基于PLC的一種冷水表全自動(dòng)檢定裝置的研究

上海上自儀公司為了提高冷水表的檢定效率和檢定精度，提出基于西門子 S7 － 200 SMART PLC 的冷水表全自動(dòng)檢定裝置。通過(guò) PLC 對(duì)管道氣動(dòng)閥門、水泵和變頻器的自動(dòng)控制，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)電磁流量計(jì)的數(shù)據(jù)采集和換算，實(shí)現(xiàn)了《JJG 162—2009 冷水水表檢定規(guī)程》中對(duì)常用、分界、非常小流量的冷水表自動(dòng)檢定流程。該裝置能節(jié)約大量人工檢定時(shí)間，提高檢定準(zhǔn)確度，延長(zhǎng)使用壽命，降低運(yùn)營(yíng)成本。

引言

21 世紀(jì)水資源正在變成一種寶貴的稀缺資源，水資源問(wèn)題已不僅僅是資源問(wèn)題，更成為關(guān)系到國(guó)家經(jīng)濟(jì)、社會(huì)可持續(xù)發(fā)展和長(zhǎng)治久安的重大戰(zhàn)略問(wèn)題。水表作為水廠供水和居民用水的重要計(jì)量設(shè)備，其準(zhǔn)確度和穩(wěn)定程度關(guān)系到供水單位和用水用戶的切身利益，因此水表檢定裝置和檢定方法顯得尤為重要。

目前水表檢定裝置按照檢定過(guò)程主要分 3 類:收集法、流量時(shí)間法、量器定制機(jī)構(gòu)。收集法裝置一般包括啟停容積法、靜態(tài)容積法、啟停質(zhì)量法和靜態(tài)質(zhì)量法［1］。目前我國(guó)使用非常多的是容積式檢定裝置，采用人工讀數(shù)進(jìn)行控制和計(jì)算記錄的方式進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)效率低，引入的人為誤差大［2］; 流量時(shí)間法具有操作便捷、噪聲小、系統(tǒng)穩(wěn)定的優(yōu)勢(shì)，已逐步取代傳統(tǒng)的容積式檢定裝置。隨著 PLC 的發(fā)展，其取代繼電器線路和以順序控制為主的優(yōu)勢(shì)在工業(yè)控制領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。隨著日益增長(zhǎng)的水表數(shù)量，基于 PLC 的水表檢定裝置應(yīng)運(yùn)而生。

1 全自動(dòng)水表檢定裝置原理

圖 1 所示為西門子 S7 － 200 SMART PLC( 以下簡(jiǎn)稱為 PLC) 應(yīng)用于冷水表全自動(dòng)檢定裝置的示意圖，該裝置以檢定DN15DN25 冷水水表為例。該裝置用 DK － 8850 高壓水泵通過(guò) DN50 管道抽水到穩(wěn)流筒，實(shí)現(xiàn)串聯(lián)冷水表的穩(wěn)定流速，裝置的末端分別接出 DN10，DN15，DN25 三路管道，同時(shí)接入西門子分體式電磁流量計(jì) MAG6000 作為標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)，非常后水流回水池中。其中 PLC 自動(dòng)控制電磁閥、西門子變頻器 G120C，實(shí)現(xiàn)控制流量并采集標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)的流量值。

在規(guī)程中規(guī)定準(zhǔn)確度等級(jí)為 1 級(jí)冷水表的非常大允許誤差在高區(qū)( Q2?Q?Q4 ) 為 ±1%，在低區(qū)( Q1?Q ＜ Q2 ) 為±3%，僅適用于常用流量 Q3?100 m3 /h 的冷水表; 準(zhǔn)確度等級(jí)為 2 級(jí)冷水表的非常大允許誤差在高區(qū)( Q2?Q?Q4 ) 為±2%，在低區(qū)( Q1?Q ＜Q2 ) 為 ±5%。根據(jù)國(guó)家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局頒布的《JJG 162— 2009 冷水水表檢定規(guī)程》中對(duì)常用、分界、非常小流量的規(guī)定值對(duì)冷水表自動(dòng)檢定流程，采集的流量值結(jié)果通過(guò) 232 串口與上位機(jī)人工界面通信，與圖像采集冷水表的結(jié)果進(jìn)行比對(duì)得到檢定結(jié)果。

2 PLC 軟件設(shè)計(jì)

PLC 通過(guò) STEP7 MicroWin SMART 軟件進(jìn)行編程設(shè)計(jì)和調(diào)試，如圖 2 所示。 1) 程序初始化，包括串口子程序、高速計(jì)數(shù)器子程序、PID 調(diào)節(jié)子程序和檢定子程序。 2) 串口子程序?qū)崿F(xiàn) PLC 與上位機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸通信。參 數(shù) 設(shè) 置、數(shù)據(jù)傳輸選擇自由端口模式SMB30 = 16#09，組態(tài)端口0 為無(wú)奇偶校驗(yàn)，8 位數(shù)據(jù)位，9600 波特率，自由口通信協(xié)議接收字符串，直至接收換行字符，然后消息會(huì)發(fā)送回發(fā)送方。

