGS较好地实现了换向器的换入/换出控制，解决了不同向开式换向器“换入/换出不同向”问题，实现换向器的“换入/换出同向”，大大减小了换向器换向引起的不确定度。

1 系统的基本结构和工作原理

1.1 同向型开式换向器的结构及原理

图1所示为同向型开式换向器的结构，其工作原理为

（1）控制伺服电机正向旋转驱动丝杠作同向转动，丝杠正向转动配合螺母拖动分流器的第一分流腔水平移动至换向喷嘴正下方，此时换向喷嘴喷出的水流经过第一分流腔流入循环水池；

（2）按照（1）中伺服电机的控制方式，将计量腔水平移动至换向喷嘴正下方，此时换向喷嘴喷出的水流经过计量腔流入计量量器；在分流器水平移动的同时，固定安装在丝杠螺母上的换向挡板随丝杠螺母一起向第一光电转换器所在方向运动，并在经过第一光电转换器时与第一光电转换器配合发出脉冲信号并传送至计时器开始计时；

（3）按照（1）中伺服电机的控制方式，将第二分流腔水平移动至换向喷嘴正下方，此时换向喷嘴喷出的水流经过第二分流腔流入循环水池；在分流器水平移动的同时，固定安装在丝杠螺母上的换向挡板随丝杠螺母一起向第二光电转换器所在方向运动，并在经过第二光电转换器时与第二光电转换器配合发出脉冲信号并传送至计时器停止计时，完成一个换向过程。

（4）控制伺服电机反向旋转驱动丝杠作同向转动，丝杠反向转动配合螺母拖动分流器的第二分流腔水平移动至换向喷嘴正下方，此时换向喷嘴喷出的水流经过第二分流腔流入循环水池；

（5）按照（4）中伺服电机的控制方式，将计量腔水平移动至换向喷嘴正下方，此时换向喷嘴喷出的水流经过计量腔流入计量量器；在分流器水平移动的同时，固定安装在丝杠螺母上的换向挡板随丝杠螺母一起向第二光电转换器所在方向运动，并在经过第二光电转换器时与第二光电转换器配合发出脉冲信号并传送至计时器开始计时；

（6）按照（4）中伺服电机的控制方式，将第一分流腔水平移动至换向喷嘴正下方，此时换向喷嘴喷出的水流经过第一分流腔流入循环水池；在分流器水平移动的同时，固定安装在丝杠螺母上的换向挡板随丝杠螺母一起向第一光电转换器所在方向运动，并在经过第一光电转换器时与第一光电转换器配合发出脉冲信号并传送至计时器停止计时，完成另一个换向过程。

图1 同向型开式换向器结构Fig.1 Structure of the same direction diverter

1.2 同向型开式换向器控制系统结构

根据上述换入换出同向型开式换向器的工作原理，可以将该型换向器的控制系统设计成如图2所示的结构。

由图2可以看出，同向型开式换向器控制系统主要由上位机与PLC的通讯两部分构成。PLC与现场对象的通讯，其基本原理如图3所示。

图2 系统的基本结构Fig.2 Basic structure of the system

图3 控制系统基本原理Fig.3 Basic theory of the control system

2 控制系统的通讯

2.1 上位机与PLC的通讯

上位机与PLC的通讯是通过MCGS与RS485来完成的。RS485是工业现场常用的一种通信标准，它是采用平衡发送和差分接收方式来实现通信的，由于其传输线通常采用双绞线，又是差分传输，因此具有较强的抗共模干扰能力。此外，RS485还具有传输距离长（最大传输距离可以达到1200 m）及站点支持能力强（最多支持32个站点）的优点[9]。

MCGS通过RS485与PLC的通讯必须通过以下设置来实现：

（1）通过MCGS的设备窗口建立系统与外部设备的连接关系。本文中在设备窗口中配置外部设备为西门子S7-200 PLC，设备的相关属性设置为波特率9600，数据位为8位，停止位为1位，偶校验；另外PLC的地址设置为02。

（2）建立系统与外部设备的连接关系后，需要对MCGS中的变量进行定义。变量的定义在实时数据库进行。本系统中，需要定义的主要变量有伺服电机启/停变量、伺服电机转动方向变量、光电信号输入变量、被检表脉冲输入变量等。

