0 引言

    過濾材料性能檢測系統(tǒng)中軟件是系統(tǒng)最重要的組成部分。檢測系統(tǒng)的軟件結(jié)合了計算機(jī)測控系統(tǒng)與傳感器技術(shù)、數(shù)據(jù)采集技術(shù)、PLC編程技術(shù)、串口通信技術(shù)。上位機(jī)軟件實時監(jiān)測檢測平臺的壓力、流量，PLC接收上位機(jī)的指令對電磁調(diào)節(jié)閥的開度進(jìn)行控制，并同時控制增壓泵和多個電磁開關(guān)閥的通斷，最終實現(xiàn)壓降流量特性試驗、多次通過試驗、沖洗試驗的自動化。

1 檢測系統(tǒng)總體設(shè)計

    過濾材料性能檢測試驗臺是由變送器、電磁閥、PLC模塊、顆粒計數(shù)器、上位工控機(jī)組成的多功能綜合試驗裝置，其復(fù)雜程度高。系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

    本檢測平臺的測控系統(tǒng)采用工控機(jī)和西門子PLC的上下位機(jī)，兩者之間通過串口進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。PLC是整個檢測系統(tǒng)現(xiàn)場控制的核心，不僅負(fù)責(zé)試驗平臺的壓力以及流量的數(shù)據(jù)采集，而且可以接收上位機(jī)發(fā)送的指令要求，調(diào)節(jié)試驗平臺中各執(zhí)行元器件的狀態(tài)。檢測系統(tǒng)嚴(yán)格按照試驗步驟自動完成試驗，實現(xiàn)過濾材料性能檢測的自動化。

    顆粒計數(shù)器和工控機(jī)構(gòu)成顆粒檢測系統(tǒng)，上位機(jī)是主設(shè)備，顆粒計數(shù)器作為下位機(jī)，通過串口通信協(xié)議實現(xiàn)工控機(jī)與顆粒計數(shù)器的通信。采用顆粒計數(shù)器評定過濾材料的過濾精度，有助于提高檢測的速度和精度。上位機(jī)是測控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理中心，主要用于處理、分析以及存儲試驗數(shù)據(jù)，輸出用戶所需的試驗結(jié)果及曲線。

    本檢測系統(tǒng)包括2路壓力信號的采集，1路流量信號的采集，5路數(shù)字量輸出控制信號，1路模擬量輸出控制信號。蠕動泵與上位機(jī)LabVIEW直接進(jìn)行RS485串口通信，因此直接受上位機(jī)控制。該系統(tǒng)測控系統(tǒng)以PLC為現(xiàn)場控制核心，工控機(jī)為數(shù)據(jù)存儲、處理以及人機(jī)交互平臺。充分利用了工控計算機(jī)良好的數(shù)據(jù)處理分析和強大的數(shù)據(jù)保存能力以及PLC抗干擾能力強、可靠性高的特點。

    系統(tǒng)通過對壓力和流量的采集判斷來控制電磁開關(guān)閥的通斷以及電動調(diào)節(jié)閥的開度，最終完成檢測。軟件用戶界面友好，操作簡便。

2 通信方式選擇

    PPI協(xié)議是西門子為PLC S7-200模塊設(shè)計的專用通信協(xié)議。PPI協(xié)議廣泛應(yīng)用在西門子PLC S7-200與第三方組態(tài)軟件進(jìn)行通信，包括西門子觸摸屏WINCC、組態(tài)王、紫金橋、力控等。當(dāng)上位機(jī)采用PPI協(xié)議指令和PLC進(jìn)行通信時，上位機(jī)能方便地讀取及寫入PLC所有存儲區(qū)的數(shù)據(jù)。此外，上位機(jī)還可以直接控制PLC的運行和停止。使用PPI協(xié)議通信時，PLC內(nèi)部可以不用編程，因此，通信快捷方便，二者之間的數(shù)據(jù)傳輸速率高。這也是本檢測系統(tǒng)選擇此種方案的主要原因。PPI通信協(xié)議是一種主從式的通信，上位機(jī)為主機(jī)，PLC為從機(jī)，通信由上位機(jī)開始發(fā)起，PLC給予回應(yīng)。

