基于西門子S7-300平臺的明渠流量計設(shè)計

蔣天躍

摘? ?要：本設(shè)計是以西門子S7-300為計算中心的明渠流量計，特點(diǎn)是流速傳感器和液位傳感器是分開的，數(shù)據(jù)輸入給西門子PLC進(jìn)行計算，最后通過軟件編程，把計算結(jié)果輸出到數(shù)顯儀表上。需要注意的是流速傳感器和液位傳感器的安裝位置要合理，最好在明渠的水位和流速平穩(wěn)的區(qū)段，不要離入口和出口太近。優(yōu)點(diǎn)是可以通過編程軟件修改參數(shù)，尤其是流量單位的任意轉(zhuǎn)換。

關(guān)鍵詞：西門子? S7-300? ?明渠流量計流速液位編程

中圖分類號：TP273? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2019）05（a）-0110-02

1? 設(shè)計原理

本文設(shè)計的明渠流量計以流速-水位運(yùn)算法為基礎(chǔ)，流速測量和液位測量是兩個不同的儀表，最后采集這兩個模擬量進(jìn)行計算。本設(shè)計采用了先進(jìn)的超聲波流速測量儀和電容式水位測量儀，流速和水位雙探頭的實(shí)時模擬量數(shù)據(jù)經(jīng)過西門子S7-300平臺的計算，輸出到一個數(shù)顯儀表上。原理如圖1所示。

計算公式

2? 硬件設(shè)計

2.1 測速儀表

本設(shè)計的測速儀表采用超聲波探頭，如圖1所示，把兩個探頭布設(shè)在溝渠兩邊，這兩點(diǎn)之間與溝渠的邊緣不能垂直，A點(diǎn)到B點(diǎn)時間為t1，由B點(diǎn)發(fā)A點(diǎn)收時間為t2，由于流速的存在，逆水時間長，順?biāo)畷r間短，時間差Δt=t1-t2，流速υ與Δt有線性關(guān)系[1]。經(jīng)過計算，可以得出AB線段上的平均流速，并轉(zhuǎn)換成4～20mA輸出。探頭要放在水位的中點(diǎn)左右，不能在溝渠底部，也不能露出液面，否則數(shù)據(jù)都不準(zhǔn)確[2]。

2.2 液位計

由公式（1）可知，溝渠寬度W是規(guī)則的，液位的高h(yuǎn)是流量大小的重要變量。本設(shè)計采用的液位計是依據(jù)電容感應(yīng)原理，當(dāng)被測介質(zhì)淹沒液位計測量電極時，引起其電容變化。它可將物位、液位介質(zhì)高度的變化轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電流信號4～20mA。

液位計的安裝位置要選取得當(dāng)，因?yàn)榇蠖鄶?shù)的溝渠底部都不太平坦，這都會影響液位計的準(zhǔn)確性。如果溝渠底部很平坦，就可以直接插到底部;若是低洼不平，就離底部一段距離[3]，但是在計算液位時，要加上這段距離。

2.3 計算中心和顯示儀表

本設(shè)計是基于西門子PLC的S7-300系列的，由于流速和液位都是模擬量輸入到PLC，而且經(jīng)過PLC的計算后要輸出到數(shù)字顯示儀表中，所以PLC至少要有AI模塊和AO模塊。這里使用的CPU是 315系列，AI模塊使用的是6ES7 -331系列，AO使用的是6ES7 -332系列。同時要把AI與AO通道的輸出范圍改寫為4-20mA的標(biāo)準(zhǔn)信號。

數(shù)顯儀表的功能很多，我們需要一個標(biāo)準(zhǔn)電流信號4～20mA的輸入，以及可以設(shè)置量程和報警等信號的數(shù)顯儀表即可。

3? 組態(tài)編程

3.1 工程組建

裝好編程軟件Step7，新建一個SIMATIC 300站點(diǎn)，創(chuàng)建站點(diǎn)后進(jìn)入硬件的圖標(biāo)。接著要創(chuàng)建導(dǎo)軌，之后就可以添加自己要用的模塊了。

當(dāng)我們把AI與AO模塊在編程軟件中插入后，軟件會自動分配地址，所以我們在編程中要注意AI和AO變量的使用。本設(shè)計中，AI分配的地址是從PIW272開始的，AO分配的地址是從PQW288開始的。

3.2 程序編寫

在我們建立一個新的工程后，點(diǎn)擊“S7程序”下拉菜單中的塊，右邊空白的地方就會顯示一個組織塊OB1，在這里面編寫就可以了，但我們還需要一些組織塊，根據(jù)我們的需要加一些組織塊模塊訪問出錯組織塊（OB122）等，為了我們方便查找問題。

功能塊FC105和FC106不需手動添加。在編程界面下，在Program elements中的Libraries下的Standard Library下的TI-S7 Converting Blocks中就可以找到。

FC105是處理AI的功能塊，IN管腳是AI通道，地址從PIW272開始，也就是硬件配置那里系統(tǒng)自動分配的地址，一定要與之對應(yīng);HI_LIM和LO_LIM是AI的量程;BIPOLAR是極性設(shè)置，信號為4～20mA（單極性信號），則設(shè)置為0。

FC106是處理AO的功能塊，其與FC105一樣，因?yàn)槭禽敵瞿K，所以O(shè)UT管腳是模擬量輸出通道，地址從PQW288開始，這也是系統(tǒng)自動分配的地址，必須與之對應(yīng)。

程序段如圖2所示。其中的加法功能塊加上了0.19m，是因?yàn)橐何挥嬰x底部是0.19m。最后面的乘法功能塊是流量單位L/s與m3/h之間的換算關(guān)系所致。

4? 結(jié)語

本流量計優(yōu)點(diǎn)在于測速傳感器和液位傳感器是分開的，可以更準(zhǔn)確的對溝渠的流量進(jìn)行監(jiān)測，如果哪一個儀表出現(xiàn)問題導(dǎo)致流量不準(zhǔn)確，可以只替換有問題的那部分，可以節(jié)約成本。還可以通過西門子S7-300平臺編程對輸出的流量單位進(jìn)行任意的換算，非常方便。

不過，它也是有缺點(diǎn)的，也就是溝渠必須要規(guī)則。還有流量計的安裝位置必須是比較平穩(wěn)的水段，不能離入口太近，也不能離出口太近，否則都會影響流量的準(zhǔn)確性。

參考文獻(xiàn)

[1] 李忠虎，岳蘭嬌.雙聲道超聲波明渠流量計設(shè)計[J].工業(yè)控制計算機(jī)，2017（6）：149-151.

[2] 周幫平.多普勒超聲明渠流量計研究[D].北方工業(yè)大學(xué)，2018.

[3] 王淑紅.超聲波流量計在開封市東區(qū)污水處理廠的應(yīng)用實(shí)踐[J].科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新，2017（25）：11-12.