基于plc的流量計量的應(yīng)用

1 引言

　　目前，plc(可編程邏輯控制器)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機(jī)械制造、汽車、輕紡、交通運(yùn)輸、環(huán)保及文化娛樂等各個行業(yè)。它具有高可靠性、抗干擾能力強(qiáng)、功能強(qiáng)大、靈活、易學(xué)易用、體積小、重量輕、價格便宜的特點(diǎn)，在流量計量方面也有著廣泛的用途，在用于流量累積時又有其編程的獨(dú)特之處。下面進(jìn)行詳細(xì)的分析和論述，包括在西門子s7-200 cpu上編程的例子。

　　2 使用plc顯示流量和計算累積量

　　流量計輸出的信號一般是脈沖信號或4-20ma電流信號，這兩種信號輸出的都是瞬時流量(也有用繼電器輸出累積量信號，原理一樣，不再贅述)，我們的目的是在plc中計算和顯示瞬時流量值和計算累積量值，當(dāng)輸入信號是脈沖信號時，在計算瞬時流量的時候，必須按照嚴(yán)格的時間間隔計算才能保證瞬時流量的準(zhǔn)確性。因此，計算瞬時流量的時候必須用定時中斷來進(jìn)行，而且，在plc系統(tǒng)中只能運(yùn)行這一個中斷程序，不允許再產(chǎn)生其它中斷(即使是低優(yōu)先級的中斷也不允許運(yùn)行)，以防止干擾定時中斷的時間間隔的準(zhǔn)確性，計算瞬時流量就是將這個時間段的累計脈沖個數(shù)換算成累計流量，再除以時間就是瞬時流量。對于4-20ma輸入只需按照其對應(yīng)的量程進(jìn)行換算就可以直接得到瞬時流量，而累積流量就是將每個時間段內(nèi)的累積流量累加起來，在實(shí)際使用plc編程的過程中必須注意以下幾個問題：

　　(1) 輸入脈沖頻率范圍是否超出plc的接收范圍;

　　(2) plc高速計數(shù)器在達(dá)到最大計數(shù)值時如何保證計算正確;

　　(3) 如何保證定時中斷不受干擾;

　　(4) 如何避免計算累積量的誤差;

　　(5) 累積量的最大累積位數(shù);

　　(6) 如何復(fù)位累積量。

　　下面就最關(guān)鍵的2、4、6問題進(jìn)行詳細(xì)的敘述，以西門子s7-200 cpu224為例，s7-200的cpu224具有6個單相最大30khz的高速計數(shù)器，但plc內(nèi)部沒有提供相應(yīng)的算法來計算頻率，需要使用者自行編程計算，這就需要在plc高速計數(shù)器在達(dá)到最大計數(shù)值時要保證計算的正確性。實(shí)際編程時，對高速計數(shù)器初始化以后就使之連續(xù)計數(shù)，不再對其進(jìn)行任何干預(yù)，其高速計數(shù)器的初始化程序如圖1所示(此段程序應(yīng)放到plc第一個掃描周期執(zhí)行的程序中執(zhí)行)。

　　圖1 高速計數(shù)器的初始化程序
對于高速計數(shù)器是否達(dá)到最大計數(shù)值時需要判斷，s7-200cpu的高速計數(shù)器是可以周而復(fù)始地進(jìn)行累計的，最高位為符號位，最小值為7fffffff。由于計數(shù)器是一直累加的，不可能出現(xiàn)本次讀取的計數(shù)值小于上次計數(shù)值的情況，因此判斷計數(shù)器當(dāng)前值是否小于前一次的計數(shù)值，就可以判斷計數(shù)是否達(dá)到最大值的拐點(diǎn)(7fffffff)，如果達(dá)到，則執(zhí)行特殊的計算以便消除計算錯誤，程序如圖2所示(此程序應(yīng)放在定時中斷子程序中執(zhí)行)。

