設(shè)計了帶有模擬信號采集和輸出功能的通用型氣體質(zhì)量流量計數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實現(xiàn)了系統(tǒng)與被測流量計的數(shù)據(jù)通信，改變了無法校準(zhǔn)氣體質(zhì)量流量計變送器和氣體質(zhì)量流量控制器的現(xiàn)狀。

0.引言

擁有較高準(zhǔn)確度和實現(xiàn)各類信號通信的氣體質(zhì)量流量計和氣體質(zhì)量流量控制器是當(dāng)今工業(yè)測控領(lǐng)域使用越來越多的流量顯示儀表和流量控制儀表 ，然而對氣體質(zhì)量流量計的校準(zhǔn)還基本停留在人工讀數(shù)的原始階段。有一些使用在集成控制設(shè)備中的氣體質(zhì)量流量計甚至不帶數(shù)顯，模擬信號通信，使用目測讀數(shù)法，顯然不能滿足使用要求。

為了校準(zhǔn)這部分流量計和逐步淘汰以人工讀數(shù)為主的測量方法，設(shè)計了帶有模擬信號采集和輸出功能的通用型氣體質(zhì)量流量計數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實現(xiàn)了系統(tǒng)與被測流量計的數(shù)據(jù)通信。整套裝置可根據(jù)預(yù)設(shè)流量點，完成流量計的校準(zhǔn)工作，并輸出原始記錄。

1.系統(tǒng)的硬件架構(gòu)

通用型氣體質(zhì)量流量計數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)示意圖如圖 1 所示。系統(tǒng)硬件部分由氣源、流量控制閥、被測氣體質(zhì)量流量計或控制器、標(biāo)準(zhǔn)器串聯(lián)而成。

系統(tǒng)設(shè)計以 PC 機為上位機，PLC 可編程邏輯控制器為下位機。硬件部分還包括 PC/PPI cable 上下位機數(shù)據(jù)連接線、氣體質(zhì)量流量控制器（量程分別為 5~500 mL/min、500~5 000 mL/min 和 5 000~

5 0000 mL/min）、溫度變送器（15~25 ℃）、壓力變送器（95~108 kPa）和 SL-800 型活塞式氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置（5~50 000 mL/min）。系統(tǒng)硬件架構(gòu)如圖 2 所示。

1.1上位機

該系統(tǒng)的上位機安裝有 LabVIEW、OPC Servers、Step7_MICRO/WIN V4.0 軟件，分別對上位機程序、上下位機數(shù)據(jù)交換、下位機程序進行編程。

1.2下位機

下位機選用 PLC 可編程邏輯控制器。該控制器包含兩路 0~10 V 模擬輸入、四路 4~20 mA 或 0~10 V模擬輸入、四路 4~20 mA 或 0~10 V 模擬輸出。

1.3裝配配套設(shè)備

氣體質(zhì)量流量控制器準(zhǔn)確度等級為 5 級，滿足JJG 897-1995《質(zhì)量流量計》中關(guān)于調(diào)節(jié)流量點的相關(guān)要求。

溫度變送器選型為 148 型變送器和 PT100 型熱電偶，準(zhǔn)確度等級 0.5 級，用于測量被測表端的溫度值。

壓力變送器選型 3051TG 型絕壓變送器，準(zhǔn)確度等級 0.5 級，用于測量被測表端的壓力值。

2.系統(tǒng)的軟件架構(gòu)

系統(tǒng)軟件基本基于圖 3 所示流程圖進行編寫。

2.1上位機程序

LabVIEW 的程序遵循流程圖編寫。主界面分為管路顯示圖、原始記錄顯示表、開始結(jié)束按鈕、時間項目顯示。

2.2下位機程序

下位機采用 Step7 MICRO/WIN 對需要使用的模擬量串口進行編程 。

2.3上下位機通信程序

系統(tǒng)采用價廉物美的 PLC 作為下位機的型式。并非由 LabVIEW 程序直接控制自家 NI 數(shù)據(jù)采集卡，故需采用 OPC 通信。通過建立 NI OPC Servers，設(shè)置 PLC 通信端子到 LabVIEW 的虛擬通道 ，控制流量控制閥、采集被測表、裝置壓力變送器、溫度變送器的模擬信號，實現(xiàn)系統(tǒng)控制和數(shù)據(jù)采集。