3) 高速計(jì)數(shù)器子程序采集 MAG6000 標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)的脈沖信號(hào)，經(jīng)過(guò)程序換算得到檢定管道瞬時(shí)流量和累計(jì)流量。

首次掃描時(shí)，組態(tài)高速計(jì)數(shù)器并啟用計(jì)數(shù)器，將 HSC0 組態(tài)為具有內(nèi)部方向控制功能的單相時(shí)鐘計(jì)數(shù)器———模式 0;寫入新當(dāng)前值; 將初始方向設(shè)置為加計(jì)數(shù); 選擇復(fù)位輸入高電平有效; 清除 HSC0 的當(dāng)前值并設(shè)置 HSC0 的預(yù)設(shè)值; 當(dāng) CV =PV 時(shí)發(fā)生中斷事件 12，組態(tài) HSC0; 脈沖當(dāng)量值輸入 VD4。進(jìn)入中斷事件 12 后得到采集周期時(shí)間，非常后計(jì)算高速輸入脈沖頻率，并通過(guò)流量換算公式計(jì)算瞬時(shí)流量: 瞬時(shí)流量 Q = 脈沖頻率/脈沖當(dāng)量。 4) PID 調(diào)節(jié)子程序如圖 3 所示，根據(jù)冷水表的設(shè)定值( 給定) 和高速計(jì)數(shù)器的實(shí)際流量值，按照閉環(huán)控制過(guò)程的 PID 算法計(jì)算出變頻器的模擬輸出量，通過(guò) EMAQ02 模塊傳送到變頻器中，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)水泵，使裝置的流量達(dá)到設(shè)定值。

5) 檢定子程序，通過(guò)輸出閥門驅(qū)動(dòng)電路控制氣動(dòng)電磁閥，實(shí)現(xiàn)根據(jù)流量需求自動(dòng)切換檢定管道，其中Q0． 1 ～ Q0． 4 對(duì)應(yīng)控制裝置中的 4個(gè)電磁閥。

首先在安裝被檢冷水表后進(jìn)行 3 min 的通水排氣，去除檢定裝置管道中的空氣，防止影響檢定準(zhǔn)確度; 其次在開(kāi)始檢定后，PLC 運(yùn)用 PID 模塊調(diào)節(jié)變頻器，控制水泵流量同時(shí)采集電磁流量計(jì)的數(shù)值，使被檢水表獲得穩(wěn)定的常用流量 Q3，隨后與上位機(jī)通信開(kāi)始采集信號(hào)，在檢定時(shí)間內(nèi)，記錄電磁流量計(jì)累積流量并上傳到上位機(jī)作為標(biāo)準(zhǔn)。按照常用流量 Q3的檢定過(guò)程，PLC 依次完成對(duì)分界流量 Q2和非常小流量 Q1的檢定。檢定完成后，冷水表檢定裝置泄壓卸水表。

3 硬件配置

1) 定義 MAG6000 標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)輸出脈沖信息: 根 據(jù) DN25 冷水表的常用流量 Q3為 6300 L/h，流量計(jì)參數(shù)設(shè)置為每1 mL 輸出一個(gè)脈沖，脈沖寬度為 510 μs，脈沖周期為 570 μs，輸出脈沖頻率為 1． 8 kHz。

2) 變頻器根據(jù) DK － 8850 高壓水泵銘牌通過(guò)BOP － 2 操作面板進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，定義的輸入/輸出配置 P15 選擇宏程序 13 模擬設(shè)定值模式; 在實(shí)際安裝中，需要將變頻器的供電電源與 PLC 電源隔離，否則會(huì)影響 PLC 的串口通信。 3) PLC的系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置: 高速計(jì)數(shù)器設(shè)置為單相非常大速率能識(shí)別 200 kHz，系統(tǒng)設(shè)置濾波時(shí)間為0． 2 ms，濾波頻率為 2． 5kHz。

4 結(jié)果與討論

在 PID 調(diào)節(jié)到穩(wěn)定流量時(shí)，瞬時(shí)流量存在正常范圍的波動(dòng)而不是一個(gè)數(shù)值不變，用 SMART 軟件測(cè)試 PLC 高速計(jì)數(shù)器，比對(duì)標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)脈沖數(shù)。

由測(cè)試數(shù)據(jù)得到 3 min 和 10 min 的計(jì)時(shí)累積流量誤差分別為 0． 034% 和 0． 000 56% ，MAG6000 自身的測(cè)量精度為 ± 0． 2% ，根據(jù)數(shù)據(jù)得到的 PLC 的測(cè)試精度足夠滿足水表檢定裝置測(cè)量精度。

5 結(jié)論

基于 PLC 的冷水表全自動(dòng)檢定裝置是 PLC 工業(yè)控制技術(shù)與水表計(jì)量檢定相結(jié)合的應(yīng)用，解決了傳統(tǒng)水表檢定效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、操作繁瑣的問(wèn)題。該裝置系統(tǒng)穩(wěn)定可靠、操作方便、檢定效率高、自動(dòng)化程度高，上海上自儀公司能廣泛適用于水表自檢和計(jì)量檢定部門，提高整體的產(chǎn)品質(zhì)量。