　　當(dāng)當(dāng)前計數(shù)值大于等于上次計數(shù)值時，兩個計數(shù)值做差，就得到程序兩次掃描時間間隔內(nèi)的計數(shù)差值，同時將當(dāng)前計數(shù)值賦值到上次計數(shù)值上;當(dāng)當(dāng)前計數(shù)值小于上次計數(shù)值時，計算上次計數(shù)值與7fffffff之間的差值(用減法)，以及當(dāng)前計數(shù)值和7fffffff之間的差值(用加法)，然后將兩個結(jié)果相加就是程序兩次掃描時間間隔內(nèi)的計數(shù)差值，從而實(shí)現(xiàn)對累計計數(shù)值達(dá)到拐點(diǎn)時的正確計算。

　　圖2 消除計算錯誤程序

　　實(shí)際上，在現(xiàn)場應(yīng)用中定時中斷子程序是采用250ms中斷一次執(zhí)行的，使用smb34進(jìn)行控制的。需要注意的是，系統(tǒng)中必須只保證這個中斷是唯一存在的，不會受到其他中斷的影響，否則可能會因其它中斷的影響使周期性中斷不準(zhǔn)時，從而影響精度。

　　通過以上計算就得到了250ms內(nèi)流量計發(fā)過來的脈沖個數(shù)，這個數(shù)值乘以脈沖當(dāng)量就是250ms內(nèi)的流量值，再除以時間就是瞬時流量。另外，在250ms內(nèi)再執(zhí)行累加程序就可以計算累積流量了。在計算累積流量過程中需要避免累積過程的計算誤差，我們知道，流量累積量是一直累積的一個數(shù)值，一般會累積到8位數(shù)，而plc內(nèi)部浮點(diǎn)數(shù)的有效位數(shù)是6位，當(dāng)累積量數(shù)值很大的時候就會造成一個大數(shù)和一個小數(shù)相加，勢必導(dǎo)致小數(shù)的有效位數(shù)丟失，造成很大的累積誤差，因此，要避免大數(shù)和小數(shù)相加的情況出現(xiàn)。解決方法是采用多個流量累積器，只允許同數(shù)量級的數(shù)值相加，從而避免數(shù)值有效位數(shù)損失，實(shí)際編程中采用了5個累積器，根據(jù)常用流量情況下，在周期中斷時間間隔(250ms)內(nèi)流過的流量乘以15作為第一個累積器的上限，當(dāng)達(dá)到這個累積器的上限值后，將這個累積器的值累加到第2個累積器中，并把第一個累積器清零，對于第三個累積器也同樣處理，第4個累積器用于保存累積量小數(shù)部分?jǐn)?shù)值，第5個累積器用于保存累積量整數(shù)部分?jǐn)?shù)值，這樣在顯示總累積量時只需顯示整數(shù)部分和小數(shù)部分就可以了，整個過程充分避免了累積過程中大數(shù)與小數(shù)相加的情況出現(xiàn)。在實(shí)際工程中，需根據(jù)流量的大小、周期中斷的時間間隔來確定所用累積器的個數(shù)，而累積器的整數(shù)部分用雙整數(shù)來表示，雙整數(shù)的范圍是-2,147,483,648到+2,147,483,647，可以使累積器的整數(shù)位數(shù)達(dá)到9位。這樣，在顯示累積量時就可以最多顯示9位整數(shù)的累積量和6位小數(shù)的累積量，總計15位，從而省略累積器倍乘系數(shù)，使讀數(shù)更簡便。

　　對累積器需要在一定條件下復(fù)位，累積到最大數(shù)值或手動復(fù)位，在中斷程序中判斷累積量是否達(dá)到或超過最大位數(shù)，當(dāng)超過最大數(shù)值時，將各個累積器清零，清零的觸發(fā)信號也可以是手動觸發(fā)。

　　3 結(jié)束語

　　本文列出了在plc中計算和顯示瞬時流量和計算累積量時可能遇到的問題，并以西門子s7-200 cpu 224系列探討了解決辦法，值得進(jìn)行該工作的工程人員借鑒。