基于组态王的潜水推流式搅拌机性能测试系统设计与开发

吴明飞 程智明 董 亮 刘厚林 朱建成 吴 侃

（1.上海海越赛尔自动化科技有限公司；2.江苏大学流体机械工程技术研究中心）

潜水推流式搅拌机是一种综合性、 多学科、技术涵盖面广、技术含量较高的污水处理专用设备，主要被用于使污水均质化，产生悬浮液流和保持介质水平流动的一般工业化过程中。 潜水推流式搅拌机长期工作于工况恶劣的污水环境，通过搅拌、混合和推流，使泥水混合液的污泥获得不沉淀、不积淤的最佳流场和流速，因此对整机的各项性能指标有较高的要求［1］。在工程应用中，其性能指标主要由整体流速、推力、电压、电流以及效率等参数体现［2～4］。

20 世纪70 年代后期，德国ITT 公司推出了世界首款潜水搅拌机，随后丹麦格兰富、瑞士苏尔寿等企业相继开始了潜水推流式搅拌机的研发。 我国早期都是从国外进口潜水推流式搅拌机，直到20 世纪90 年代中期，开始仿制国外产品和消化国外技术，由于零部件材料的选用、制造及热处理等方面的技术与国外仍存在差距，设备普遍存在寿命短、 故障率高及能耗高等问题［5］。 近年来，在国家对环保产业的重视和大力支持下，各企业进行了创新性研发，经过反复的验证，潜水推流式搅拌机性能得到了明显提升，同时随着GB/T 33566—2017 《潜水推流式搅拌机》国家标准的正式发布，为设备的可靠性、寿命和能效提供了基础保证。 然而，目前国内针对潜水推流式搅拌机性能测试的系统较少， 且市面上存在的测试系统其测量精度低、 实时性和可靠性较差，很多还是传统的半自动化形式，测位分散，全部测量信号没有综合管理，人机界面交互性差，对于数据的监测与分析较为单一，不能全面准确地反映产品的综合性能、 优劣等级等［6］。

综上所述， 笔者采用组态王KingView 6.55软件作为上位机，将数据采集集成化，数据处理、存储、显示模块化，开发了一套可视化程度好、抗干扰性能强、人机交互性能好、易操作的潜水推流式搅拌机性能测试系统。

1 系统概述

基于潜水推流式搅拌机所开发的性能测试系统将传统的测试技术与可编程逻辑控制器技术相结合， 并实现组态软件和PLC 的数据通信。系统可通过组态软件实时显示、监测、采集产品运行时的测试数据， 包括运行的电压、 电流、功率、推力、流速及流量等指标，并将采集的数据自动生成性能曲线。 通过曲线能够直观地反映出搅拌器的各项性能。 此外，系统还提供了用户管理、生成产品测试报告及查询历史报告等功能，方便产品设计人员对产品的运行工况进行分析与优化［7］。

本测试系统的主要特点是：

a. 开发成本较低，测试精度高、开放性和拓展性好，自动化程度高，交互性能好，维护与更新换代方便等；

b. 所开发的系统环境是基于组态软件和PLC 的软件平台，充分了发挥组态软件的交互优势， 实现对运行产品的自动控制和远程监控，简化产品试验的运行流程和操作，从而大幅提高运行测试环境的工作效率和稳定性。

2 系统总体设计

2.1 设计原则

可靠性原则：保证系统测试过程中，在不同工况和环境下运行时受外界干扰影响小，能够满足重要场合的可靠性要求。

易维护原则： 设计时考虑系统易学易用，对操作人员专业要求低，系统维护方便，可保证其连续运行。

经济性原则：在满足功能的前提下，系统设计过程中应避免复杂的方案，选择的硬件设备具有普遍通用性，以控制成本。

可扩展原则：系统设计时考虑到后期可能增加功能，提高系统整体性能，应预留多余接口［8］。

2.2 系统结构

所开发的潜水推流式搅拌器性能测试系统主要由电气控制设备、信号采集设备和系统监控软件3 部分组成。 各传感器测得的原始数据，通过数据采集模块转换后传输至西门子PLC，并由RS232 串口通信协议将数据传输至上位机， 通过组态监控界面实时显示数据；通过监控界面可以对PLC 发出变频控制指令，经过通信模块后由变频器控制推流器电机实现调速；当推流器叶轮在遇到堵转等故障情况时，由PLC 给出指令实现报警功能［9］。 所设计的潜水推流式搅拌机性能测试系统整体结构如图1 所示。

图1 测试系统结构框图

3 系统硬件设计

由系统结构可知，所开发测试系统的硬件设计主要包含测试软件终端PC 机、 数据采集及转换模块、电气控制模块3 部分组成。

3.1 测试软件终端PC 机

系统硬件部分采用了研江科技YJPPC-150嵌入式工业一体机作为处理终端，该一体机支持Windows10 操 作 系 统，CPU 为Inter I5 四 代 处 理器， 其运行内存容量为4GB DDR3， 存储容量为128GB SSD，配备了RS485、RS232 串行接口、RJ-45 网卡接口和WiFi 无线网络模块， 利用RS485和TCP 通信协议实现数据采集的通信功能，同时WiFi 模块为系统连接互联网，实现系统远程监控提供了硬件条件［10］。

