基于PLC在气体流量标准装置的软硬件组态及各控制系统设置

引言

气体流量标准装置是检测气体流量仪表的必备计量测试设备。由于音速文丘利喷嘴具有结构简单、体积小、性能稳定、重复性好、精度高等优点,被作为气体流量传递标准,在国内外得到广泛的应用。在一些装置中，数据采集和控制功能一般由工控机,光电隔离卡块, 频率输人卡块, 开关量卡块,信号调理模块等组成的计算机系统完成。而上海工业自动化仪表研究所采取的数据采集和控制系统是由西门子公司提供的S7系列PLC组成。

1 气体流量标准装置的基本原理和控制要求

1.1基本结构

图1 气体流量标准装置基本结构图

基本结构组成如图1所示，从图1可知基于文丘里喷嘴的气体标准装置主要由检测和控制两部分组成。其中检测部分由被检表，文丘里喷嘴，真空泵，汇流罐，缓冲罐，温度变送器，压力变送器，试验管道，气动阀等组成。控制部分的实现主要是由西门子公司生产的S7-300,PC机，PROFIBUS-DP总线，RS-232,RS485总线等组成。

1.2 工作过程

装置开始工作时,打开真空泵，同时操作员在上位机中输入要测量的被检表流量值，此时PLC根据输入测量值自动打开相应的喷嘴开关阀。然后真空泵将空气由被检表的上游直管段入口吸入, 流过测试管段和被检流量计, 进入储气罐, 流经一定组合的临界流文丘里喷嘴后, 进入缓冲罐。当气体装置进入稳定状态后且喷嘴前后压力达到临界压比时，开始采集数据并记录在CPU里。在测试结束时计算出标准的累积流量，并与采集到的被检流量计的指示值进行比较和计算, 即可得到被检流量计的测量精度。

2 计算机采集系统和PLC系统的比较

在很多气体标准装置中，尤其是在*十年代，数据采集和控制部分是利用计算机系统来完成的，但是随着这几年PLC在各个领域的大量应用，他的优势越来越多地得到体现。在此套设备中，他的优势主要体现在如下几方面：

（1）硬件部分模块化。在一套气体标准装置中，由于涉及的点数比较多而且参数变量输入信号不定，所以计算机控制系统必须配备光电隔离卡块, 频率输人卡块, 开关量卡块, 高分辨率图象卡块,信号调理模块及端子等大量的比较琐碎的器件，如果点数越多，所需要的器件越多。而PLC有较多的，适应各种控制要求的功能模块可供选择,如果要实现一种功能只需插入一块模块即可。因此在现场工作可靠性与通用性方面，PLC为更好的选择。

（2）程序清晰明了且易上手。计算机系统编程需要专业人员的大量编程才能实现一些功能且程序不易修改。而PLC由专门的编程软件供使用，他结构化的编程语言，友好的编程环境让人可以在最短的时间内完成比较繁琐的任务编程且可以很容易的修改程序，特别便于上手，同时由于内部采用了循环扫描的工作方式，程序可靠性高。

（3）调试和模拟性强。由于PLC自带有模拟软件和组态软件WINCC，且模块的输出与输入接口都带有显示灯，这样就可以在设备安装前进行可靠的模拟试验，可以避免由于程序的问题而导致设备受损。这一点是计算机系统所没法比拟的。

（4）现场总线的使用。由于本系统对现场采集的数据要求实时性较高，再加上现场需要采集的数据较多，所以如果采用计算机系统的话就会出现比较繁琐的布线和不统一。而采用PLC系统支持的PROFIBUS总线，效果就不一样了。PROFIBUS总线可以把所有的采集变送器连接起来，使数据的采集更加及时，准确，结构名了和容易控制。

（5）扩展能力强。PLC的硬件部分是由几部分模块组成的，如果要实现什么其他的功能只需增加模块即可方便的扩展。而计算机系统在扩展中可能要增加很多元器件，甚至是变动系统的整体。从这点看PLC更有利于扩展。

（6）标准化强且维修方便。PLC的软件和硬件部分都已标准化，不同的人可以在其他人做的基础上进行改动和扩展。这样就给未来的扩展和损坏后维修带来极大的方便。而计算机系统各部分硬件电路的设计和软件的编程实现可以多样化，对以后的维修和扩展造成一定的影响。

