基于PLC在氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的軟硬件組態(tài)及各控制系統(tǒng)設(shè)置

引言

氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置是檢測(cè)氣體流量儀表的必備計(jì)量測(cè)試設(shè)備。由于音速文丘利噴嘴具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、性能穩(wěn)定、重復(fù)性好、精度高等優(yōu)點(diǎn),被作為氣體流量傳遞標(biāo)準(zhǔn),在國內(nèi)外得到廣泛的應(yīng)用。在一些裝置中，數(shù)據(jù)采集和控制功能一般由工控機(jī),光電隔離卡塊, 頻率輸人卡塊, 開關(guān)量卡塊,信號(hào)調(diào)理模塊等組成的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)完成。而上海工業(yè)自動(dòng)化儀表研究所采取的數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)是由西門子公司提供的S7系列PLC組成。

1 氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的基本原理和控制要求

1.1基本結(jié)構(gòu)

圖1 氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置基本結(jié)構(gòu)圖

基本結(jié)構(gòu)組成如圖1所示，從圖1可知基于文丘里噴嘴的氣體標(biāo)準(zhǔn)裝置主要由檢測(cè)和控制兩部分組成。其中檢測(cè)部分由被檢表，文丘里噴嘴，真空泵，匯流罐，緩沖罐，溫度變送器，壓力變送器，試驗(yàn)管道，氣動(dòng)閥等組成。控制部分的實(shí)現(xiàn)主要是由西門子公司生產(chǎn)的S7-300,PC機(jī)，PROFIBUS-DP總線，RS-232,RS485總線等組成。

1.2 工作過程

裝置開始工作時(shí),打開真空泵，同時(shí)操作員在上位機(jī)中輸入要測(cè)量的被檢表流量值，此時(shí)PLC根據(jù)輸入測(cè)量值自動(dòng)打開相應(yīng)的噴嘴開關(guān)閥。然后真空泵將空氣由被檢表的上游直管段入口吸入, 流過測(cè)試管段和被檢流量計(jì), 進(jìn)入儲(chǔ)氣罐, 流經(jīng)一定組合的臨界流文丘里噴嘴后, 進(jìn)入緩沖罐。當(dāng)氣體裝置進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)后且噴嘴前后壓力達(dá)到臨界壓比時(shí)，開始采集數(shù)據(jù)并記錄在CPU里。在測(cè)試結(jié)束時(shí)計(jì)算出標(biāo)準(zhǔn)的累積流量，并與采集到的被檢流量計(jì)的指示值進(jìn)行比較和計(jì)算, 即可得到被檢流量計(jì)的測(cè)量精度。

2 計(jì)算機(jī)采集系統(tǒng)和PLC系統(tǒng)的比較

在很多氣體標(biāo)準(zhǔn)裝置中，尤其是在*十年代，數(shù)據(jù)采集和控制部分是利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)來完成的，但是隨著這幾年P(guān)LC在各個(gè)領(lǐng)域的大量應(yīng)用，他的優(yōu)勢(shì)越來越多地得到體現(xiàn)。在此套設(shè)備中，他的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在如下幾方面：

（1）硬件部分模塊化。在一套氣體標(biāo)準(zhǔn)裝置中，由于涉及的點(diǎn)數(shù)比較多而且參數(shù)變量輸入信號(hào)不定，所以計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)必須配備光電隔離卡塊, 頻率輸人卡塊, 開關(guān)量卡塊, 高分辨率圖象卡塊,信號(hào)調(diào)理模塊及端子等大量的比較瑣碎的器件，如果點(diǎn)數(shù)越多，所需要的器件越多。而PLC有較多的，適應(yīng)各種控制要求的功能模塊可供選擇,如果要實(shí)現(xiàn)一種功能只需插入一塊模塊即可。因此在現(xiàn)場(chǎng)工作可靠性與通用性方面，PLC為更好的選擇。

（2）程序清晰明了且易上手。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)編程需要專業(yè)人員的大量編程才能實(shí)現(xiàn)一些功能且程序不易修改。而PLC由專門的編程軟件供使用，他結(jié)構(gòu)化的編程語言，友好的編程環(huán)境讓人可以在最短的時(shí)間內(nèi)完成比較繁瑣的任務(wù)編程且可以很容易的修改程序，特別便于上手，同時(shí)由于內(nèi)部采用了循環(huán)掃描的工作方式，程序可靠性高。

