基于西門子S7-300平臺的明渠流量計設計

蔣天躍

摘? ?要：本設計是以西門子S7-300為計算中心的明渠流量計，特點是流速傳感器和液位傳感器是分開的，數據輸入給西門子PLC進行計算，最后通過軟件編程，把計算結果輸出到數顯儀表上。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的區段，不要離入口和出口太近。優點是可以通過編程軟件修改參數，尤其是流量單位的任意轉換。

關鍵詞：西門子? S7-300? ?明渠流量計流速液位編程

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

1? 設計原理

本文設計的明渠流量計以流速-水位運算法為基礎，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行計算。本設計采用了先進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時模擬量數據經過西門子S7-300平臺的計算，輸出到一個數顯儀表上。原理如圖1所示。

計算公式

2? 硬件設計

2.1 測速儀表

本設計的測速儀表采用超聲波探頭，如圖1所示，把兩個探頭布設在溝渠兩邊，這兩點之間與溝渠的邊緣不能垂直，A點到B點時間為t1，由B點發A點收時間為t2，由于流速的存在，逆水時間長，順水時間短，時間差Δt=t1-t2，流速υ與Δt有線性關系[1]。經過計算，可以得出AB線段上的平均流速，并轉換成4～20mA輸出。探頭要放在水位的中點左右，不能在溝渠底部，也不能露出液面，否則數據都不準確[2]。

2.2 液位計

由公式（1）可知，溝渠寬度W是規則的，液位的高h是流量大小的重要變量。本設計采用的液位計是依據電容感應原理，當被測介質淹沒液位計測量電極時，引起其電容變化。它可將物位、液位介質高度的變化轉換成標準電流信號4～20mA。

液位計的安裝位置要選取得當，因為大多數的溝渠底部都不太平坦，這都會影響液位計的準確性。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，而且經過PLC的計算后要輸出到數字顯示儀表中，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的標準信號。

數顯儀表的功能很多，我們需要一個標準電流信號4～20mA的輸入，以及可以設置量程和報警等信號的數顯儀表即可。

3? 組態編程

3.1 工程組建

裝好編程軟件Step7，新建一個SIMATIC 300站點，創建站點后進入硬件的圖標。接著要創建導軌，之后就可以添加自己要用的模塊了。

當我們把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自動分配的地址，一定要與之對應;HI_LIM和LO_LIM是AI的量程;BIPOLAR是極性設置，信號為4～20mA（單極性信號），則設置為0。

FC106是處理AO的功能塊，其與FC105一樣，因為是輸出模塊，所以OUT管腳是模擬量輸出通道，地址從PQW288開始，這也是系統自動分配的地址，必須與之對應。

程序段如圖2所示。其中的加法功能塊加上了0.19m，是因為液位計離底部是0.19m。最后面的乘法功能塊是流量單位L/s與m3/h之間的換算關系所致。

4? 結語

本流量計優點在于測速傳感器和液位傳感器是分開的，可以更準確的對溝渠的流量進行監測，如果哪一個儀表出現問題導致流量不準確，可以只替換有問題的那部分，可以節約成本。還可以通過西門子S7-300平臺編程對輸出的流量單位進行任意的換算，非常方便。

不過，它也是有缺點的，也就是溝渠必須要規則。還有流量計的安裝位置必須是比較平穩的水段，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確性。

參考文獻

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

[2] 周幫平.多普勒超聲明渠流量計研究[D].北方工業大學，2018.

[3] 王淑紅.超聲波流量計在開封市東區污水處理廠的應用實踐[J].科學技術創新，2017（25）：11-12.