流量累積計算在PLC系統(tǒng)中的實現(xiàn)

單珊 梁偉

[摘 要] 闡述了通過PLC（Programmable Logic Controller，可編程邏輯控制系統(tǒng)），實現(xiàn)流量顯示以及對于流量累計計量的基本算法。其中介紹了PLC系統(tǒng)的基本應用、流量累積計算的原理、針對帶有累積功能和不帶有累積功能的兩種流量計利用PLC系統(tǒng)實現(xiàn)累積計量的方法。

[關鍵詞] PLC系統(tǒng)；累積量計算；高速計數器

doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2018. 11. 060

[中圖分類號] TP311 [文獻標識碼] A [文章編號] 1673 - 0194（2018）11- 0137- 02

1 PLC系統(tǒng)基本介紹以及流量累積計算的原理

1.1 PLC系統(tǒng)的基本介紹

PLC（Programmable Logic Controller，可編程邏輯控制系統(tǒng)），以微處理器為基礎，是綜合了計算機技術與自動化控制技術為一體的工業(yè)控制產品。它采用可以編制程序的存儲器，用來在其內部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序運算、計時、計數和算術運算等操作的指令，并能通過數字式或模擬式的輸入/輸出控制各種類型的機械或生產過程。

隨著工業(yè)控制技術的飛速發(fā)展，PLC系統(tǒng)已廣泛應用于石油、鋼鐵、化工、電力、建材、汽車、交通運輸等各個行業(yè)，并且增加了一些專用的控制功能，如PID調節(jié)功能、伺服功能、高速計數（HSC）功能等，提高了系統(tǒng)的實用性和控制效率。具有高可靠性、抗干擾能力強、功能強大、靈活、易學易用、體積小、重量輕等優(yōu)點。

PLC系統(tǒng)主要由電源、中央處理單元（CPU）、存儲器、輸入輸出接口電路、功能模塊和通訊模塊等部分組成。該系統(tǒng)的主要應用類型有以下幾種：

1.1.1 開關量邏輯控制

這是PLC最基本、最廣泛的應用領域，它取代了傳統(tǒng)的繼電器電路，實現(xiàn)邏輯控制和順序控制。

1.1.2 模擬量控制

在工業(yè)生產過程中，有許多連續(xù)變化的量，如流量、壓力、溫度、液位、速度等都是模擬量，PLC為此設計了A/D和D/A轉換器來實現(xiàn)模擬量控制。

1.1.3 運動控制

PLC可通過使用專門的運動控制模塊來實現(xiàn)對圓周運動或直線運動的控制。

1.1.4 過程控制

過程控制是指對流量、壓力、溫度的閉環(huán)控制，PID調節(jié)是一般閉環(huán)控制系統(tǒng)中用的較多的調節(jié)。

1.1.5 數據處理

PLC具有數學運算（含矩陣運算、函數運算、邏輯運算）、數據傳送、數據轉換、排序等功能來完成數據的采集、分析及處理。

1.2 流量累積的原理

把瞬時流量（也稱為流率）經過累加運算為總流量，一般有如下一個公式：瞬時流量×時間=總流量。

但是如果現(xiàn)場流體的流速隨時都有變化的話，就不能使用上面的公式來計算了。可以按照一定的時間間隔對現(xiàn)場流量信號進行采樣，然后計算這些值的總和。這樣，流量信號的采集時間越短，計算的結果就越準確。

對于利用PLC控制系統(tǒng)實現(xiàn)流量的累積量計算，可以根據現(xiàn)場流量測量儀表的不同特性以及不同的PLC特性通過幾種方法實現(xiàn)，下面進行詳細的介紹。

2 PLC控制系統(tǒng)實現(xiàn)流量累積計算的方法

2.1 實現(xiàn)流量累積計算的三種方法簡述

PLC控制系統(tǒng)中，實現(xiàn)流量累積功能的方法歸納起來，若按照實現(xiàn)功能的不同元件來劃分，可以劃分為三類：PLC系統(tǒng)累積法，上位監(jiān)控軟件累積法，一次元件累積法。

PLC系統(tǒng)累積法又根據不同的流量計特性，有不同的實現(xiàn)方法，對此將進行詳細的介紹。

上位監(jiān)控軟件累積法，是在上位監(jiān)控軟件中利用計算機的強大運算功能，編輯定時執(zhí)行的腳本程序，按照累積流量的公式進行累積計算，這種方法實現(xiàn)步驟簡單，程序可讀性好，并且不依賴系統(tǒng)硬件，可移植，也不會額外增加PLC的CPU的運算負荷。但是問題是，若重啟上位機監(jiān)控系統(tǒng)時可能會引起累積量數值丟失，相對于PLC控制來說，故障率較高穩(wěn)定性差。

而一次元件累積法的實現(xiàn)，需要一次流量儀表帶有累計功能（如超聲波流量計）并且支持通訊功能、帶有相對于上位監(jiān)控系統(tǒng)通訊驅動軟件，這樣就可以利用一次儀表的通訊功能，將流量累計值等參數，通過傳輸介質傳到上位監(jiān)控系統(tǒng)，在上位系統(tǒng)上顯示和記錄。這種方法的穩(wěn)定性和可靠性都很高，不會因為PLC硬件和上位監(jiān)控系統(tǒng)故障影響計量工作的連續(xù)性和準確性，多臺儀表可以串聯(lián)一起通過一條電纜與上位機通訊，但是這種方法對于一次測量儀表的要求較高，需要額外占用計算機串口或者是主板的擴展插槽資源，并且只適合于現(xiàn)場需要流量累積計算儀表較少并且分布較集中的情況，局限性較大。