（3）調(diào)試和模擬性強(qiáng)。由于PLC自帶有模擬軟件和組態(tài)軟件WINCC，且模塊的輸出與輸入接口都帶有顯示燈，這樣就可以在設(shè)備安裝前進(jìn)行可靠的模擬試驗(yàn)，可以避免由于程序的問題而導(dǎo)致設(shè)備受損。這一點(diǎn)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)所沒法比擬的。

（4）現(xiàn)場(chǎng)總線的使用。由于本系統(tǒng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)要求實(shí)時(shí)性較高，再加上現(xiàn)場(chǎng)需要采集的數(shù)據(jù)較多，所以如果采用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的話就會(huì)出現(xiàn)比較繁瑣的布線和不統(tǒng)一。而采用PLC系統(tǒng)支持的PROFIBUS總線，效果就不一樣了。PROFIBUS總線可以把所有的采集變送器連接起來，使數(shù)據(jù)的采集更加及時(shí)，準(zhǔn)確，結(jié)構(gòu)名了和容易控制。

（5）擴(kuò)展能力強(qiáng)。PLC的硬件部分是由幾部分模塊組成的，如果要實(shí)現(xiàn)什么其他的功能只需增加模塊即可方便的擴(kuò)展。而計(jì)算機(jī)系統(tǒng)在擴(kuò)展中可能要增加很多元器件，甚至是變動(dòng)系統(tǒng)的整體。從這點(diǎn)看PLC更有利于擴(kuò)展。

（6）標(biāo)準(zhǔn)化強(qiáng)且維修方便。PLC的軟件和硬件部分都已標(biāo)準(zhǔn)化，不同的人可以在其他人做的基礎(chǔ)上進(jìn)行改動(dòng)和擴(kuò)展。這樣就給未來的擴(kuò)展和損壞后維修帶來極大的方便。而計(jì)算機(jī)系統(tǒng)各部分硬件電路的設(shè)計(jì)和軟件的編程實(shí)現(xiàn)可以多樣化，對(duì)以后的維修和擴(kuò)展造成一定的影響。

3 控制功能的實(shí)現(xiàn)

3.1 數(shù)據(jù)采集和處理功能實(shí)現(xiàn)

數(shù)據(jù)的采集包括數(shù)字量和模擬量的采集。當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)定的臨界流狀態(tài)時(shí)，便可以通過控制PLC系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集。在氣體標(biāo)準(zhǔn)裝置中數(shù)據(jù)主要分三路采集，其中一路是對(duì)儲(chǔ)氣罐和被檢表的壓力和溫度的模擬量測(cè)量，這路數(shù)據(jù)要求實(shí)時(shí)性和精度比較高，所以采用PROFIBUS-DP總線和現(xiàn)場(chǎng)的溫度，壓力變送器進(jìn)行數(shù)據(jù)的直接傳輸，這樣就可以保證數(shù)據(jù)的精度和實(shí)時(shí)性。

另一路模擬量數(shù)據(jù)是緩沖罐中的壓力和被測(cè)表的表值，這組數(shù)據(jù)要求精度不是很高，所以可以通過PLC的模擬量輸入模塊AI來進(jìn)行采集和轉(zhuǎn)換。第三路數(shù)據(jù)則是各個(gè)開關(guān)量數(shù)字量信號(hào)，這路信號(hào)主要是通過PLC的數(shù)字輸入模塊DI進(jìn)行采集，通過信號(hào)的采集反饋可以知道各路開關(guān)的開關(guān)狀況。

當(dāng)所有數(shù)據(jù)都通過變送器采集到PLC的CPU中，CPU會(huì)根據(jù)程序已經(jīng)編輯好的公式

進(jìn)行累積流量計(jì)算，并將結(jié)果和被檢表的顯示值進(jìn)行比較。

3.2 各控制開關(guān)的實(shí)現(xiàn)

在此設(shè)備中，數(shù)字量控制開關(guān)主要是控制噴嘴的氣動(dòng)閥，真空泵和被測(cè)表的開關(guān)閥。在氣體標(biāo)準(zhǔn)裝置中，有數(shù)個(gè)文丘里噴嘴，他們的流量是根據(jù)整套裝置流量大小來設(shè)計(jì)的，且各個(gè)噴嘴的流量都不相同。在檢測(cè)中，當(dāng)操作員輸入一個(gè)要檢測(cè)的流量參數(shù)時(shí)，PLC會(huì)根據(jù)噴嘴流量自動(dòng)組織一組噴嘴進(jìn)行檢測(cè)被檢表，這時(shí)CPU便會(huì)通過數(shù)字量輸出模塊控制應(yīng)該打開噴嘴的開關(guān)閥。

