基于PLC和串口通信的壓力儀表自動調試系統設計

任俊杰，李 媛

（北京聯合大學 機器人學院，北京 100101）

0 引言

目前我國儀器儀表產業的發展相對滯后，不僅體現在高精度儀表品類的設計、開發上，也體現在現有儀表的生產、調試自動化產線落后。根據國家計量檢定規程，所有儀器儀表在出廠前需進行檢定，確認是否合格；在使用一段時間后，也需要進行再檢驗。現階段壓力儀表種類較多，卻沒有專用的和通用的調試設備，因此，儀表的出廠調試大都采用人工方法進行[1]。人工調試存在著諸多問題：

1）檢定人員必須要具有熟練技能，而培養一個合格的檢測人員周期較長；

2）人工調試一臺儀表需要較長時間，效率低，調表工人在調試某一塊壓力表時需在其量程范圍內選擇多個測量點進行測量，比如直接使用Fluke PPC4E壓力控制器/校準器進行調試時，調表工人需在測試每一個壓力點時，都要重新設置一次校準器才能繼續進行壓力表的調試工作。當調表工人們調試某些對精度要求較高的精密壓力表時，需要重新設置校準器的次數多達三十多次；

3）人工加壓檢測存在人為誤差[2]

大量的人力和時間耗費在對校準器的設置上，大大降低了儀表檢定工作的效率[3]。因此，能根據調表工人實際需求，自動對壓力控制器/校準器進行設置以實現對壓力儀表的自動檢定調試是現實需要。

本系統以S7-1200作為控制器，通過串口通信方式進行PLC控制器和壓力控制器間的數據交換，編程實現對壓力儀表的自動調試。

1 系統總體方案設計

1.1 系統組成結構

整個系統主要包括氣源系統、壓力控制器、中央控制器和調表工操作系統（觸摸屏），如圖1所示。氣源系統主要為待調壓力表提供一個比量程壓力稍高的基本穩定的壓力測試環境，可以是高壓氮氣瓶，也可以是壓縮氣源。壓力控制器負責精確、快速地把氣源壓力穩定到定點測試壓力值上。中央控制器采用S7-1200，作用是對壓力表定點調試過程進行控制，以串口通信的方式采集壓力控制器的壓力數據，并把壓力的測試給定點值發送給壓力控制器。通過升壓和降壓兩個循環，在各檢定點對壓力表進行測試，并給出測試結果[4]。觸摸屏通過以太網方式與中央控制器交換數據，調表工可以通過觸摸屏了解調試過程的壓力數據，并對調表過程進行設置操作。

圖1 壓力儀表定點自動調試系統組成

1.2 系統功能

表1所示為壓力儀表需要自動檢測的項目匯總，根據自動檢測項目要求，進行了系統功能設計。系統功能包括產品選擇、量程選擇、準確度等級選擇、手/自動調試、測漏功能，如圖2所示。

表1 壓力儀表自動檢測項目

圖2 壓力儀表定點自動調試系統功能

1）產品選擇功能

被測壓力儀表分為一般壓力表、精密壓力表、數字壓力表以及壓力變送器，可以在觸摸屏上實現對這四個種類的選擇。

2）量程選擇功能

可以根據壓力表產品的不同分度等級通過觸摸屏進行選擇，如0～1.6MPa，0～2.5MPa，0～4MPa等。

3）準確度等級選擇功能

不同種類壓力表對應不同的可選擇的精確度，操作人員可根據實際情況選擇相應的精確度。

4）調試功能

可以根據壓力表的量程選擇不低于10個壓力值的測量點（包括正向升壓和反向降壓），升壓后到一個測量點停止，手動確認后繼續升壓，也可提前設定好停留時間，如20s，到時間后自動升壓。升到最大壓力點后停止保持靜壓，壓力降低過程也是同理。壓力測量點的多少可以根據被調儀表要求進行設置，操作者可以設置各個測量點的間隔時間。設置之后，調試過程可以自動完成。

5）測漏功能

在校準器施加壓力后，壓力值在規定時間達不到給定值或達到給定后系統壓力又降低，將產生報警信息，提示儀表或連接部位有泄漏的地方。

2 系統硬件配置

壓力控制器選用福祿克公司的PPC4E壓力控制器，可以進行密閉容器中氣體壓力的精確設置和控制，用于壓力儀表校準和測試。PPC4E可以由操作員使用前面板顯示屏、鍵盤和功能鍵進行本地人工控制，也可以通過串口RS232的ASCII字符命令字符串由計算機進行遠程自動控制。本文中的PPC4E壓力控制器是通過串口通信方式由PLC來進行控制的。

