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西门子S7-200PLC在流量计量方面的应用,如何计量累积量!

来源:电气自动化应用


1. 引言


目前,PLC已经广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业。它具有高可靠性、抗干扰能力强、功能强大、灵活、易学易用、体积小、重量轻、价格便宜的特点,在流量计量方面也有着广泛的用途,在用于流量累积时又有其编程的独特之处。下面进行详细的分析和论述,包括在西门子S7-200 CPU上编程的例子。



2. 使用PLC显示流量和计算累积量



流量计输出的信号一般是脉冲信号或4~20mA电流信号,这两种信号输出的都是瞬时流量,我们的目的是在PLC中计算和显示瞬时流量值和计算累积量值,当输入信号是脉冲信号时,在计算瞬时流量的时候,必须按照严格的时间间隔计算才能保证瞬时流量的准确性。因此,计算瞬时流量的时候必须用定时中断来进行。而且,在PLC系统中只能运行这一个中断程序,不允许再产生其它中断(即使是低优先级的中断也不允许运行),以防止干扰定时中断的时间间隔的准确性,计算瞬时流量就是将这个时间段的累计脉冲个数换算成累计流量,再除以时间就是瞬时流量。对于4~20mA输入只需按照其对应的量程进行换算就可以直接得到瞬时流量,而累积流量就是将每个时间段内的累积流量累加起来,在实际使用PLC编程的过程中必须注意以下几个问题:


(1) 输入脉冲频率范围是否超出PLC的接收范围;


(2) PLC高速计数器在达到最大计数值时如何保证计算正确;


(3) 如何保证定时中断不受干扰;


(4) 如何避免计算累积量的误差;


(5) 累积量的最大累积位数;


(6) 如何复位累积量。


下面就最关键的2、4、6问题进行详细的叙述,以西门子S7-200 CPU224为例,S7-200的CPU224具有6个单相最大30kHz的高速计数器,但PLC内部没有提供相应的算法来计算频率,需要使用者自行编程计算,这就需要在PLC高速计数器在达到最大计数值时要保证计算的正确性。实际编程时,对高速计数器初始化以后就使之连续计数,不再对其进行任何干预,其高速计数器的初始化程序如图1所示(此段程序应放到PLC第一个扫描周期执行的程序中执行)。



图一:高速计数器的初始化程序


对于高速计数器是否达到最大计数值时需要判断,S7-200CPU的高速计数器是可以周而复始地进行累计的,最高位为符号位,最小值为7FFFFFFF。由于计数器是一直累加的,不可能出现本次读取的计数值小于上次计数值的情况,因此判断计数器当前值是否小于前一次的计数值,就可以判断计数是否达到最大值的拐点(7FFFFFFF),如果达到,则执行特殊的计算以便消除计算错误,程序如图2所示(此程序应放在定时中断子程序中执行)。


当当前计数值大于等于上次计数值时,两个计数值做差,就得到程序两次扫描时间间隔内的计数差值,同时将当前计数值赋值到上次计数值上;当当前计数值小于上次计数值时,计算上次计数值与7FFFFFFF之间的差值(用减法),以及当前计数值和7FFFFFFF之间的差值(用加法,此时寄存器溢出,数位前移),然后将两个结果相加就是程序两次扫描时间间隔内的计数差值,从而实现对累计计数值达到拐点时的正确计算。



图二:消除计算错误程序


实际上,在现场应用中定时中断子程序是采用250ms中断一次执行的,使用SMB34进行控制的。需要注意的是,系统中必须只保证这个中断是唯一存在的,不会受到其他中断的影响,否则可能会因其它中断的影响使周期性中断不准时,从而影响精度。


通过以上计算就得到了250ms内流量计发过来的脉冲个数,这个数值乘以脉冲当量就是250ms内的流量值,再除以时间就是瞬时流量。另外,在250ms内再执行累加程序就可以计算累积流量了。在计算累积流量过程中需要避免累积过程的计算误差,我们知道,流量累积量是一直累积的一个数值,一般会累积到8位数,而plc内部浮点数的有效位数是6位,当累积量数值很大的时候就会造成一个大数和一个小数相加,势必导致小数的有效位数丢失,造成很大的累积误差,因此,要避免大数和小数相加的情况出现。解决方法是采用多个流量累积器,只允许同数量级的数值相加,从而避免数值有效位数损失,实际编程中采用了5个累积器,根据常用流量情况下,在周期中断时间间隔(250ms)内流过的流量乘以15作为第一个累积器的上限,当达到这个累积器的上限值后,将这个累积器的值累加到第2个累积器中,并把第一个累积器清零,对于第三个累积器也同样处理,第4个累积器用于保存累积量小数部分数值,第5个累积器用于保存累积量整数部分数值,这样在显示总累积量时只需显示整数部分和小数部分就可以了,整个过程充分避免了累积过程中大数与小数相加的情况出现。在实际工程中,需根据流量的大小、周期中断的时间间隔来确定所用累积器的个数,而累积器的整数部分用双整数来表示,双整数的范围是-2,147,483,648到+2,147,483,647,可以使累积器的整数位数达到9位。这样,在显示累积量时就可以最多显示9位整数的累积量和6位小数的累积量,总计15位,从而省略累积器倍乘系数,使读数更简便。


对累积器需要在一定条件下复位,累积到最大数值或手动复位,在中断程序中判断累积量是否达到或超过最大位数,当超过最大数值时,将各个累积器清零,清零的触发信号也可以是手动触发。


3. 结束语


本文列出了在PLC中计算和显示瞬时流量和计算累积量时可能遇到的问题,并以西门子S7-200 CPU224系列探讨了解决办法,值得进行该工作的工程人员借鉴。




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