上位機(jī)、PLC與電磁流量計(jì)組合監(jiān)控流量的原理及流程分析
發(fā)布時(shí)間：2022-12-05 10:25:06來源：www.qh-sr.com來源：..
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????????以計(jì)算機(jī)，PLC及電磁流量計(jì)組成的監(jiān)控流量系統(tǒng)實(shí)際就組成了一個(gè)微型的監(jiān)視控制和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，這類系統(tǒng)包含3個(gè)部分，即計(jì)算機(jī)一上位監(jiān)視層、PLC—控制設(shè)備層和電磁流量計(jì)一執(zhí)行設(shè)備層。它的功能第一是監(jiān)視整個(gè)生產(chǎn)過程，第二是可以控制和干預(yù)整個(gè)生產(chǎn)過程，第三是可以對從現(xiàn)場得到上位監(jiān)視層的數(shù)據(jù)信息形成記錄、分析報(bào)表。本文以流量監(jiān)測為例，分析自控系統(tǒng)中是如何實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場工流量數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、監(jiān)控的。
????????一、計(jì)算機(jī)--上位監(jiān)視層
????????在整個(gè)系統(tǒng)中計(jì)算機(jī)作為上位監(jiān)視層，控制設(shè)備層主要負(fù)責(zé)對現(xiàn)場設(shè)備的監(jiān)控，如對流量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的監(jiān)測、分析、記錄等，是操作人員直接操作面對的對象，在自控系統(tǒng)中稱為上位機(jī)。計(jì)算機(jī)要實(shí)現(xiàn)上位機(jī)的功能，主要由工控軟件實(shí)現(xiàn)，例如西門子公司的WINCC，GE Fanuc公司的FX軟件，都能實(shí)現(xiàn)豐富的上位機(jī)功能。如直觀的監(jiān)控現(xiàn)場工況。在生產(chǎn)和過程自動(dòng)化中解決可視化和控制任務(wù)，還提供了適用于工業(yè)的圖形顯示、消息、歸檔以及報(bào)表等功能模板，高性能的過程耦合、快速的畫面更新、以及可靠的數(shù)據(jù)使其具有高度的實(shí)用性。上位機(jī)相當(dāng)于整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的大腦與眼睛，操作指令由他發(fā)出。
????????二、PLC--控制設(shè)備層
????????PLC在整個(gè)自控系統(tǒng)中起接收處理現(xiàn)場信號(hào)、驅(qū)動(dòng)現(xiàn)場設(shè)備，并與上位機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，向其提供現(xiàn)場工況數(shù)據(jù)及執(zhí)行上位機(jī)下達(dá)的命令等作用。在檢測流量的過程中，PLC中的模擬量輸入模板接收由流量計(jì)傳來的模擬量電信號(hào)，然后將電信號(hào)經(jīng)模擬量輸入模板轉(zhuǎn)換為PLC可以識(shí)別的數(shù)字信號(hào)即完成A/D轉(zhuǎn)換。然后通過程序?qū)@得的數(shù)字信號(hào)存放于PLC的特定儲(chǔ)存區(qū)域，供程序或上位機(jī)的使用。PLC是自控系統(tǒng)中的軀干。以西門子S7-300系列PLC為例，電磁流量計(jì)與PLC模擬輸入模板的接線如下：
????????三、電磁流量計(jì)--執(zhí)行設(shè)備層
????????執(zhí)行設(shè)備層相當(dāng)于四肢，負(fù)責(zé)現(xiàn)場介質(zhì)數(shù)據(jù)的測量，將物理量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，傳送給PLC進(jìn)行處理。關(guān)于流量計(jì)的結(jié)構(gòu)及工作原理如下：
????????I、概述
????????電磁流量計(jì)是一種電磁感應(yīng)流量儀表，智能電磁流量計(jì)是集信號(hào)檢測及微電子智能化技術(shù)于一體的機(jī)電產(chǎn)品?？筛鶕?jù)安裝方式分為管道式和插入式兩大類，也可以根據(jù)顯示方式分為現(xiàn)場顯示型（一體型）和遠(yuǎn)傳顯示型（分體型）兩種結(jié)構(gòu)，它能測量導(dǎo)電液體介質(zhì)，包括酸、堿、鹽等強(qiáng)腐蝕性液體和紙漿、泥漿、廢污水及固液兩相懸浮液的體積流量。產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于石油、化工、治金、紡織、食品、制藥、造紙等行業(yè)及環(huán)抱、市政管理、水利建成、河流灌溉等領(lǐng)域。
????????Ⅱ，測量原理
????????電磁流量計(jì)傳感器由一對產(chǎn)生磁場的線圈、測量管、電極、磁路基本件組成。測量原理是基于法拉第電磁感應(yīng)定律：導(dǎo)電液體在磁場中作切割磁力線運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電勢，其感應(yīng)電勢E為：
????????E=KBVD式中：K—儀表系數(shù)
????????B—磁感應(yīng)強(qiáng)度
????????V—測量管截面內(nèi)的平均流速
????????D一測量管截面的內(nèi)徑
????????當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度為常數(shù)時(shí)，感應(yīng)電勢正比于平均流速。在電磁流量傳感器中，感應(yīng)電勢由二個(gè)與介質(zhì)接觸的電極檢出，并傳送至轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的輸出信號(hào)，實(shí)現(xiàn)流體瞬時(shí)流量、累積流量的顯示及流量數(shù)據(jù)與微機(jī)系統(tǒng)之間的通信和控制。
