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P L O 与D C S PLC an d DCS 自动 化技术 与应 用2 0 1 1年第 3 0卷第 01期 西门子 S 7 - 3 0 0 P L C在气体分段计量中的应用 朱 明清 ，邓 广龙 ，李喜 东 黑龙江省科学院自动化研究所 ， 黑龙江 哈尔滨1 5 0 0 9 0 摘要 本文阐述了在气体分段计量系统中， 如何利用西门子 s 7 3 0 0系列 P L C实现精确数据采集、流量累计、分段处理等过程， 尤其 是针对孔板流量计计量作了详细阐述 ， 对于计量系统的开发和S i e me n s P L C应用技术人员有着重要的指导意义。 关键词 P L C； 分段计量； 孔板流量计 中图分类号 TM5 7 1 ． 6 1 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 3 7 2 4 1 2 0 1 1 0 1 0 0 6 5 0 4 Ap p l i c a t i o n o f Si e me n s S 7 3 0 0 PL C i n Ga s Se g me n t Me t e r i n g Sy s t e m ZHU M i n g - q i n g ， DENG Gu a n g - l o n g ， LI Xi - d o n g A u t o ma t i o n I n s t i t u t e o f H e i l o n g j i a n g A c a d e my , H a r b i n 1 5 0 0 9 0 C h i n a Ab s t r a c t Th i s p a p e r r e f e r s t o h o w t o r e a l i z e a c c u r a t e d a t a a c q u i s i t i on 、 g a s flo w a c c u mu l a t e a n d s e g me n t p r o c e s s wi t h s i e me n s S 7 3 0 0 s e rie s P LC。 Es p e c i a l l y f o c u s o n o r i f i c e flo w me t e r ． I t i s v e r y i mp o r t a n t f o r e n g i n e e r s o f me t e rin g s y s t e m d e v e l o p me n t a n d S i e me n s P LC a p p l i c a t i o n． Ke y wo r d s PL C； s e g m e n t me t e rin g ； o rific e flo w me t e r l 引 吾 S i e me n s S 7 3 0 0 P L C具有 较高 的性 能价格 比， 在 工控行业中具有非常广泛的应用 ， 但在逻辑控制和工艺 过程控制中应用居多， 作为数据处理的核心很少， 即使 在过程控制中略有流量累计的应用 ， 也多因为经验不足 而漏洞较多。经过多年现场实践经验的总结 ， 对于利用 P L C做累计、分段等数据处理方面的应用提供 了有益 的探 讨 。 2 P L C在分段计量 系统 中的应用背 旦 尿 气体分段计量是我们针对气体计量 中的波动性 、 间歇性的特性导致计量 、结算的复杂性而提 出的一套 完整 的能够 满足不 同客户需要 的一 种智能型计量 系 统。基于稳定性、精确性 、可靠性、实用性的考虑， 我 们选用S i e me n s S 7 3 0 0 P LC作为本系统的数据处理 收稿 日期 2 0 0 8 0 1 1 4 核心， 主要完成数据采集、流量累计、分段处理等重要 功能。