3.2 数据采集及转换模块

数据采集传感器采用了输出电流为4～20mA标准信号的传感器。 数据采集模块采用格控科技TCP-508N， 该模块提供了8 个AI 模拟量输入通道，4 个AO 模拟量输出通道，8 个DI 数字开关量输入通道，8 个DO 继电器输出通道， 包含RS232、RS485 接口，支持TCP、UDP 协议。

3.3 电气控制模块

电气控制模块由空气开关、熔断器、断路器、互感器和额定功率为7.5kW 的变频控制柜组成。通过电气控制模块实现对推流器电机的启动、停止和调速控制。

4 基于OPC 协议的数据通信

采用OPC 技术能使组态王软件与PLC 之间建立实时通信，快速实现两者间的数据交换。 由于串行通信的传输速率低、传输距离短、抗干扰性能差， 而基于OPC 技术的数据传输方式采用OPC Client/OPC Server 架构模式， 客户端访问服务器端实现了实时数据的获取，在使用过程中用户不需要了解系统内核与双方的通信协议。 通常OPC Server 软件由硬件开发商提供，OPC Server应用人员不需要编写底层的硬件驱动程序，通过OPC Client 即可实现与硬件的通信， 实现数据的透明使用［11］。

5 基于组态王的系统测试软件设计

5.1 系统软件的特点

5.1.1 PLC 程序的特点

PLC 是可编程逻辑控制器的简称，其本质是一种专门用于工业控制的计算机，其硬件结构一般与微机相连，它是由电源、输入输出接口电路（I/O 模块）、存储器及中央处理单元（CPU）等组成［12］。 相比于以往的继电器技术，PLC 在机械工程方面的应用有着明显的优势，首先PLC 技术操作性强，可以支持程序语言互译管理，使用户能够快速地把握语言结构；其次PLC 技术抗干扰性强，在工作时有效防御电磁电路的干扰，拥有比较强大的可靠性；PLC 技术还具有设备体积小、能耗低等特点［13，14］。

5.1.2 组态软件的特点

组态王KingView 6.55 由北京亚控科技发展有限公司开发，保持了早期版本功能强大、运行稳定和使用方便的特点，提供了丰富、简捷、易用的配置界面、图形元素、图库精灵，集成了历史曲线、报表和Web 发布功能，同时该软件还具有很强的功能性和可用性，其主要功能特点如下：

a. 丰富的设备支持功能，支持常见的PLC 设备、智能采集模块和智能仪表；

b. 可视化操作界面，动画链接、丰富的图库以及支持真彩显示等；

c. 强大的脚本语言处理功能，能够实现复杂的逻辑操作并进行决策处理；

d. 全新的Web Server 架构，支持发布实时数据、历史数据和数据库数据；

e. 强大的分布式报警、时间处理功能，支持实时、历史数据的分布式保存功能。

5.2 系统测试软件的主要功能与框架

系统测试软件的开发基于组态王软件平台，其功能分为以下几部分：

a. 潜水推流式搅拌机性能测试，采集原始数据， 根据理论公式和实际情况进行计算和处理，最终通过组态软件界面实时显示性能参数；

b. 变频调速，根据测试需求，可实时调节推流器电机频率实现转速调节；

c. 参数设置， 试验前设置推流器总体参数，包括产品出厂的基本参数、试验条件参数、设备运行参数及输入电量参数等；

d. 测试报表，测试过程中可生成潜水推流式搅拌机性能参数与测试结论；

e. 历史报表，查询以往测试数据报表。

所设计的系统测试软件功能如图2 所示。

图2 测试软件功能框图

5.3 组态王软件界面

软件监控界面的开发基于组态王平台开发，将上位机作为通信主站， 通过Modbus 通信协议设置完成与PLC 和采集模块的通信，组态王监控界面设计时主要步骤为：定义数据类型；建立通信协议；设计监控画面；调试运行。

组态王监控软件由工程管理器、工程浏览器和界面运行系统3 部分组成，工程浏览器包含了监控界面的设计、数据词典的定义和设备通信端口设置，完成调试工作后进入监控界面，进行系统性能测试。

6 性能试验分析

为了验证所开发的潜水推流式搅拌机性能测试系统的可靠性和测试精度，采用多普勒流速仪进行比较，以推流速度性能参数进行试验。 根据GB/T 33566—2017 性能测试要求，选用QJB3/4-1100/2-135/B 型号的潜水推流式搅拌机作为研究对象 （主要参数见表1）， 分别在0.8n0、1.0n0、1.2n0（n0为额定转速）转速工况下，轴向距离5m处分别用所设计的性能测试系统和多普勒流速仪测试其推流速度，测试结果如图3～5 所示。 可以看出， 通过不同转速工况的流速测试对比，所开发的性能测试系统精度较高，性能优异，极大程度地节约了人力和时间成本。

表1 潜水推流式搅拌机的主要参数

图3 0.8n0 转速时测试轴向流速的对比

图4 1.0n0 转速时测试轴向流速的对比

图5 1.2n0 转速时测试轴向流速的对比

7 结束语

基于组态王所开发的潜水推流式搅拌机性能测试系统具有集成化程度高、 自动化程度高、运行稳定及抗干扰能力强等优点。 同时还具有良好的扩展性，在满足生产厂家和研究单位对产品性能测试的条件下，可以根据不同的性能试验要求，对系统进行扩展，最大化地发挥系统优势，不仅能高质量地完成搅拌产品性能的科学化测定，还可以大幅度提高设计速度、 缩短产品设计周期、提高工作效率、减少试验成本。