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基于組態(tài)軟件與DDE技術(shù)的流量計(jì)校準(zhǔn)系統(tǒng)研制

胡開(kāi)明，李躍忠，趙永科

（東華理工大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院，江西撫州344000）

摘要：在分析流量標(biāo)定裝置的標(biāo)定原理與結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，將標(biāo)準(zhǔn)表法和標(biāo)準(zhǔn)體積法綜合在一套流量校準(zhǔn)裝置中，擴(kuò)大了應(yīng)用范圍，提高了檢定效率。完成恒壓供水系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集、標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)及控制執(zhí)行等電路的配置，建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行Matlab仿真分析，采用組態(tài)王軟件開(kāi)發(fā)流量計(jì)檢定系統(tǒng)，運(yùn)用DDE技術(shù)完成了Matlab與組態(tài)間的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換，通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)流量裝置和流量計(jì)的檢定、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以及歷史數(shù)據(jù)報(bào)表等功能，較好地實(shí)現(xiàn)在線實(shí)流校準(zhǔn)的仿真。實(shí)驗(yàn)調(diào)試表明：流量計(jì)校準(zhǔn)裝置的準(zhǔn)確度為0.3，能較好地實(shí)現(xiàn)流量校準(zhǔn)系統(tǒng)的控制、數(shù)據(jù)采集、處理分析的自動(dòng)化。

關(guān)鍵詞：流量標(biāo)定；組態(tài)王；Matlab軟件；DDE技術(shù)

收到修改稿日期：2012-10-19

0　引　言

為保證流量?jī)x表計(jì)量的準(zhǔn)確性，流量計(jì)在出廠前、使用中、維修后都需要標(biāo)定[1]。然而由于現(xiàn)場(chǎng)流量計(jì)的使用條件千變?nèi)f化，要想建立與現(xiàn)場(chǎng)完全一致的條件是不現(xiàn)實(shí)的，所以需要選定其共性的條件，以建立標(biāo)定裝置，并運(yùn)用相關(guān)的理論實(shí)踐知識(shí)去解決使用條件的問(wèn)題。在熱工流量計(jì)量中目前國(guó)內(nèi)外廣泛應(yīng)用的有水表檢定裝置、靜態(tài)容器標(biāo)準(zhǔn)裝置、標(biāo)準(zhǔn)表法流量標(biāo)準(zhǔn)裝置等。標(biāo)準(zhǔn)裝置20世紀(jì)80年代在國(guó)外廣泛使用，在國(guó)內(nèi)，雖然歷史較短，但隨著相應(yīng)技術(shù)法規(guī)和量值溯源系統(tǒng)的完善，發(fā)展非常迅速[2]。然而這些裝置基本上都是獨(dú)立使用、針對(duì)性強(qiáng)、價(jià)值較高的標(biāo)準(zhǔn)裝置[3]。為減少資金的投入，避免對(duì)場(chǎng)地的浪費(fèi)，增加裝置的通用性，本次設(shè)計(jì)將靜態(tài)容器法和標(biāo)準(zhǔn)表法綜合在一套流量標(biāo)準(zhǔn)裝置中，利用兩種方法各自的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)流量計(jì)的檢定，以提高檢定效率。設(shè)計(jì)中采用DDE技術(shù)使組態(tài)軟件與Matlab進(jìn)行動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換，在組態(tài)王中進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采樣、動(dòng)態(tài)工藝圖顯示、數(shù)據(jù)匯總，將Matlab作為后臺(tái)進(jìn)行算法運(yùn)算和數(shù)據(jù)處理[4]，在組態(tài)環(huán)境內(nèi)完成流量計(jì)的自動(dòng)檢定。