计量系统是一个涉及数据库、S C ADA、VB A、 PL C、通信等技术的复杂系统， 本文着重讨论其中 P LC 的 应 用 技 术 。 3 P L C系统 的选型 PL C作为计量系统的数据处理核心 ， 在选择上我们 主要考虑采集精度、数据处理速度 、通信能力、扩展能 力 和性 价 比， 最终确定使用 S i e me n s 7 3 0 0 系列 P L C。 ★模块化中型 PLC系统， 满足中、小规模的控制 要求， 性价比高 ★各种性 能的模 块可 以非常 好地 满 足和适 应 自动 化任务 ★简单实用的分布式结构和通用的网络能力 ， 使 得 应用 十分 灵 活 ★无风 扇设计 ， 维护 更加简 便 ★当任务增加时， 可自由扩展 ★大量的集成功能使它功能非常强劲 自 动 化 技 术 与 应 用 2 0 1 1 年 第3 0 卷 第0 1 期 P L C 与D C S PL C a n d DCS 3 ． 1 A l模块的选择 A I 模块用于将输入信号一般是变送器输出的标准 电压、电流、电阻等模拟信号转换为 CP U 内部处理用 的数 字信号 。出于精度 的考虑 ， 我们选择 了 6 E S 7 3 3 l 一 7 NF 0 0 - 0 AB 0模拟量 输入 模块 ， 它具有 1 6 B i t 8 通道 ， 可 以接收 1 ． ． 5 V， ／ 一5 V， ／ 一1 0 V； 0 ． ． 2 0 mA， 4． ． 2 0 mA， ／ 一 2 0 mA多种信号类型， 具有诊断和和在线从 配 置 的功 能 。 模拟量输入模块有两个参数容易混淆 1 模拟量转 换的分辨率 ， 2 模拟量转换的精度 误差 。分辨率是 A／ D模拟量转换芯片的转换精度 ， 即用多少位的数值来表 示模拟量 。尽量 选择 高位的 。模拟量 转换的精度除 了取 决于 A／ D转换的分辨率 ， 还受到转换芯片的外围电路的 影响。在实际应用中， 输入的模拟量信号会有波动、噪 声和干扰， 内部模拟电路也会产生噪声、漂移 ， 这些都 会对转换的最后精度造成影响 。这些 因素造成的误差 要大于 A／ D芯片 的转换误差 ， 因此我们在实 际应用 中要 做好屏蔽、远离大型的变频和马达、科学布线等避免产 生干 扰 。 3 。 2 CP U的选择 C P U是数据处理的核心 ， 它的性能直接影响到整个 计量系统的性能， 7 - 3 0 0系列 P LC具有多种 C P U型号 可供选择 ， 我们综合分析其性能认为选择此系列中档次 较高 3 l 5 - 2 DP比较合适。它具有 2 5 6 KB工作内存 ， 装 载存储器可 自由扩展至最多 8 M B， 处理速度达到 0． 0 5 ms ／ 1 0 0 0 指令 ， 本身集成 MP I D P接口， 其中P r o fi b u s DP可既可以作为 D P ma s t e r 也可 以作为 D P s l a v e ， 本 地可扩展达 3 2个模块， 也可以组成分布式I O系统。具 有路由和 S 7通信功能。多种中断、定时、计数 、数据 计算等丰富的指令和软件功能， 对于灵活处理计量数据 非常有 益 。 3 ． 3 通信处理器的选择 为 了达到高速通信 目的。计量系统 中信息层采用 l O O MB以太网通信， 保证了数据的实时陛， P LC中配备 了 C P 3 4 3 -1 通信模块， 该模块具有工业以太网TC P ／ I P S E N D／ R E C E I V E 和 F E TC H／ WRI T E 接 口， P R O F I N E T I O设备， 2口交换机功能， 支持长数据、S NMP， UDP， TC P， S 7 s e r v e r ， r o u t i n g ， 无编程设备可更换模块， 1 0 ／ 1 0 0 Mb p s自适应， 可 以通过 L AN初始化 ， 支持 I P mu l t i c a s t ， 可以通 过 DHC P ／ F B配置 I P。 