2.2 PLC与现场设备的通讯

PLC与现场设备的通讯主要包括以下3个方面：

（1）现场被检流量计的脉冲输入：本项目中的现场被检流量计一般为脉冲输出流量计。在对该类型流量计进行检定时，流量计输出的脉冲通过S7-200 PLC的I0.3口输入到PLC的寄存器中；

（2）伺服电机控制输出：包括方向控制输出和脉冲输出。其中方向输出通过S7-200 PLC的Q0.2输出，用于控制伺服电机的旋转方向；脉冲输出通过S7-200 PLC的Q0.1输出，用于控制伺服电机的转动速度和旋转圈数；

（3）光电转换器1和光电转换器2的脉冲输入：伺服电机正向旋转时，以光电转换器1的脉冲信号作为检定计时开始信号，以光电转换器2的脉冲信号作为检定计时的结束信号；伺服电机反向旋转时，以光电转换器2的脉冲信号作为检定计时的开始信号，以光电转换器1的脉冲信号作为检定计时的结束信号；其中，光电转换器1和光电转换器2的脉冲输出线分别连接至S7-200 PLC的I0.1和I0.2端口。

2.3 同向型开式换向器的运行控制

首先进行运行控制的初始化，主要包括同向型开式换向器与喷嘴间的位置调整、检定用水量设定、关闭计量量器底阀等；

其次，调节装置管道中的水流量，当流量达到所需流量并稳定后，点击检定开始按钮，伺服电机根据前次检定结束后计量腔的第一分流腔和第二分流腔与喷嘴间的位置判断旋转方向，并开始旋转拖动计量腔进行换入，在换如过程中2只光电转换器中的一只将产生脉冲信号并传送至S7-200 PLC，PLC在接收到脉冲信号后，控制计时器开始检定计时、计频；在换入过程中，喷嘴喷出的水流逐渐通过计量腔中的其中一个分流腔流入到计量量器；

第三，当检定用水量达到设定的用水量时，伺服电机开始同向旋转拖动计量腔进行换出，在换出过程中，另一只光电转换器将产生脉冲信号并传送至S7-200 PLC，PLC接收到脉冲信号后，控制计时器结束检定计时、计频；在换出过程中，喷嘴喷出的水流逐渐通过计量器的另一个分流腔流入到循环水池；此时，换入/换出过程结束；

第四，上位机根据得到的被检流量计的累积脉冲数和脉冲当量计算出累积流量，并结合累积时间计算出被检流量计的瞬时流量，该瞬时流量与装置得到的瞬时流量进行比对，得到被检流量计的示值误差。此时，一个检定过程结束。

3 结语

本文在总结前人研究的基础上，基于“换入/换出”同向原理，研制了一种换入换出同向型开式换向器，并基于新研制换向器的工作原理，开发了一套用于换向器的控制系统，较好地实现了新研制换向器的运行控制。运行结果表明，新研制的换入换出同向型换向器及其控制系统结构简单、运行稳定可靠，大大消除了因“换入/换出”不同向引入的不确定度，能够解决不同向开式换向器带来的诸多难题。

[1]史振东，李旭，王东伟.两种换向器在液体流量标准装置中的应用[J].计量技术，2006（12）：65-66.

[2]孟涛，王池，陈晓铭.流量装置中换向器检定方法的研究[J].计量学报，2008，29（5）：420-422.

[3]国家质量技术监督局.JJG 164-2000液体流量标准装置检定规程[S].2000.

[4]马龙博，郑建英，赵建亮.基于换入换出同向方法的开式换向器设计及不确定度评定方法研究[J].制造业自动化，2013，35（11）：119-122.

[5]李金海，苏彦勋.液体流量装置中有关换向器和稳定性检测的不确定度[J].计量学报，2008，29（5）：437-440.

[6]马龙博，郑建英，赵建亮.液体流量标准装置中开式换向器测量误差模型研究[J].传感技术学报，2015，28（4）：515-520.

[7]马龙博，赵建亮，郑建英.液体流量标准装置中开式换向器测量误差实验研究[J].自动化仪表，2015，36（4）：60-67.

[8]昆仑通态.全中文工控组态软件MCGS用户指南[Z].北京昆仑通态自动化软件科技有限公司，2001.

[9]周耿烈，吕红梅，刘瑞玲.用VB6.0实现PC机与智能仪表的远距离串行通信[J].兰州工业高等专科学校学报，2007，14（1）：5-8.