馬龍博，趙建亮，鄭建英

(浙江省計量科學研究院，杭州 310013)

0 引言

開式換向器是液體流量標準裝置的重要組成部分，是影響裝置計量準確度最關鍵的部件之一，其工作質量的好壞將直接影響裝置計量準確度高低。換入換出同向換向器是開式換向器的一種，換向過程中不受換向擋板位置、噴嘴流速分布的影響，對液體流量標準裝置引入的不確定度較小，因此成為開式換向器發(fā)展的主要方向。

現(xiàn)場各種控制系統(tǒng)通常由組態(tài)王和PLC共同完成，組態(tài)王作為上位機控制軟件完成人機交互和下位機控制，PLC作為下位機完成上位機指令及各種運算操作。組態(tài)王作為一種優(yōu)秀的上位機監(jiān)控軟件，在許多領域的遠程監(jiān)控中都得到了廣泛應用[1～7]。PLC是一種專門在工業(yè)環(huán)境下應用而設計的數(shù)字運算操作電子裝置，用于控制各種類型的機械或生產過程。

本文在研究前人工作[8～10]并成功設計換入換出同向換向器基礎上，根據新設計換向器工作原理，給出了基于組態(tài)王和PLC同向換向器控制方法。開發(fā)了一套組態(tài)王和PLC相結合的換入換出同向換向器監(jiān)控系統(tǒng)，較好地實現(xiàn)了新設計換向器的同向換向運行和對流量計的檢定。

1 系統(tǒng)的基本結構和原理

1.1 換入換出同向換向器基本結構

換入換出同向換向器基本結構如圖1所示。

圖1 換入/換出同向換向器結構示意圖

圖1所示換向器工作原理如下：

1) 水平移動第一分流器2，使換向噴嘴1噴出的水流流入第一分流器2的第一分流漏斗21并通過第一導引管211進入第一換向流道31；

2) 水平移動第二分流器6，使第一換向流道31的出水口對準第二分流器6的第一分流腔61的進水口且第二換向流道32的出水口對準第二分流器6的計量腔63的進水口，第一換向流道31內的水流由此經第一分流腔61流入循環(huán)水池；

3) 水平移動第一分流器2，使換向噴嘴1噴出的水流流入第一分流器2的第二分流漏斗22并通過第二導引管222及第二換向流道32流入第二分流器6的計量腔63，再由計量腔63底部的出水口進入工作量器；在第一分流器2水平移動的同時，該第一分流器2帶動換向器計時導桿4運動，使換向器計時導桿4與光電轉換器5配合輸出一脈沖信號以控制計時器開始計時；

4) 水平移動第二分流器6，使第一換向流道31的出水口對準計量腔63的進水口；

5) 水平移動第一分流器2，使換向噴嘴1噴出的水流流入第一分流漏斗21并通過第一導引管211及第一換向流道31流入第二分流器6的計量腔63，再由計量腔63底部的出水口進入工作量器。在該步驟中計時器不停止計時；

6) 水平移動第二分流器6，使第二換向流道32的出水口對準第二分流器6的第二分流腔62的進水口；

7) 水平移動第一分流器2，使換向噴嘴1噴出的水流流入第二分流漏斗22并通過第二導引管222及第二換向流道32流入第二分流器6的第二分流腔62后，再流入循環(huán)水池；在第一分流器2水平移動的同時帶動換向器計時導桿4運動，使換向器計時導桿4與光電轉換器5配合輸出一脈沖信號以控制計時器停止計時。

1.2 換入換出同向換向器控制系統(tǒng)基本結構

根據換入換出同向換向器的工作原理，設計的控制系統(tǒng)的結構圖如圖2所示。由圖2可以看出，該系統(tǒng)由上位計算機、RS-232/PPI電纜、PLC、輸入/輸出對象等構成，其中輸入/輸出對象包括伺服電機、換向閥及被檢表等組成。

圖2 控制系統(tǒng)的基本結構圖

圖2所示控制系統(tǒng)的通訊與控制包括三部分：一是上位機通過PPI（點對點接口）與PLC的通訊；二是PLC與現(xiàn)場輸入/輸出對象的通信；三是系統(tǒng)的運行控制。

2 控制系統(tǒng)通訊及運行控制

2.1 上位機與PLC的通訊

上位機與PLC的通訊是通過組態(tài)王和PPI來完成的。組態(tài)王是一種通用的工業(yè)監(jiān)控軟件，集過程控制設計、現(xiàn)場操作及資源管理于一體，將各種生產控制系統(tǒng)及信息交流匯集在一起，實現(xiàn)各種過程的優(yōu)化控制。PPI是西門子S7-200系統(tǒng)開發(fā)的通訊協(xié)議。該協(xié)議是一種主從協(xié)議：主站設備發(fā)送要求到從站設備，從站設備響應。從站不主動發(fā)送信息，只是等待主站的要求和對要求作出響應。PPI支持的通訊速率為9.6kbit、19.2kbit和187.5kbit。

組態(tài)王與PLC的PPI通訊是通過以下兩方面的設定實現(xiàn)的。

2.1.1 PLC通訊硬件的連接

使用PLC編程軟件STEP7-micro/WIN32在“SET PG/PC Interface”對話框中配置PC/PPI cable，選擇Interface Parameter Assignment為PPI，并設置PPI參數(shù)默認值，雙擊通訊框中的刷新圖標建立與S7-200的通信連接。