同时为 了达 到 扩展 和 兼 容 的 目的 我 们配 备 了 C P 3 4 1 ， 协议为Mo d b u s R TU Ma s [ e r 、S l a v e 可选或同时 具备 。因为 Mo d b u s 是国际通用的现场总线协议 ， 在工 控中具有非常广泛的应用 ， 尤其在智能仪器仪表中。在 计量系统中难免会与现有的智能型流量计、仪表、DC S 或其他系统进行数据交换 ， Mo d b u s 是最简单易行、行 之有效的选择。C P 3 4 1 通信处理器具有 R s 2 3 2 ／ 4 2 2 ／ 4 8 5 等接 口可供选择， 驱动可装载， 编程和配置均方便简洁。 4 孑 L 板流量计计量 4 ． 1 工作原理 气体分段计量系统 中主要针对孔板流量计 ， 因为它 在 工 业生 产 过程 、能 量计 量 、环境 保护 工程 、交通运 输、生物技术、科学实验和海洋气象等诸多领域有着极 其广 泛 的应用 。其基 本 的工作 原理 是充 满管道 的流体 流经管道内的节流装置 ， 在节流件附近造成局部收缩 ， 流速增 加 ， 在 其上 、下游 两侧产 生静压 力差 。 在 已知有关参数的条件下 ， 根据流动连续性原理和 伯努利方程可 以推导出差压与流量之 间的关系而求得 流量 。其基 本计算 公式如 公 式 1所示 署 d 2 1 P 公式 1 流量基本计算公式 C 流出系数 无量纲 d 工作条件 下节流件 的节流孔或 喉部直 径 D 工作条件下上游 管道 内径 q 质量 流量 K g ／ s q 体积流量 m ／ s 直径 比 d ／ D 无量纲 P流体的密度 K g ／ m3 ￡ 可膨 胀性 系数无量纲 4 ． 2 计算公式 根据 中国国家标准 网 ． S Y／ T 6 1 4 3 一l 9 9 6 天 然 气流量的标准孔板计量方法 、 G B ／ T 2 6 2 4 9 3 1 流量测 量截流装置用孔板 ， 喷嘴和文丘里管测量充满圆管的流 体流量 、 J J G6 4 0 - 9 4差压式流量计检定规程及流 体力学原理 ， 根据孔板流量计算书计算得到气体工况下 的瞬时流量 ， 最后 经过温压 补偿积分得 到标准状 况下的 累计流量。差压孔板流量计流量计算公式简化为如下 P L C 与D C S PL C an d DCS 公式 2 E l l J J △ PI 况 等 公式 2 孔板流量 计算 公式 Q工 标 工 作状况下 ， 被 测气体 的实 际等效标准流量 ， 单位 Nm ／ h Q 孔板 计算书 中 ， 孔板设计 工况下 的最大标 准流 量 ， 单位 Nm ／ h T 孔板计算书中， 孔板设计工况下的工作温度 ， 需加 2 7 3 ． 1 5 ， 为绝对温度 ， 单位 C P沿 孔板计算 书中 ， 孔板设计 工况下 的工作绝对 压 力 ， 单位 MP a △ P 孔板计算书 中， 孔板设计工况下的最大差压值 △ P工 沂 工况下 ， 截流装置在差压变送器上测得的 差 压 值 P丁 工况下， 被测气体实际管道内的绝对压力 即 压力 补偿 输入 ， 需加 l b a r T T 工况下 ， 被 测气体 的实 际绝度 温度 即温度 补 偿输入 ， 需加 2 7 3 ． 1 5 4 。 3 P L C 程 序 实现 如何把瞬时流量 又称流率 经过累加运算为总流 量， 一般有如下一个公式 瞬时流量 时间总流量 ， 但 是流量 随时都可 能变化 ， 那么 就不能用 上面 的公式来计 算总流量 了， 因为会带来计算误差 ， 如图 1所示计算误 差 的分 析 。 