3 檢測系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 測控系統(tǒng)的通信模塊軟件設(shè)計

    VISA是美國國家儀器公司(NI)提供的一組針對儀器編程的標(biāo)準(zhǔn)API函數(shù)。VISA可以控制USB﹑串口﹑以太網(wǎng)等通信設(shè)備。在LabVIEW開發(fā)平臺下，使用VISA與串口設(shè)備通信的步驟如下：(1)初始化端口。對串口通信的端口號﹑波特率﹑奇偶校驗位﹑數(shù)據(jù)位進(jìn)行設(shè)定，使其與PLC端口的參數(shù)一致；(2)讀寫端口。利用串口讀寫函數(shù)， 從串口中讀入和輸出數(shù)據(jù)；(3)關(guān)閉端口。按照上述通信步驟編程實現(xiàn)了LabVIEW和西門子PLC的串口通信，通信程序部分框圖如圖2所示。

3.2 數(shù)據(jù)采集模塊軟件設(shè)計

    數(shù)據(jù)采集是將壓力值、流量值等模擬量采集后轉(zhuǎn)換為數(shù)字量并由計算機(jī)顯示、分析和處理。本系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集部分首先傳感器輸出的電流信號通過西門子PLC的EM235模擬量輸入模塊，西門子的模擬量輸入模塊會把采集到的相應(yīng)的模擬量電流信號轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的數(shù)字量，并把對應(yīng)的數(shù)字量存放在相應(yīng)的寄存器中。這部分轉(zhuǎn)換由西門子PLC編程來完成，傳感器采集到的壓力和流量存放在西門子PLC中相應(yīng)的AIW4、AIW6、AIW8寄存器內(nèi)，為了方便上位機(jī)讀取西門子PLC中的數(shù)據(jù)，分別將AIW4、AIW6、AIW8中的各對應(yīng)的數(shù)值傳送到VW2、VW4、VW6寄存器中，這一部分在PLC編程軟件step7microwin中完成。

3.3 過濾精度檢測軟件設(shè)計

    根據(jù)不同的檢測過濾材料，進(jìn)行的多次通過檢測所需的系統(tǒng)流量是不一樣的，過濾材料的最大壓差設(shè)定值也不一樣，這兩個參數(shù)值都是因材料制造廠商的不同而不同。考慮到檢測不同材料所需要的流量不同，本檢測程序采用PID控制算法來實現(xiàn)。PID控制圖如圖3所示。

3.4 基于LabVIEW的檢測系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫管理軟件設(shè)計

    在用LabVIEW編寫應(yīng)用程序時，很多情況下需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲、管理和查詢。LabVIEW本身并不能對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行訪問，利用NI的附加工具包Database Connectivity對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行連接訪問。該工具包的主要特點是：(1)支持所有與ODBC或OLEDB兼容的數(shù)據(jù)庫驅(qū)動程序，具有高度的可移植性。(2)用戶通過改變ADO Connection Open.vi中的輸入?yún)?shù)Connection String就可以方便地更新數(shù)據(jù)庫。此外，該工具包能很好地與Microsoft Access兼容。

    在使用LabVIEW工具包之前，首先需要在Windows操作系統(tǒng)中的ODBC數(shù)據(jù)源中創(chuàng)建一個DSN(Data Source Name)。LabVIEW與數(shù)據(jù)庫之間的連接就是建立在DSN基礎(chǔ)上的。采用LabVIEW的工具包與新建的DSN進(jìn)行新的數(shù)據(jù)庫連接程序圖如圖4所示。

    此時系統(tǒng)對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行管理，包括添加數(shù)據(jù)、刪除數(shù)據(jù)等功能。查詢數(shù)據(jù)庫的測試數(shù)據(jù)程序框圖如圖5所示。