3 控制功能的实现

3.1 数据采集和处理功能实现

数据的采集包括数字量和模拟量的采集。当系统进入稳定的临界流状态时，便可以通过控制PLC系统进行数据的采集。在气体标准装置中数据主要分三路采集，其中一路是对储气罐和被检表的压力和温度的模拟量测量，这路数据要求实时性和精度比较高，所以采用PROFIBUS-DP总线和现场的温度，压力变送器进行数据的直接传输，这样就可以保证数据的精度和实时性。

另一路模拟量数据是缓冲罐中的压力和被测表的表值，这组数据要求精度不是很高，所以可以通过PLC的模拟量输入模块AI来进行采集和转换。第三路数据则是各个开关量数字量信号，这路信号主要是通过PLC的数字输入模块DI进行采集，通过信号的采集反馈可以知道各路开关的开关状况。

当所有数据都通过变送器采集到PLC的CPU中，CPU会根据程序已经编辑好的公式

进行累积流量计算，并将结果和被检表的显示值进行比较。

3.2 各控制开关的实现

在此设备中，数字量控制开关主要是控制喷嘴的气动阀，真空泵和被测表的开关阀。在气体标准装置中，有数个文丘里喷嘴，他们的流量是根据整套装置流量大小来设计的，且各个喷嘴的流量都不相同。在检测中，当操作员输入一个要检测的流量参数时，PLC会根据喷嘴流量自动组织一组喷嘴进行检测被检表，这时CPU便会通过数字量输出模块控制应该打开喷嘴的开关阀。

而真空泵和被测表的气动阀开关则在测量准备阶段就由PLC控制数字量输出模块打开。

3.3 临界压力比的PID控制实现

根据音速文丘里喷嘴的性质，他最大的特点就是当喷嘴前后的压力比P2/P1达到一定比例时，流过喷嘴的气体流量将会保持不便。此套气体标准装置也就是利用这一原理而生成，所以保证气体前后的压力比在临界流非常重要。在此套装置中，由压力变送器，变频器，真空泵和PLC构成的PID控制系统能准确的控制装置的运行处于临界流状态。在测量过程中，CPU随时对采集到的喷嘴前后压力P1,P2进行比较，当P2/P1满足临界流时，则真空泵保持现状，一旦临界流开始小于某一设定值，则通过模拟量输出模块输出适当的电流信号以驱动变频器进行对真空泵动作，以保证装置在测量过程中始终处于临界流状态。

3.4 通讯的实现

本系统主要的通讯分为几块，一块为上位机和PLC的连接，他们的连接通过PROFIBUS总线连接，同时要在上位机中安装CP5621卡，并且之间遵循的是MPI协议。另一块是PLC与现场变送器的连接，现场的数据变送器一路通过PLC的模拟量模块输入，另一部分通过PROFIBUS总线和DP-LINK模块直接进行数据传输，他们遵循的是PROFIBUS-DP协议。

4 PLC软件部分的实现

4.1 气体标准装置要实现的基本功能

PLC软件主要是按照系统要实现的功能进行合理有效的编程，同时在系统运行时进行上位机监视和管理。

4.2 PLC内部运行和用户程序的框图

只有PLC内部CPU和用户程序正常有序准确的运行才能保证整个测量的正常完成。PLC采用的是一种不断循环的顺序扫描工作方式。CPU在完成上电的基本系统程序后就开始按顺序逐条地执行用户程序直到用户程序结束，然后返回第一条指令，开始新一轮的扫描。图4图5分别为PLC的运行框图和用户程序控制流程图。用户程序是由许多程序功能块来实现的，程序功能块包括模拟量数据采集的功能块，数字量采集功能块，数据处理功能块，中断处理功能块，PID反馈控制功能块等。编程时只要把这些功能块按气体标准装置的控制要求合理地添加在主程序中即可。

图4 PLC运行流程图 图5 应用程序流程图

4.3 监控软件的实现

监控软件的使用不仅使用户可以方便生动的看到整个检测装置在检测过程中的动态情况，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监控软件和STEP7编程软件的有效结合。通过他们的结合使用，组成了用户的人机友好监控系统。

5 结束语

PLC在基于文丘里的气体标准装置中的应用对这种装置的未来发展产生深远的影响。而且经过上海工业自动化仪表研究所成品的不断验证，他的可靠性，重复性非常高，具有推广的意义。