图 1 计算误差分析 那么我们对瞬时流量求积分便可以得到累计流量 ， 而积分的采样 时间 间隔理 论上 是越小越 好 ， 但 是过小 不 但增 加 了 C P U 的运行 负担 ， 而且 也会受 通道 采样 时 间 的制约而没有意义。根据实际工作状况和精度要求 ， 我 们将积分间隔定为 1 0 0 ms ， 因此可以得到小时累计流量 的计算公式 公式 3 自动化技术与应 用2 0 1 1年第 3 O卷第 0 1期 f 3 6 。 。 。 刀 d t ／ 3 6 O O 0 3 F T 为瞬时流量 P LC实现 的方 式式为公式 4 3 6 0 00 p ∑F t 4 0 在 P L C中我们没间隔 l 0 0 ms 累计一次瞬时流量， 相 当于认为 1 O O ms内瞬时流量保持不变。公式三中， 此时 t 1 O O ms ， 此处 t 不采用定 时器 的方式 ， 因为定时器 的定 时精 度很 低 ， 受程 序 执行 的 影响 ， 具 体实 现方 法是 在 O B3 5中循环调用 功能块 F B 1 用于流量累计 ， O B3 5 是 具有定 时 中断功 能的组 织块 ， 可 以充分保证 程序 的执行 周期， 中断扫描周期定义为 1 0 0 ms ， 每循环 3 6 0 0 0 次， 得到 一 小 时的累计 流量 ， 然后清零从新 累计 ， 以此类推 ， 程序 结 构 图如 图 2所示 。 图 2 程序结构图 5 流 量累计 中需要注意的地方 流量 累计 过程 中 ， 往往 采集精 度都 很高 ， 但 是 经常 由于 我们 的疏 忽造成 了较大 的计算精 度 ， 为 了尽量避免 损失计算精度， 有几点需要注意的地方 5 ． 1 先乘后除原则 在乘除运算在同一公式存在的时候 ， 要先算乘法后 算 除法 ， 以减 少 除法运 算损 失的计 算精 度 。 5 ． 2 尽量避免实数相等的比较 由于浮点数 的精度 问题 ， 在 P LC运算 中应该 尽量避 免实 数相 等 的 比较 ， 比如 我 们实 际数值 为 l 0． 0， 而在 P L C中可能显示为 1 0 ． 0 0 0 0 1 或者 9 ． 9 9 9 9 9 9 ， 这样在做比 较时就会出现不相等的情况而漏掉本次运算 ， 周而复始 将导 致 很大 的计 算 误差 。 下转第 8 1 页 经 验 交 流 T ec h njc aI Co m mun i c a t i o n s 自动化 技术与应用 2 01 1年第 3 0卷第 0 l期 系统经过多次测试， 智能车控制系统设计可靠 ， 运 行 良好 ， 在赛道上均速能达 到 2 ． 2 m／ s ， 在第 四届全国大 学 生 “ 飞思卡尔 ”杯智 能汽车竞 赛 中 ， 获得 华南赛 区一 等奖， 全国决赛二等奖的成绩。反思系统设计 中仍存在 些许问题 ， 如传感器的选型上要考虑如何有效增大其前 瞻距离、速度与转 向间的定量关系等方面 ， 都有值得进 一 步研究 的价值 。 参考文献 [ 1 】卓晴等． 学做智能车[ M】 ． 北京 北京航空航天大学出版 社 ， 2 0 0 7 ， 3 ． 【 2 】邵贝贝． 单片机嵌入式应用的在线开发方法【 M] ． 北京 清华大学出版社， 2 0 0 4 ， 1 0 ． 【 3 】F r e e s c a l e S e mi c o n d u c t o r ， I n c ． MC 9 S 1 2 DGl 2 8 De v i c e Us e r Gu i d e [ Z J ． 2 0 0 5 ， l 0 ． [ 4 】电路设计与制板P r o t e l 9 9 入门与提高[ M] ． 北京 人民 邮电出版社 ， 2 0 0 2 ， 2 ． [ 5 ]范正翘 ． 电力传动与 自动控 制系统[ M】 ． 北 京 北京航 空 航 天大学出版社 ， 2 0 0 3 ． [ 6 】余志生 ． 汽车理论 [ M】 ． 