2.1.2 組態(tài)王的設置

1) 外部設備的定義

用組態(tài)王中的“設備配置向導” 對外部設備（此處為PLC）進行定義，首先選擇向導中的通訊方式為西門子S7-200系列PPI通信，并設定如下通信參數(shù)：波特率為9.6kbit，數(shù)據位為8位，停止位為1位，偶校驗；其次，設定PLC的地址，本系統(tǒng)中將PLC地址設為默認地址2。

2) 變量的定義

對外部設備定義完成后，需要對組態(tài)王中的變量進行定義，以實現(xiàn)組態(tài)王與PLC的數(shù)據交換，變量的定義是在組態(tài)王的“數(shù)據字典”中進行的，即在“數(shù)據詞典”中選擇變量類型為I/O型，并選擇連接設備，指定所訪問的寄存器名及寄存器類型。本系統(tǒng)中，定義的變量主要包括：伺服電機轉動方向變量、伺服電機啟動/停止變量、檢定允許/禁止變量、換向器換向方向變量、換向器換向開關變量及光電信號輸入變量等。

2.2 PLC與現(xiàn)場輸入/輸出對象的通訊

PLC與現(xiàn)場輸入/輸出對象的通訊主要包括以下四個方面：

現(xiàn)場被檢流量計脈沖輸入：本項目中現(xiàn)場用到的被檢流量計是電磁流量計，進行檢定試驗時，根據流量的不同流量計會產生不同頻率的脈沖輸出，該脈沖輸出通過PLC的I0.3口輸入到PLC的寄存器中；

伺服電機控制輸出：對伺服電機的控制輸出包括方向輸出和脈沖輸出，方向輸出通過PLC的Q0.2輸出給伺服電機，控制伺服電機的轉動方向；脈沖輸出通過PLC的Q0.1輸出給伺服電機，控制伺服電機的轉動速度和轉動圈數(shù)；

換向器換向閥控制輸出：對換向器換向閥的控制輸出是通過PLC的Q0.3來完成的，該控制輸出主要用于控制換向器工作時的換入/換出；

換向器光電脈沖輸入：換向器工作時換入/換出均產生光電脈沖信號，換向器換入時產生的光電脈沖信號一般作為檢定試驗計時的開始信號，換向器換出時產生的光電脈沖信號一般作為檢定試驗計時的結束信號，上述信號是通過PLC的I0.1輸入到PLC，控制PLC內部計時器的計時開始與結束。

2.3 換入換出同向換向器的運行控制

換入換出同向換向器的運行控制過程如下：首先對運行控制進行初始化。主要包括第一、第二分流器位置調整、檢定試驗時間的設定、換向器換向方向的設定（主要是保證在檢定試驗前水流在旁通管中流動）、檢定允許的設定、伺服電機轉動方向的設定、伺服電機輸出脈沖個數(shù)的設定、第一、第二次中斷時間的設定及關閉換向器底閥。其次，對管道中的水流量進行調整。當流量達到檢定試驗流量并穩(wěn)定后，控制第一分流器換入，水流由旁通管經第一、第二分流器改變流向后進入稱重量器；在第一分流器換入的同時產生光電控制脈沖且檢定試驗過程的第一次中斷開始工作，PLC根據接收到的光電控制脈沖，同步的對被檢流量計脈沖和檢定試驗時間進行累計。第三，PLC不斷檢測第一次中斷時間是否到達設定中斷時間。如果到達設定的第一次中斷時間，則控制伺服電機旋轉，驅動第二分流器移動到預定位置；第一次中斷結束的同時，第二次中斷開始。第四，在第二分流器移動到預定位置一定時間后，控制第一分流器換出。水流仍然由旁通管經第一、第二分流器改變流向后進入稱重量器，在第一分流器換出的同時產生的光電控制脈沖不影響PLC對被檢流量計脈沖和檢定時間的累計。第五，PLC不斷檢測第二次中斷時間是否到達設定中斷時間。如果到達設定的第二次中斷時間，則控制伺服電機旋轉，驅動第二分流器移動到預定位置。第六，在整個試驗過程中，累計的檢定試驗時間不斷與初始化時設定的檢定試驗時間進行比較。當累計的檢定試驗時間達到初始化時設定的檢定試驗時間時，PLC控制換向器換入（該第一分流器換入實際是換向器的換出，即將水流由稱重量器改換到旁通管，檢定試驗結束，同時保證換向器的換入/換出同向），水流由第一、第二分流器改變方向后進入旁通管；在第一分流器換入的同時產生光電控制脈沖，PLC根據接收到的光電控制脈沖同步的停止對被檢流量計脈沖和檢定試驗時間的累計。第七，上位機根據累計脈沖數(shù)和累計時間計算出被檢流量計在檢定試驗時間段內的瞬時流量，同時根據電子稱稱量得到的檢定時間段內注入稱重量器的水的重量，結合水的密度及累計時間計算出檢定試驗時間段內管道中的實際瞬時流量。第八，檢定試驗時間段內的被檢流量計的瞬時流量與管道中的實際瞬時流量進行比較，得到被檢流量計的示值誤差。

3 結束語

基于新設計的換入換出同向換向器工作原理，給出了基于組態(tài)王和PLC同向換向器控制方法，并通過組態(tài)王與PLC間的PPI通訊、PLC與現(xiàn)場輸入/輸出對象的通訊及換向器換入換出同向的控制，較好的實現(xiàn)了換入換出同向換向器的運行及對流量計的檢定。運行結果表明，該系統(tǒng)具有友好的人機界面，良好的穩(wěn)定性、可靠性，較好的解決了換入換出同向換向器的運行控制。

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