1　液體流量校準(zhǔn)系統(tǒng)組成

本裝置采用靜態(tài)容器法和標(biāo)準(zhǔn)表法相結(jié)合的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一套具有效率較高、低成本、適合于開(kāi)展試驗(yàn)的液體流量校準(zhǔn)裝置。該系統(tǒng)中被檢流量計(jì)的檢定由標(biāo)準(zhǔn)表法實(shí)現(xiàn)，而容器法主要用來(lái)完成標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)的在線檢定，這樣就可以綜合利用兩種方法各自的優(yōu)良特性，用戶(hù)可以根據(jù)需要選擇檢定方法。系統(tǒng)構(gòu)造如圖1所示。根據(jù)不同的標(biāo)定方法選擇不同的標(biāo)準(zhǔn)容器，由換向器進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)表法和標(biāo)準(zhǔn)容器法間切換。采用標(biāo)準(zhǔn)表法時(shí)，以實(shí)際流量流過(guò)被校驗(yàn)流量?jī)x表，與流過(guò)的標(biāo)準(zhǔn)渦輪流量計(jì)進(jìn)行比較，從而確定被校驗(yàn)儀表的流量值。采用標(biāo)準(zhǔn)容積法時(shí)則以穩(wěn)定的流量q向容器內(nèi)連續(xù)注入液體，準(zhǔn)確確定注入的開(kāi)始時(shí)刻t1和停止時(shí)刻t2，同時(shí)準(zhǔn)確測(cè)量Δt=t1-t2間隔內(nèi)容器中積存的液體流量Q，即可計(jì)算出平均流量。在組態(tài)信息管理系統(tǒng)里將采集系統(tǒng)的輸入信號(hào)，通過(guò)規(guī)定的算法對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理，以完成液體流量計(jì)檢定系統(tǒng)的控制、數(shù)據(jù)采集、處理分析的自動(dòng)化，實(shí)現(xiàn)標(biāo)定的高精度、高效率和易操作性。

2　系統(tǒng)建模

圖1　校準(zhǔn)裝置結(jié)構(gòu)圖

恒壓供水系統(tǒng)保證水流速度的恒定，利用變頻器實(shí)現(xiàn)恒壓供水，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換和處理，恒流系統(tǒng)是保證高精度檢定的前提。系統(tǒng)中采用液位-流量串級(jí)控制，運(yùn)用PID控制，以達(dá)到快速、小超調(diào)地達(dá)到穩(wěn)定。

2.1流量模型

用渦輪流量計(jì)檢測(cè)管道中水的流量送入PLC控制器，運(yùn)算后控制變頻器的頻率，進(jìn)而控制水泵的轉(zhuǎn)速，從而調(diào)節(jié)管道內(nèi)的流量。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)的變頻器頻率f和對(duì)應(yīng)出口流量Q的數(shù)據(jù)如表1所示。

表1　電動(dòng)機(jī)至水泵實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

采用Matlab進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，利用數(shù)據(jù)擬合曲線法可得流量對(duì)象的傳遞函數(shù)為

2.2液位系統(tǒng)的模型

檢定系統(tǒng)的水箱高度h為100 cm，截面積F為60cm2，水通過(guò)泵進(jìn)入水箱，進(jìn)入水箱的流量由水泵決定，水泵的控制電壓輸入范圍為0～10 V，水泵出水量與控制電壓之間的關(guān)系為

式中：Qi——流入水箱的流量；

U

p——水泵的控制電壓；

參數(shù)可近似為τd=0.65s，Tp=5s，Kp=0.1 L/（V·s）。

3　組態(tài)技術(shù)與Matlab間的DDE通信

設(shè)計(jì)中采用亞控公司組態(tài)王6.53軟件完成組態(tài)界面和控制流程的編寫(xiě)。通過(guò)定義變量，建立組態(tài)界面，完成系統(tǒng)的用戶(hù)窗口、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)、設(shè)備窗口，主控窗口，運(yùn)行策略等設(shè)計(jì)[5]。

動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換（DDE）是Windons環(huán)境下應(yīng)用程序間數(shù)據(jù)交換的主流技術(shù)[6]，因此可以通過(guò)DDE協(xié)議將組態(tài)王與Matlab結(jié)合起來(lái)，以充分發(fā)揮各自的優(yōu)點(diǎn)，如圖2所示。其中組態(tài)王軟件顯示友好的人機(jī)圖形界面，操作人員可以在界面上直接操作，通過(guò)DDE通信把仿真PLC送給組態(tài)王的數(shù)據(jù)信息及時(shí)傳給Matlab，在Matlab中進(jìn)行算法和數(shù)據(jù)運(yùn)算處理，并把計(jì)算結(jié)果回傳給組態(tài)王顯示，再由組態(tài)王對(duì)仿真PLC進(jìn)行控制[7]，進(jìn)而在組態(tài)環(huán)境里實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的調(diào)試。