3.5 檢測數(shù)據(jù)報表生成模塊設(shè)計

    報表也是檢測系統(tǒng)的一個重要組成部分。數(shù)據(jù)庫作為一次數(shù)據(jù)源，它時刻地記錄了檢測系統(tǒng)所采集的數(shù)據(jù)，適合作為后期各種數(shù)據(jù)分析的數(shù)據(jù)源。但是數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)量龐大，不適合人工分析，報表作為二次數(shù)據(jù)源正好彌補了數(shù)據(jù)庫的不足，可以很好地反映每次檢測結(jié)果的實時數(shù)據(jù)情況。報表生成程序如圖6所示。

4 測試結(jié)果

    對完成通量檢測的多孔不銹鋼過濾材料進(jìn)行過濾精度檢測。檢測過程中，系統(tǒng)自動定時打開過濾材料上下游相應(yīng)的電磁閥取樣，采用顆粒計數(shù)器對樣品中的不同粒徑的個數(shù)進(jìn)行檢測。通過上位機(jī)對數(shù)據(jù)的處理，最后得到過濾材料的過濾比β值與樣品中的不同粒徑的曲線如圖7所示。

    由圖7的曲線可知，β值為75時，所對應(yīng)的微粒粒徑是13.7 μm，所以此種多孔不銹鋼過濾材料的平均孔徑為13.7 μm。采用本套檢測平臺測試的多孔不銹鋼的通量為95.46 m³/（h.m².bar），平均孔徑為13.7 μm。測試結(jié)果說明，采用此套系統(tǒng)測試的結(jié)果準(zhǔn)確性比較可靠。

5 結(jié)論

    本文首先分析了全自動完整性檢測系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，詳細(xì)描述了整個測控系統(tǒng)的通信方式并詳細(xì)探討了基于西門子PLC的PPI協(xié)議指令分析，再通過PLC的PPI指令完成與上位機(jī)LabVIEW的通信設(shè)計。此檢測平臺目前還不具備遠(yuǎn)程控制功能，后期可以采用遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)對系統(tǒng)進(jìn)行無線控制。

參考文獻(xiàn)

[1] 佘勃強，董領(lǐng)鋒，吳引江，等.關(guān)于多孔材料過濾精度的探討[J].過濾與分離，2013(2)：38-41.

[2] 李言武.PLC編程技術(shù)應(yīng)用與解析[J].工業(yè)控制計算機(jī)，2014(10)：161-162.

[3] 陳傳凱.基于LabVIEW與PLC的數(shù)控系統(tǒng)通訊及提高運動精度控制方法研究[D].上海：華東理工大學(xué)，2013.

[4] KANG L L，ZHANG Z，YU J M.Data acquisition and vibration analysis based on LabVIEW[J].Applied Mechanics and Materials，2013，239：468-472.

[5] 田?？?PLC編程語言解釋方法研究與系統(tǒng)實現(xiàn)[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2004.

[6] 曾珞亞.基于OPC技術(shù)的PLC與LabVIEW通信實現(xiàn)[J].微計算機(jī)信息，2009(16)：52-53，128.

[7] 龍永輝，孫中生.Siemens PPI協(xié)議分析[J].工業(yè)控制計算機(jī)，2005(7)：11-12.

[8] 黃大偉.LabVIEW與S7-200PLC PPI協(xié)議通訊的設(shè)計與實現(xiàn)[J].自動化與儀器儀表，2013(4).

[9] 胡健.基于計算機(jī)的測控技術(shù)串行通信分析與實現(xiàn)[D].西安：西安工業(yè)大學(xué)，2011.

[10] 張淑敏，畢麗紅，馬艷芳.基于LabVIEW的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)[J].工業(yè)控制計算機(jī)，2010(9)：5-6.

[11] 羅文鋒.基于LabVIEW與PLC的船舶電站監(jiān)控系統(tǒng)的研究[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2009.

[12] 萬家榮.論PLC應(yīng)用中的工程技術(shù)問題[J].電子與自動化，1996(1)：49-51.