引言

氣體流量標準裝置是檢測氣體流量儀表的必備計量測試設(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,被作為氣體流量傳遞標準,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,光電隔離卡塊, 頻率輸人卡塊, 開關(guān)量卡塊,信號調(diào)理模塊等組成的計算機系統(tǒng)完成。而上海工業(yè)自動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 氣體流量標準裝置的基本原理和控制要求

1.1基本結(jié)構(gòu)

圖1 氣體流量標準裝置基本結(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準裝置主要由檢測和控制兩部分組成。其中檢測部分由被檢表，文丘里噴嘴，真空泵，匯流罐，緩沖罐，溫度變送器，壓力變送器，試驗管道，氣動閥等組成?？刂撇糠值膶崿F(xiàn)主要是由西門子公司生產(chǎn)的S7-300,PC機，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,打開真空泵，同時操作員在上位機中輸入要測量的被檢表流量值，此時PLC根據(jù)輸入測量值自動打開相應(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, 流過測試管段和被檢流量計, 進入儲氣罐, 流經(jīng)一定組合的臨界流文丘里噴嘴后, 進入緩沖罐。當(dāng)氣體裝置進入穩(wěn)定狀態(tài)后且噴嘴前后壓力達到臨界壓比時，開始采集數(shù)據(jù)并記錄在CPU里。在測試結(jié)束時計算出標準的累積流量，并與采集到的被檢流量計的指示值進行比較和計算, 即可得到被檢流量計的測量精度。

2 計算機采集系統(tǒng)和PLC系統(tǒng)的比較

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

（1）硬件部分模塊化。在一套氣體標準裝置中，由于涉及的點數(shù)比較多而且參數(shù)變量輸入信號不定，所以計算機控制系統(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,信號調(diào)理模塊及端子等大量的比較瑣碎的器件，如果點數(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,如果要實現(xiàn)一種功能只需插入一塊模塊即可。因此在現(xiàn)場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。計算機系統(tǒng)編程需要專業(yè)人員的大量編程才能實現(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。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)備安裝前進行可靠的模擬試驗，可以避免由于程序的問題而導(dǎo)致設(shè)備受損。這一點是計算機系統(tǒng)所沒法比擬的。

（4）現(xiàn)場總線的使用。由于本系統(tǒng)對現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)要求實時性較高，再加上現(xiàn)場需要采集的數(shù)據(jù)較多，所以如果采用計算機系統(tǒng)的話就會出現(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，準確，結(jié)構(gòu)名了和容易控制。

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

（6）標準化強且維修方便。PLC的軟件和硬件部分都已標準化，不同的人可以在其他人做的基礎(chǔ)上進行改動和擴展。這樣就給未來的擴展和損壞后維修帶來極大的方便。而計算機系統(tǒng)各部分硬件電路的設(shè)計和軟件的編程實現(xiàn)可以多樣化，對以后的維修和擴展造成一定的影響。

3 控制功能的實現(xiàn)

3.1 數(shù)據(jù)采集和處理功能實現(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)進入穩(wěn)定的臨界流狀態(tài)時，便可以通過控制PLC系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)的采集。在氣體標準裝置中數(shù)據(jù)主要分三路采集，其中一路是對儲氣罐和被檢表的壓力和溫度的模擬量測量，這路數(shù)據(jù)要求實時性和精度比較高，所以采用PROFIBUS-DP總線和現(xiàn)場的溫度，壓力變送器進行數(shù)據(jù)的直接傳輸，這樣就可以保證數(shù)據(jù)的精度和實時性。

另一路模擬量數(shù)據(jù)是緩沖罐中的壓力和被測表的表值，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來進行采集和轉(zhuǎn)換。第三路數(shù)據(jù)則是各個開關(guān)量數(shù)字量信號，這路信號主要是通過PLC的數(shù)字輸入模塊DI進行采集，通過信號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會根據(jù)程序已經(jīng)編輯好的公式

進行累積流量計算，并將結(jié)果和被檢表的顯示值進行比較。

3.2 各控制開關(guān)的實現(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閥，真空泵和被測表的開關(guān)閥。在氣體標準裝置中，有數(shù)個文丘里噴嘴，他們的流量是根據(jù)整套裝置流量大小來設(shè)計的，且各個噴嘴的流量都不相同。在檢測中，當(dāng)操作員輸入一個要檢測的流量參數(shù)時，PLC會根據(jù)噴嘴流量自動組織一組噴嘴進行檢測被檢表，這時CPU便會通過數(shù)字量輸出模塊控制應(yīng)該打開噴嘴的開關(guān)閥。

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

3.3 臨界壓力比的PID控制實現(xiàn)

根據(jù)音速文丘里噴嘴的性質(zhì)，他最大的特點就是當(dāng)噴嘴前后的壓力比P2/P1達到一定比例時，流過噴嘴的氣體流量將會保持不便。此套氣體標準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)能準確的控制裝置的運行處于臨界流狀態(tài)。在測量過程中，CPU隨時對采集到的噴嘴前后壓力P1,P2進行比較，當(dāng)P2/P1滿足臨界流時，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.socialnewsupdate.com/tags/電流/" target="_blank">電流信號以驅(qū)動變頻器進行對真空泵動作，以保證裝置在測量過程中始終處于臨界流狀態(tài)。

3.4 通訊的實現(xiàn)

本系統(tǒng)主要的通訊分為幾塊，一塊為上位機和PLC的連接，他們的連接通過PROFIBUS總線連接，同時要在上位機中安裝CP5621卡，并且之間遵循的是MPI協(xié)議。另一塊是PLC與現(xiàn)場變送器的連接，現(xiàn)場的數(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軟件部分的實現(xiàn)

4.1 氣體標準裝置要實現(xiàn)的基本功能

PLC軟件主要是按照系統(tǒng)要實現(xiàn)的功能進行合理有效的編程，同時在系統(tǒng)運行時進行上位機監(jiān)視和管理。

4.2 PLC內(nèi)部運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確的運行才能保證整個測量的正常完成。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。編程時只要把這些功能塊按氣體標準裝置的控制要求合理地添加在主程序中即可。

圖4 PLC運行流程圖 圖5 應(yīng)用程序流程圖

4.3 監(jiān)控軟件的實現(xiàn)

監(jiān)控軟件的使用不僅使用戶可以方便生動的看到整個檢測裝置在檢測過程中的動態(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，組成了用戶的人機友好監(jiān)控系統(tǒng)。

5 結(jié)束語

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