整個(gè)DDE通信部分的軟件設(shè)計(jì)使用Matlab語(yǔ)言編寫(xiě)靈活的S函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，以M文件形式存在。

圖2　組態(tài)軟件與Matlab的DDE通信

Simulink提供了一個(gè)M文件形式的S函數(shù)模板，包括定義一些必要函數(shù)的語(yǔ)句和一些注釋。因此，程序編寫(xiě)簡(jiǎn)單，修改起來(lái)也容易，有利于對(duì)算法的分析和改進(jìn)，Matlab與組態(tài)王通信的仿真框如圖3所示。

圖3　Matlab與組態(tài)王DDE通信的S函數(shù)模型

system2方框是經(jīng)過(guò)Simulink封裝后系統(tǒng)的PID控制算法子系統(tǒng)。DDE_Init是Matlab初始化函數(shù)，DDE_Input是Matlab輸入數(shù)據(jù)函數(shù)，DDE_Out－Put是Matlab輸出函數(shù)，F(xiàn)lowMeter是流量控制程序。在Matlab環(huán)境里，通過(guò)S函數(shù)編寫(xiě)程序?qū)崿F(xiàn)DDE通信的初始化，定義應(yīng)用程序名和主題名；接受Matlab傳送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)，建立熱鏈接并接收數(shù)據(jù)；實(shí)現(xiàn)Matlab數(shù)據(jù)的發(fā)送，將控制量傳送給組態(tài)王[8]。

4　系統(tǒng)調(diào)試

采用組態(tài)王軟件，定義DDE設(shè)備，指定邏輯變量，選擇數(shù)據(jù)交換類(lèi)型，定義I/O變量，連接DDE設(shè)備，確認(rèn)允許DDE訪問(wèn)。組建系統(tǒng)的組態(tài)環(huán)境，構(gòu)造校準(zhǔn)系統(tǒng)的虛擬調(diào)試平臺(tái)。

通過(guò)DDE使組態(tài)軟件與Matlab通信，充分利用Matlab強(qiáng)大的計(jì)算和仿真功能及組態(tài)王界面設(shè)計(jì)功能，將采集的數(shù)據(jù)在Matlab中運(yùn)算處理后送回組態(tài)進(jìn)行顯示，實(shí)現(xiàn)檢定系統(tǒng)自動(dòng)化。

在液位-流量串級(jí)控制系統(tǒng)中，液位系統(tǒng)作為主控器，流量系統(tǒng)作為副控制器。主調(diào)節(jié)器采用PID控制，根據(jù)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型采用ZN法整定控制參數(shù)[9-10]，得到Kp=12.0，Ki=0.75，Kd=4，副調(diào)節(jié)器采用PI控制，其參數(shù)整定為Kp=6.5，Ki=0.5。