北 京 机械工业 出版社 ， 2 0 0 6 ， 5 ． [ 7 ]胡寿松． 自动控制原理f M】 ． 北京 科学出版社， 2 0 0 1 ， 2 ． [ 8 ]施保华， 杨三青 ， 周凤星． 计算机控制原理[ M] ． 武汉 华 中科技大学 出版社 ， 2 0 0 7 ， 3 ． 作者 简介周杰 1 9 8 5 一 ，男， 硕 士研 究生 ， 研 究方向 智 能控 制 与 智 能 信 息 处 理 。 上接第 6 7页 5 ． 3 划整为零原 则 P L C中实数值 的范 围为 1 ． 1 7 5 4 9 4 e 3 8到 3． 4 0 2 8 2 3 e 3 8 ， 占 1 个 3 2 位字 。浮点数在 寄存器 中 3 2 位 的空间表示为 S X X X X X X X X mmmmm 其 中 s 符号 ， x 指数 ， m-尾数。可见用浮点数表示的值的十进制有 效位数只有 7位_ 2 I 。因此， 必须考虑有效位数 问题。 举例说明 假设 Q代表计算的总流量 ， F代表计算上 一 次累加 的流量 ， 把 F加 到 Q上就会 计算 出一个新 的总 流量。一旦 Q 比 F大很多时 ， 那么 Q和 F的加数将会产 生误 差 。 Q 3 ． 1 4 1 5 9 2 E 9 ， F 1 ． 2 3 4 E 3 ， 则 3 ， 1 4 1 ， 5 9 2 ， 0 0 0 1 ， 2 3 4 3 ， 1 4 1 ， 5 9 3 ， 2 3 4 ， 因为这个结果只能保留7 个有 效位 ， 所 以合去最后几位数 ， 写成 3 ． 1 4 1 5 9 3 E 9 或 3 1 4 1 ， 5 9 3 ， 0 0 0 ， 数值 2 3 4 被丢 失【 3 】 o 为了避免 出现这个问题 ， 我们采取了化整为零的方 法 。累 计流量 Q采用双 整形 ， 因为双整 形要 比浮 点型数 据精度高。本次需累计流量 F为实数 ， 尽管瞬时流量很 大， 那么在非常小的时间内获得的本次累计流量也是很 小的， 如果采用双整形将损失小数部分带来新的计算误 差， 我们将利用 T RUNC 将 3 2位浮点数转换为 3 2位带 符号整数 指令将 F取整得到 F l ， 这样计算新的总累计 流量为 Q F 1 。同时将 Fl 利用 D T R 双整转实数 指令获 得 F 2 ， 那么本次少累计的小数流量为 F’一 F F2 ， 要在 下次累计的流量 F中补回， 即FF’ 。这样充分利用了 浮点数的优点同时也克服了浮点数累加的精度问题 ， 以 此类推便可以得到非常精确的总累计流量 ， 当然也要注 意如 果 流量 巨大 时要 做 数据 的翻 转处 理 。 6 结束语 S 7 3 0 0 P LC的应用是气体分段计量系统的重要组 成部分 ， 计量 数据 的准确性 、计量 精度 、分段处 理能力 都取决于它， 本系统是 7 - 3 0 0 P LC在计量系统中的典 型 应用 ， 其 中对数据处 理和 流量累计 方式 、方法对 于工 程技术人员具有及其重要的参考价值 。 参考文献 【 1 ]中国国家标准网 ． S Y／ T 6 1 4 3 -1 9 9 6 天然气流量的标准 孔板计量方法I S 】 ， 1 9 9 6 ． [ 2 】崔坚编著． 西门子 s 7 可编程控制器 S T E P 7编程指 南[ M] ． 北京 机械工业出版社， 2 0 0 8 ， 6 ． [ 3 】廖常初主著 ． S 7 3 0 0 ／ 4 0 0 P L C应用技术[ M】 ． 北京 机 械工业 出版社 ， 2 0 0 6 ， 4 ． 作者简介 朱明清 1 9 7 8 一 ， 男， 助理研究员， 研究方向自动 化 系统 及 软 件 设 计 、 计 算 机 技 术及 软 件 开发
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