????????四、工程量的轉(zhuǎn)換
????????整個(gè)檢測流程就是電磁流量計(jì)測量現(xiàn)場物理量的數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸入到PLC中，通過PLC進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，把電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，最后經(jīng)過PLC程序及上位機(jī)的應(yīng)用，還原為操作人員監(jiān)控的流量數(shù)據(jù)。也就是說要得到操作人員監(jiān)控的流量數(shù)據(jù)，是經(jīng)過一連串的工程量轉(zhuǎn)換的。
????????以下將說明工程量的轉(zhuǎn)換方式：
????????1.標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)
????????在電動(dòng)傳感器時(shí)代，中央控制成為可能，這就需要檢測信號(hào)的遠(yuǎn)距離傳送。但是紛繁復(fù)雜的物理量信號(hào)直接傳送會(huì)大大降低儀表的適用性。而且大多傳感器屬于弱信號(hào)型，遠(yuǎn)距離傳送很容易出現(xiàn)衰減、干擾的問題。因此才出現(xiàn)了二次變送器和標(biāo)準(zhǔn)的電傳送信號(hào)。二次變送器的作用就是將傳感器的信號(hào)放大成為符合工業(yè)傳輸標(biāo)準(zhǔn)的電信號(hào)，如0-5V、0-10V或4-20mA（其中用得最多的是4-20mA）。而變送器通過對放大器電路的零點(diǎn)遷移以及增益調(diào)整，可以將標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)準(zhǔn)確的對應(yīng)于物理量的被檢測范圍，如4-20mA對應(yīng)0-100hl/H或-10-100℃等等.這是用硬件電路對物理量進(jìn)行數(shù)學(xué)變換。
????????2、數(shù)字化儀表
????????到了數(shù)字化時(shí)代，指針式顯示表變成了更直觀、更精確的數(shù)字顯示方式。在數(shù)字化儀表中，這種顯示方式實(shí)際上是用純數(shù)學(xué)的方式對標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行逆變換，成為大家習(xí)慣的物理量表達(dá)方式。這種變換就是依靠軟件做數(shù)學(xué)運(yùn)算。這些運(yùn)算可能是線性方程，也可能是非線性方程，現(xiàn)在的電腦對這些運(yùn)算是易如反掌。
????????3，信號(hào)變換中的數(shù)學(xué)問題
????????信號(hào)的變換需要經(jīng)過以下過程：物理量一傳感器信號(hào)一標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)一A/D轉(zhuǎn)換一數(shù)值顯示。
????????假定物理量為A，范圍即為A0~A，實(shí)時(shí)物理量為X；標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)是B0一Bm，實(shí)時(shí)電信號(hào)為Y:A/D轉(zhuǎn)換數(shù)值為C0~Cm，實(shí)時(shí)數(shù)值為Z。如此，B0對應(yīng)于A0，Bm對應(yīng)于Am，Y對應(yīng)于X，即Y=fX）。由于是線性關(guān)系，得出方程式為Y=（Bm-B0）*（X-A0）/（Am-A0）+B0.又由于是線性關(guān)系，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)學(xué)方程Z=f（X）可以表示為Z-（Cm-C0）*（X A0）/（Am-A0）+C0.那么就很容易得出逆變換的數(shù)學(xué)方程為X=（Am-AO）*（億-C0）/（Cm-C0）+A0。方程中計(jì)算出來的X就可以在顯示器上直接表達(dá)為被檢測的物理量。
????????4，PLC中逆變換的計(jì)算方法
????????以S7-200和4~20mA為例，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后，我們得到的數(shù)值是6400~32000（不同的類型PLC輸入模塊，對應(yīng)的數(shù)字不相同，應(yīng)根據(jù)其產(chǎn)品手冊確定），即C0=6400，Cm=32000。于是，X=（Am-A0）*（Z-6400）/（32000-6400）+A0。
????????例如流量計(jì)檢測的范圍是0-1000h1/H，用上述的方程表達(dá)為X=1000*（Z-6400）/25600+0.經(jīng)過PLC的數(shù)學(xué)運(yùn)算指令計(jì)算后，上位機(jī)可以從結(jié)果寄存器中讀取，放人上位機(jī)的數(shù)據(jù)庫中并直接顯示為工程量。
用同樣的原理，我們可以在上位機(jī)上輸入工程量，然后由軟件轉(zhuǎn)換成控制系統(tǒng)使用的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)值，通過D/A轉(zhuǎn)換成4-20A來驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)閥、變頻器。
以上講述的就是PLC中工程量轉(zhuǎn)換的基本方法，程序的編寫則因人、因事而異。但是萬變不離其中。以上描述的這個(gè)過程就是計(jì)算機(jī)、PLC、電磁流量計(jì)檢測流量的原理與流程。在自動(dòng)化系統(tǒng)中其他的現(xiàn)場工況如質(zhì)量、溫度、速度、壓力、電壓、電流的監(jiān)測方式和此文中流量的監(jiān)控方式基本是一樣的，區(qū)別僅僅在檢測設(shè)備上的不同。因此以計(jì)算機(jī)、PLC及現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備組成的監(jiān)控系統(tǒng)在工廠自動(dòng)化中得到了廣泛的應(yīng)用。
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