編輯組態(tài)運(yùn)行界面和運(yùn)行數(shù)據(jù)，編寫(xiě)液位穩(wěn)流控制和管道內(nèi)的流體動(dòng)態(tài)效果運(yùn)行程序，書(shū)寫(xiě)標(biāo)準(zhǔn)表法和體積法校準(zhǔn)的組態(tài)運(yùn)行程序。標(biāo)準(zhǔn)表法主要通過(guò)比較標(biāo)準(zhǔn)表和待測(cè)流量計(jì)中數(shù)據(jù)確定校準(zhǔn)精度，體積法計(jì)算一定時(shí)間內(nèi)流入罐缸內(nèi)的流量值的方法實(shí)現(xiàn)流量計(jì)量。運(yùn)行組態(tài)界面，在界面上設(shè)置液位給定值，啟動(dòng)水泵，然后打開(kāi)Matlab結(jié)構(gòu)控制框圖，點(diǎn)擊運(yùn)行快捷鍵，進(jìn)行S函數(shù)的運(yùn)行，Matlab與組態(tài)間便可進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信，整個(gè)檢定系統(tǒng)進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)。返回組態(tài)界面，還可以看到流量校準(zhǔn)和液位控制動(dòng)態(tài)畫(huà)面、歷史曲線畫(huà)面、實(shí)時(shí)曲線畫(huà)面和實(shí)時(shí)報(bào)表畫(huà)面等。系統(tǒng)組態(tài)運(yùn)行界面如圖4所示，整個(gè)系統(tǒng)畫(huà)面通過(guò)4個(gè)按鈕和1個(gè)菜單進(jìn)行方便的控制，水泵啟動(dòng)按鈕可以啟動(dòng)電機(jī)和變頻器，其余3個(gè)按鈕用于選擇校準(zhǔn)方式，當(dāng)切換至標(biāo)準(zhǔn)容積法標(biāo)定時(shí)，右上方的時(shí)鐘會(huì)進(jìn)行計(jì)時(shí)，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)罐的液位即可換算成單位時(shí)間內(nèi)的體積流量。菜單按鈕欄中設(shè)置系統(tǒng)的歷史曲線、實(shí)時(shí)曲線和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)報(bào)表功能，可以直接查詢(xún)。

圖4　流量標(biāo)定系統(tǒng)的組態(tài)運(yùn)行界面

圖5　組態(tài)運(yùn)行歷史曲線

圖6　Matlab仿真運(yùn)行曲線

系統(tǒng)組態(tài)運(yùn)行的歷史曲線如圖5所示，Matlab仿真圖形如圖6所示?？芍獌汕€的數(shù)據(jù)基本一致，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)無(wú)靜差，標(biāo)準(zhǔn)表與恒流表的示數(shù)一致，調(diào)節(jié)時(shí)間ts≈30s，超調(diào)量σ%≈27%，振蕩次數(shù)N=1。從圖4的組態(tài)界面運(yùn)行圖中很直觀看出變頻器頻率為32 Hz，系統(tǒng)波動(dòng)系數(shù)較小，穩(wěn)定性較好，檢定的環(huán)境良好，在同等條件下測(cè)得的5組數(shù)據(jù)如表2所示。從表2可計(jì)算出該裝置準(zhǔn)確度等級(jí)為0.3，滿(mǎn)足工業(yè)計(jì)量要求。

表2　流量檢定數(shù)據(jù)

5　結(jié)束語(yǔ)

本文以DDE通信技術(shù)作為紐帶，使用Matlab與組態(tài)技術(shù)完成了水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了檢定過(guò)程的高效、直觀、自動(dòng)化，克服人為操作中的種種不足。該裝置主要有3大優(yōu)點(diǎn)：（1）該流量標(biāo)準(zhǔn)裝置將靜態(tài)容器法和標(biāo)準(zhǔn)表法集成在一起，擴(kuò)大了應(yīng)用范圍，節(jié)約了成本。（2）該裝置的標(biāo)準(zhǔn)表部分采用的是并聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)表的方法，在不降低計(jì)量可靠性的前提下，可以擴(kuò)大流量計(jì)測(cè)量范圍。（3）采用組態(tài)王與Matlab混合編程，通過(guò)DDE技術(shù)實(shí)現(xiàn)組態(tài)王與Matlab的交互鏈接，從而縮短了開(kāi)發(fā)周期，提高了運(yùn)行效率.

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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，F(xiàn)uzhou 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

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（61064013）

收稿日期：2012-08-30；

doi：10.11857/j.issn.1674-5124.2013.05.018

文章編號(hào)：1674-5124（2013）05-0065-03

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

中圖分類(lèi)號(hào)：TH814；TP272；TP311.52；TM930.12

作者簡(jiǎn)介：胡開(kāi)明（1977-），男，安徽安慶市人，講師，碩士，主要從事控制理論、檢測(cè)與控制儀表裝置領(lǐng)域的教學(xué)與研究工作。