基于組態王的潛水推流式攪拌機性能測試系統設計與開發

吳明飛 程智明 董 亮 劉厚林 朱建成 吳 侃

（1.上海海越賽爾自動化科技有限公司；2.江蘇大學流體機械工程技術研究中心）

潛水推流式攪拌機是一種綜合性、 多學科、技術涵蓋面廣、技術含量較高的污水處理專用設備，主要被用于使污水均質化，產生懸浮液流和保持介質水平流動的一般工業化過程中。 潛水推流式攪拌機長期工作于工況惡劣的污水環境，通過攪拌、混合和推流，使泥水混合液的污泥獲得不沉淀、不積淤的最佳流場和流速，因此對整機的各項性能指標有較高的要求［1］。在工程應用中，其性能指標主要由整體流速、推力、電壓、電流以及效率等參數體現［2～4］。

20 世紀70 年代后期，德國ITT 公司推出了世界首款潛水攪拌機，隨后丹麥格蘭富、瑞士蘇爾壽等企業相繼開始了潛水推流式攪拌機的研發。 我國早期都是從國外進口潛水推流式攪拌機，直到20 世紀90 年代中期，開始仿制國外產品和消化國外技術，由于零部件材料的選用、制造及熱處理等方面的技術與國外仍存在差距，設備普遍存在壽命短、 故障率高及能耗高等問題［5］。 近年來，在國家對環保產業的重視和大力支持下，各企業進行了創新性研發，經過反復的驗證，潛水推流式攪拌機性能得到了明顯提升，同時隨著GB/T 33566—2017 《潛水推流式攪拌機》國家標準的正式發布，為設備的可靠性、壽命和能效提供了基礎保證。 然而，目前國內針對潛水推流式攪拌機性能測試的系統較少， 且市面上存在的測試系統其測量精度低、 實時性和可靠性較差，很多還是傳統的半自動化形式，測位分散，全部測量信號沒有綜合管理，人機界面交互性差，對于數據的監測與分析較為單一，不能全面準確地反映產品的綜合性能、 優劣等級等［6］。

綜上所述， 筆者采用組態王KingView 6.55軟件作為上位機，將數據采集集成化，數據處理、存儲、顯示模塊化，開發了一套可視化程度好、抗干擾性能強、人機交互性能好、易操作的潛水推流式攪拌機性能測試系統。

1 系統概述

基于潛水推流式攪拌機所開發的性能測試系統將傳統的測試技術與可編程邏輯控制器技術相結合， 并實現組態軟件和PLC 的數據通信。系統可通過組態軟件實時顯示、監測、采集產品運行時的測試數據， 包括運行的電壓、 電流、功率、推力、流速及流量等指標，并將采集的數據自動生成性能曲線。 通過曲線能夠直觀地反映出攪拌器的各項性能。 此外，系統還提供了用戶管理、生成產品測試報告及查詢歷史報告等功能，方便產品設計人員對產品的運行工況進行分析與優化［7］。

本測試系統的主要特點是：

a. 開發成本較低，測試精度高、開放性和拓展性好，自動化程度高，交互性能好，維護與更新換代方便等；

b. 所開發的系統環境是基于組態軟件和PLC 的軟件平臺，充分了發揮組態軟件的交互優勢， 實現對運行產品的自動控制和遠程監控，簡化產品試驗的運行流程和操作，從而大幅提高運行測試環境的工作效率和穩定性。

2 系統總體設計

2.1 設計原則

可靠性原則：保證系統測試過程中，在不同工況和環境下運行時受外界干擾影響小，能夠滿足重要場合的可靠性要求。

易維護原則： 設計時考慮系統易學易用，對操作人員專業要求低，系統維護方便，可保證其連續運行。

經濟性原則：在滿足功能的前提下，系統設計過程中應避免復雜的方案，選擇的硬件設備具有普遍通用性，以控制成本。

可擴展原則：系統設計時考慮到后期可能增加功能，提高系統整體性能，應預留多余接口［8］。

2.2 系統結構

所開發的潛水推流式攪拌器性能測試系統主要由電氣控制設備、信號采集設備和系統監控軟件3 部分組成。 各傳感器測得的原始數據，通過數據采集模塊轉換后傳輸至西門子PLC，并由RS232 串口通信協議將數據傳輸至上位機， 通過組態監控界面實時顯示數據；通過監控界面可以對PLC 發出變頻控制指令，經過通信模塊后由變頻器控制推流器電機實現調速；當推流器葉輪在遇到堵轉等故障情況時，由PLC 給出指令實現報警功能［9］。 所設計的潛水推流式攪拌機性能測試系統整體結構如圖1 所示。

圖1 測試系統結構框圖

3 系統硬件設計

由系統結構可知，所開發測試系統的硬件設計主要包含測試軟件終端PC 機、 數據采集及轉換模塊、電氣控制模塊3 部分組成。

3.1 測試軟件終端PC 機

系統硬件部分采用了研江科技YJPPC-150嵌入式工業一體機作為處理終端，該一體機支持Windows10 操 作 系 統，CPU 為Inter I5 四 代 處 理器， 其運行內存容量為4GB DDR3， 存儲容量為128GB SSD，配備了RS485、RS232 串行接口、RJ-45 網卡接口和WiFi 無線網絡模塊， 利用RS485和TCP 通信協議實現數據采集的通信功能，同時WiFi 模塊為系統連接互聯網，實現系統遠程監控提供了硬件條件［10］。