PLC控制系統硬件全部選用的是西門子公司的模塊，包括中央控制器S7-1200、RS232通信模塊、電源模塊和9寸觸摸屏，模塊信息如表2所示。

表2 PLC控制系統硬件列表

3 系統軟件設計

采用博途軟件分別進行了PLC程序和觸摸屏操作監控系統的設計。控制器程序是根據壓力儀表自動調試系統的功能要求編寫，實現壓力定點的自動給定調試功能；觸摸屏操作監控功能軟件為調表工提供直觀方便的人機接口。

3.1 PLC程序設計

程序總體流程如圖3所示。系統運行開始首先要進行壓力表產品、量程和精確度等級的選擇。之后選擇調試方式，可以自動也可以手動方式進行調試，并可設置各測點的時間間隔。設置完成后開始調試，PLC通過RC232串口通信將壓力測點設定值發送給壓力控制器，通過串口通信，PLC接收壓力控制器設備實際氣壓后判斷是否達到測點設定值。按照設定測試時間和順序，依次升壓或減壓到相應的測點，完成壓力儀表的所有檢測項目。

圖3 程序總體流程

PLC程序采用梯形圖語言編寫，包括主程序和串口通信功能塊程序。

1）主程序（OB1）

主程序實現產品、量程、精確度等級的選擇設置、手自動調試選擇、測點時間的設置、測漏功能等，并分別調用串口通信功能塊RS232_target（FC5）和PRR（FC7），與壓力控制器交換數據。通信功能塊的調用如圖4所示。

圖4 串口通信功能塊在主程序中的調用

2）串口通信程序

RS232_target(FC5)的功能是實現PLC將壓力設定值發送給壓力控制器。按照PPC4E壓力控制器的串口協議，首先把目標測點氣壓值轉換為字符串格式存儲起來，并將里面的空格全部刪除，再將刪除空格后的數據保存起來，然后啟動接收信息，發送緩沖區，并判斷數據是否發送成功。RS232_target(FC5)塊主要程序如圖5所示。

圖5 RS232_target(FC5)功能塊程序

PRR（FC7）的功能是PLC通過RC232串口通信接收到設備實際氣壓后，判斷是否達到設定值。主要程序如圖6所示。

圖6 PRR（FC7）功能塊程序

3.2 觸摸屏操作監控系統設計

觸摸屏操作監控系統采用博途軟件中的WinCC組態軟件設計，主要包括手/自動調試選擇、產品選擇、量程選擇、準確度等級選擇、測點時間設置、調試等功能界面，通過以太網通信將組態好的監控界面下載到TP900 Comfort觸摸屏中。運行系統則可以對壓力儀表進行選擇設置和自動調試，操作監控畫面如圖7所示。

圖7 觸摸屏監控操作界面

自動調試方式下可以進行產品選擇、產品選擇、準確度等級選擇、量程選擇后，進行測點時間設定，可以采用默認方式（程序內置時間）或非默認方式（觸摸屏上手動設置時間），然后開始自動檢測調試。

手動調試方式下可以進行檢測點手動設定，設置完成后開始進行檢測調試。

檢測調試畫面中會顯示當前測點值，并給出產生的氣壓是否達到測點值指示。測試結束會還給出合格或不合格的結論，以及有無泄漏。

4 系統測試

系統設計完成后，針對幾種壓力表，對搭建好的系統進行了反復大量的測試，不斷完善程序，最終實現了系統功能要求。最后進行了樣機制作，樣機如圖8所示，圖9為樣機內部結構。目前，該系統已經應用于實際壓力儀表的自動調試中。

圖8 樣機原型

圖9 樣機內部結構

5 結語

本系統以S7-1200 PLC為核心控制器，設計實現了壓力范圍0～6MPa、調壓介質是壓縮空氣的壓力儀表自動調試系統。采用串口通信方式實現了核心控制器和壓力控制器間的數據交換，系統兼容性強，可以滿足多種壓力儀表產品調校、檢驗需求。系統操作設置簡單、自動化程度較高，有效提高了壓力儀表產品的生產調試效率。