2.2 PLC控制系統(tǒng)實現(xiàn)流量累積計算的方法

根據現(xiàn)場儀表的不同特性，可以將現(xiàn)場流量計分為只有瞬時流量輸出的流量計和帶有累積功能的流量計，前者輸出的是4～20 mA模擬電流信號，后者輸出的是脈沖信號，這兩種信號輸出的都是瞬時流量。對于只有瞬時流量輸出的流量計，在PLC系統(tǒng)中用定時中斷的方法進行流量累積加法運算。對于帶有累積功能的流量計，PLC系統(tǒng)高速脈沖輸入端可以進行高速計數，得到累積流量，或者是使用普通的DI通道，進行脈沖采集，這就需要注意通道的脈沖寬度，若寬度不夠會影響數據的采集和計算。

累積功能在PLC內部實現(xiàn)，相對比較可靠，不受其他外界因素影響，只要PLC正常運行，累積工作就不會停止；而且通過選用保持寄存器，就可以實現(xiàn)不間斷計量。

下面針對這以上兩種形式的控制方式進行詳細介紹。

2.2.1 對于瞬時流量輸出的PLC累積量算法

對于輸出信號為4～20 mA的只有瞬時流量輸出的流量計，PLC系統(tǒng)可以使用定時中斷的方法來實現(xiàn)流量累計，這樣采樣間隔時間就是固定的了，或者利用計時器指令來作為采樣間隔時間，每次計時器到了設定值就采樣一次。在PLC系統(tǒng)中只能運行指定的一個中斷程序，不允許再產生其他中斷（即使是低優(yōu)先級的中斷也不允許運行），以防止干擾定時中斷的時間間隔的準確性。對于以小時為計量單位的流量，在PLC中可定時執(zhí)行一些小型中斷程序來實現(xiàn)流量累積功能。這種方法除第一步是在PLC啟動運行時運行一次外，其余的步驟都是循環(huán)執(zhí)行的，可以很容易地實現(xiàn)流量累積計算，但是由于PLC中只能應用一個可選定時中斷程序，其定時中斷時間一般較難同時滿足幾種邏輯功能的需要。

還可以使用計時器指令來作為采集間隔時間，每次計時器到了設定值就采集一次。計時器的精度不可能高于它的時基，因此每次計時器超時和再次開始計時的時候，都要產生一個時基的正或負的誤差，可以采用一種技巧來減少因計時器精度帶來的誤差即采用長的時間計時。在這種算法中，采樣間隔時間就不是固定的了，這樣就會降低計時器精度帶來的誤差。此外，需要注意，在PLC系統(tǒng)中處理帶溫壓補償的流量時，流量數據應在處理好后進行累積，而不能直接使用流量計本身的瞬間值。

2.2.2 對于帶有脈沖輸出流量計的PLC累積量計算

帶有累積功能的流量計（如質量流量計、超聲波流量計等）的輸出信號為脈沖信號，可以利用PLC的高速計數器來實現(xiàn)高速計數，得到累積流量。高速計數器（HSC）獨立于CPU掃描周期進行計數，它的工作模式有：計數器，外部方向控制；單相計數器，內部方向控制；雙相增/減計數器，雙脈沖輸入等。所有的計數器無須啟動條件設置，只需在硬件向導中設置完成后下載到CPU中即可啟動高速計數器。高速計數器的輸入使用與普通數字量輸入相同的地址，當某個輸入點已定義為高速計數器的輸入點時，就不能再應用于其他功能，但在某個模式下，沒有用到的輸入點還可以用于其他功能的輸入。對于高速計數器是否達到最大計數值時需要判斷，S7-200CPU的高速計數器是不斷進行累計的，最高位為符號位，最小值為7FFFFFFF，由于計數器一直在累加，那么通過判斷計數器當前值是否小于前一次的計數值，就可以判斷計數是否達到最大值，如果達到，則執(zhí)行特殊的計算以便消除計算錯誤，該消除錯誤的程序需要放在定時中斷程序中執(zhí)行。

當前的計數值若大于上次的計數值時，兩個計數值做差，就得到程序兩次掃描時間間隔內的計數差值，同時將當前計數值賦值給上次計數值上。例如，定時中斷程序采用250 ms中斷一次執(zhí)行，通過以上計算就得到了250 ms內流量計發(fā)過來的脈沖個數，這個數值乘以脈沖當量就是250 ms內的流量值，再除以時間就是瞬時流量，再執(zhí)行累加程序就可以計算累積流量了。

3 結 語

利用PLC可以實現(xiàn)對于流量累積量的計算，對于脈沖信號和4～20 mA信號兩種不同的信號輸出，可以根據具體的情況，選擇使用定時中斷程序來設定信號采集時間間隔，或者是利用高速計數器，將其初始化后實現(xiàn)流量累積。