3.2 數據采集及轉換模塊

數據采集傳感器采用了輸出電流為4～20mA標準信號的傳感器。 數據采集模塊采用格控科技TCP-508N， 該模塊提供了8 個AI 模擬量輸入通道，4 個AO 模擬量輸出通道，8 個DI 數字開關量輸入通道，8 個DO 繼電器輸出通道， 包含RS232、RS485 接口，支持TCP、UDP 協議。

3.3 電氣控制模塊

電氣控制模塊由空氣開關、熔斷器、斷路器、互感器和額定功率為7.5kW 的變頻控制柜組成。通過電氣控制模塊實現對推流器電機的啟動、停止和調速控制。

4 基于OPC 協議的數據通信

采用OPC 技術能使組態王軟件與PLC 之間建立實時通信，快速實現兩者間的數據交換。 由于串行通信的傳輸速率低、傳輸距離短、抗干擾性能差， 而基于OPC 技術的數據傳輸方式采用OPC Client/OPC Server 架構模式， 客戶端訪問服務器端實現了實時數據的獲取，在使用過程中用戶不需要了解系統內核與雙方的通信協議。 通常OPC Server 軟件由硬件開發商提供，OPC Server應用人員不需要編寫底層的硬件驅動程序，通過OPC Client 即可實現與硬件的通信， 實現數據的透明使用［11］。

5 基于組態王的系統測試軟件設計

5.1 系統軟件的特點

5.1.1 PLC 程序的特點

PLC 是可編程邏輯控制器的簡稱，其本質是一種專門用于工業控制的計算機，其硬件結構一般與微機相連，它是由電源、輸入輸出接口電路（I/O 模塊）、存儲器及中央處理單元（CPU）等組成［12］。 相比于以往的繼電器技術，PLC 在機械工程方面的應用有著明顯的優勢，首先PLC 技術操作性強，可以支持程序語言互譯管理，使用戶能夠快速地把握語言結構；其次PLC 技術抗干擾性強，在工作時有效防御電磁電路的干擾，擁有比較強大的可靠性；PLC 技術還具有設備體積小、能耗低等特點［13，14］。

5.1.2 組態軟件的特點

組態王KingView 6.55 由北京亞控科技發展有限公司開發，保持了早期版本功能強大、運行穩定和使用方便的特點，提供了豐富、簡捷、易用的配置界面、圖形元素、圖庫精靈，集成了歷史曲線、報表和Web 發布功能，同時該軟件還具有很強的功能性和可用性，其主要功能特點如下：

a. 豐富的設備支持功能，支持常見的PLC 設備、智能采集模塊和智能儀表；

b. 可視化操作界面，動畫鏈接、豐富的圖庫以及支持真彩顯示等；

c. 強大的腳本語言處理功能，能夠實現復雜的邏輯操作并進行決策處理；

d. 全新的Web Server 架構，支持發布實時數據、歷史數據和數據庫數據；

e. 強大的分布式報警、時間處理功能，支持實時、歷史數據的分布式保存功能。

5.2 系統測試軟件的主要功能與框架

系統測試軟件的開發基于組態王軟件平臺，其功能分為以下幾部分：

a. 潛水推流式攪拌機性能測試，采集原始數據， 根據理論公式和實際情況進行計算和處理，最終通過組態軟件界面實時顯示性能參數；

b. 變頻調速，根據測試需求，可實時調節推流器電機頻率實現轉速調節；

c. 參數設置， 試驗前設置推流器總體參數，包括產品出廠的基本參數、試驗條件參數、設備運行參數及輸入電量參數等；

d. 測試報表，測試過程中可生成潛水推流式攪拌機性能參數與測試結論；

e. 歷史報表，查詢以往測試數據報表。

所設計的系統測試軟件功能如圖2 所示。

圖2 測試軟件功能框圖

5.3 組態王軟件界面

軟件監控界面的開發基于組態王平臺開發，將上位機作為通信主站， 通過Modbus 通信協議設置完成與PLC 和采集模塊的通信，組態王監控界面設計時主要步驟為：定義數據類型；建立通信協議；設計監控畫面；調試運行。

組態王監控軟件由工程管理器、工程瀏覽器和界面運行系統3 部分組成，工程瀏覽器包含了監控界面的設計、數據詞典的定義和設備通信端口設置，完成調試工作后進入監控界面，進行系統性能測試。

6 性能試驗分析

為了驗證所開發的潛水推流式攪拌機性能測試系統的可靠性和測試精度，采用多普勒流速儀進行比較，以推流速度性能參數進行試驗。 根據GB/T 33566—2017 性能測試要求，選用QJB3/4-1100/2-135/B 型號的潛水推流式攪拌機作為研究對象 （主要參數見表1）， 分別在0.8n0、1.0n0、1.2n0（n0為額定轉速）轉速工況下，軸向距離5m處分別用所設計的性能測試系統和多普勒流速儀測試其推流速度，測試結果如圖3～5 所示。 可以看出， 通過不同轉速工況的流速測試對比，所開發的性能測試系統精度較高，性能優異，極大程度地節約了人力和時間成本。

表1 潛水推流式攪拌機的主要參數

圖3 0.8n0 轉速時測試軸向流速的對比

圖4 1.0n0 轉速時測試軸向流速的對比

圖5 1.2n0 轉速時測試軸向流速的對比

7 結束語

基于組態王所開發的潛水推流式攪拌機性能測試系統具有集成化程度高、 自動化程度高、運行穩定及抗干擾能力強等優點。 同時還具有良好的擴展性，在滿足生產廠家和研究單位對產品性能測試的條件下，可以根據不同的性能試驗要求，對系統進行擴展，最大化地發揮系統優勢，不僅能高質量地完成攪拌產品性能的科學化測定，還可以大幅度提高設計速度、 縮短產品設計周期、提高工作效率、減少試驗成本。