而真空泵和被測(cè)表的氣動(dòng)閥開關(guān)則在測(cè)量準(zhǔn)備階段就由PLC控制數(shù)字量輸出模塊打開。

3.3 臨界壓力比的PID控制實(shí)現(xiàn)

根據(jù)音速文丘里噴嘴的性質(zhì)，他最大的特點(diǎn)就是當(dāng)噴嘴前后的壓力比P2/P1達(dá)到一定比例時(shí)，流過噴嘴的氣體流量將會(huì)保持不便。此套氣體標(biāo)準(zhǔn)裝置也就是利用這一原理而生成，所以保證氣體前后的壓力比在臨界流非常重要。在此套裝置中，由壓力變送器，變頻器，真空泵和PLC構(gòu)成的PID控制系統(tǒng)能準(zhǔn)確的控制裝置的運(yùn)行處于臨界流狀態(tài)。在測(cè)量過程中，CPU隨時(shí)對(duì)采集到的噴嘴前后壓力P1,P2進(jìn)行比較，當(dāng)P2/P1滿足臨界流時(shí)，則真空泵保持現(xiàn)狀，一旦臨界流開始小于某一設(shè)定值，則通過模擬量輸出模塊輸出適當(dāng)?shù)?a href="http://www.ttokpm.com/tags/電流/" target="_blank">電流信號(hào)以驅(qū)動(dòng)變頻器進(jìn)行對(duì)真空泵動(dòng)作，以保證裝置在測(cè)量過程中始終處于臨界流狀態(tài)。

3.4 通訊的實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)主要的通訊分為幾塊，一塊為上位機(jī)和PLC的連接，他們的連接通過PROFIBUS總線連接，同時(shí)要在上位機(jī)中安裝CP5621卡，并且之間遵循的是MPI協(xié)議。另一塊是PLC與現(xiàn)場(chǎng)變送器的連接，現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)變送器一路通過PLC的模擬量模塊輸入，另一部分通過PROFIBUS總線和DP-LINK模塊直接進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，他們遵循的是PROFIBUS-DP協(xié)議。

4 PLC軟件部分的實(shí)現(xiàn)

4.1 氣體標(biāo)準(zhǔn)裝置要實(shí)現(xiàn)的基本功能

PLC軟件主要是按照系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的功能進(jìn)行合理有效的編程，同時(shí)在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)進(jìn)行上位機(jī)監(jiān)視和管理。

4.2 PLC內(nèi)部運(yùn)行和用戶程序的框圖

只有PLC內(nèi)部CPU和用戶程序正常有序準(zhǔn)確的運(yùn)行才能保證整個(gè)測(cè)量的正常完成。PLC采用的是一種不斷循環(huán)的順序掃描工作方式。CPU在完成上電的基本系統(tǒng)程序后就開始按順序逐條地執(zhí)行用戶程序直到用戶程序結(jié)束，然后返回第一條指令，開始新一輪的掃描。圖4圖5分別為PLC的運(yùn)行框圖和用戶程序控制流程圖。用戶程序是由許多程序功能塊來實(shí)現(xiàn)的，程序功能塊包括模擬量數(shù)據(jù)采集的功能塊，數(shù)字量采集功能塊，數(shù)據(jù)處理功能塊，中斷處理功能塊，PID反饋控制功能塊等。編程時(shí)只要把這些功能塊按氣體標(biāo)準(zhǔn)裝置的控制要求合理地添加在主程序中即可。

圖4 PLC運(yùn)行流程圖 圖5 應(yīng)用程序流程圖

4.3 監(jiān)控軟件的實(shí)現(xiàn)

監(jiān)控軟件的使用不僅使用戶可以方便生動(dòng)的看到整個(gè)檢測(cè)裝置在檢測(cè)過程中的動(dòng)態(tài)情況，而且可以在操作上也大大方便了操作者。本文所使用的是力控監(jiān)控軟件和STEP7編程軟件的有效結(jié)合。通過他們的結(jié)合使用，組成了用戶的人機(jī)友好監(jiān)控系統(tǒng)。

5 結(jié)束語

PLC在基于文丘里的氣體標(biāo)準(zhǔn)裝置中的應(yīng)用對(duì)這種裝置的未來發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。而且經(jīng)過上海工業(yè)自動(dòng)化儀表研究所成品的不斷驗(yàn)證，他的可靠性，重復(fù)性非常高，具有推廣的意義。