3.技術(shù)關(guān)鍵和難點

3.1程序的編制

該系統(tǒng)需要考慮同時實施模擬量和 RS232 通信輸入 LabVIEW 的問題。模擬量信號通過 PLC 作轉(zhuǎn)換模塊的方式通信，RS232 信號則采用 NI-VISA 的方式。

LabVIEW 中分別制作了 8 個 vi 程序：參數(shù)設(shè)置 .vi、主界面 .vi、數(shù)據(jù)查詢 .vi、原始記錄打印 .vi、被測模擬量修正 .vi、流量控制器修正 .vi、溫度變送器修正 .vi、壓力變送器修正 .vi。其主從關(guān)系如圖 4所示。

3.2系統(tǒng)的自校

系統(tǒng)的模擬信號輸出和輸入在使用一段時間后會出現(xiàn)模擬信號零點和滿量程漂移。為了解決這一難點問題，必須編制模擬量校準(zhǔn)子程序，對系統(tǒng)的電壓和電流進行校準(zhǔn)。

把過程校準(zhǔn)儀的測量端接到模擬信號的輸出端，通過程序?qū)α泓c和滿量程進行自校。

把過程校準(zhǔn)儀的標(biāo)準(zhǔn)源端接到模擬信號的輸入端，通過程序?qū)α泓c和滿量程進行自校。

以電流檔為例，自校前的被測表的零點和滿量程默認(rèn)值分別為 4.000 mA 和 20.000 mA，校準(zhǔn)值為 4.008 mA，19.996 mA。

則自校前流量為：

3.3實現(xiàn)對氣體質(zhì)量流量控制器的校準(zhǔn)

氣體質(zhì)量流量控制器是在氣體質(zhì)量流量計后端加一個 PID 控制閥的流量控制器，用來實現(xiàn)對氣體質(zhì)量流量的控制。一般氣體質(zhì)量流量計采用模擬信號與上位機通信。

由于氣體質(zhì)量流量控制器的控制閥通常是 NC 常閉閥，所以其校準(zhǔn)工作不同于氣體質(zhì)量流量計，不僅要通電和測量模擬量，還需要輸入特定模擬量使其開閥。這成為氣體質(zhì)量流量控制器校準(zhǔn)工作的***大難點，國內(nèi)測控技術(shù)還沒有特別成熟，在這套系統(tǒng)制成之前，全國各地計量機構(gòu)還不具備校準(zhǔn)這類流量控制器的能力。為了校準(zhǔn)這部分質(zhì)量流量控制器，系統(tǒng)設(shè)置了被測表模擬量輸入端口和模擬量輸出端口，分別為 PLC 的 AIW4 和 AQW0 端口。

校準(zhǔn)前，在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置對話框中應(yīng)選擇質(zhì)量流量計或質(zhì)量控制器。然后按照檢定規(guī)程由被檢表模擬輸出值通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成流量值。該流量值與標(biāo)準(zhǔn)表的顯示值之差即為誤差值。

這樣，就能順利完成氣體質(zhì)量流量計或質(zhì)量流量控制器的校準(zhǔn)工作。

4.結(jié)語

綜上所述，基于 LabVIEW 和 PLC 技術(shù)研制了通用型氣體質(zhì)量流量計數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。使用結(jié)果表明該系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確度高，經(jīng)濟成本較低，開發(fā)周期短，改變了無法校準(zhǔn)氣體質(zhì)量流量計變送器和氣體質(zhì)量流量控制器的現(xiàn)狀，是國內(nèi)首次將流量測控系統(tǒng)應(yīng)用于氣體微小流量標(biāo)定的系統(tǒng)之一。該系統(tǒng)可以完成對氣體質(zhì)量流量計和氣體質(zhì)量流量控制器的校準(zhǔn)工作。