上位機、PLC與電磁流量計組合監(jiān)控流量的原理及流程分析
發(fā)布時間：2022-12-05 10:25:06來源：www.healthma.cn來源：..
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????????以計算機，PLC及電磁流量計組成的監(jiān)控流量系統(tǒng)實際就組成了一個微型的監(jiān)視控制和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，這類系統(tǒng)包含3個部分，即計算機一上位監(jiān)視層、PLC—控制設(shè)備層和電磁流量計一執(zhí)行設(shè)備層。它的功能第一是監(jiān)視整個生產(chǎn)過程，第二是可以控制和干預(yù)整個生產(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、分析報表。本文以流量監(jiān)測為例，分析自控系統(tǒng)中是如何實現(xiàn)對現(xiàn)場工流量數(shù)據(jù)進行采集、監(jiān)控的。
????????一、計算機--上位監(jiān)視層
????????在整個系統(tǒng)中計算機作為上位監(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，如對流量實時數(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。計算機要實現(xiàn)上位機的功能，主要由工控軟件實現(xiàn)，例如西門子公司的WINCC，GE Fanuc公司的FX軟件，都能實現(xiàn)豐富的上位機功能。如直觀的監(jiān)控現(xiàn)場工況。在生產(chǎn)和過程自動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)使其具有高度的實用性。上位機相當(dāng)于整個監(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在整個自控系統(tǒng)中起接收處理現(xiàn)場信號、驅(qū)動現(xiàn)場設(shè)備，并與上位機通過網(wǎng)絡(luò)進行通信，向其提供現(xiàn)場工況數(shù)據(jù)及執(zhí)行上位機下達的命令等作用。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傳來的模擬量電信號，然后將電信號經(jīng)模擬量輸入模板轉(zhuǎn)換為PLC可以識別的數(shù)字信號即完成A/D轉(zhuǎn)換。然后通過程序?qū)@得的數(shù)字信號存放于PLC的特定儲存區(qū)域，供程序或上位機的使用。PLC是自控系統(tǒng)中的軀干。以西門子S7-300系列PLC為例，電磁流量計與PLC模擬輸入模板的接線如下：
????????三、電磁流量計--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，傳送給PLC進行處理。關(guān)于流量計的結(jié)構(gòu)及工作原理如下：
????????I、概述
????????電磁流量計是一種電磁感應(yīng)流量儀表，智能電磁流量計是集信號檢測及微電子智能化技術(shù)于一體的機電產(chǎn)品。可根據(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動時，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)強度為常數(shù)時，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，實現(xiàn)流體瞬時流量、累積流量的顯示及流量數(shù)據(jù)與微機系統(tǒng)之間的通信和控制。
????????四、工程量的轉(zhuǎn)換
????????整個檢測流程就是電磁流量計測量現(xiàn)場物理量的數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)換為電信號輸入到PLC中，通過PLC進行A/D轉(zhuǎn)換，把電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，最后經(jīng)過PLC程序及上位機的應(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
????????在電動傳感器時代，中央控制成為可能，這就需要檢測信號的遠距離傳送。但是紛繁復(fù)雜的物理量信號直接傳送會大大降低儀表的適用性。而且大多傳感器屬于弱信號型，遠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。二次變送器的作用就是將傳感器的信號放大成為符合工業(yè)傳輸標(biāo)準(zhǔn)的電信號，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遷移以及增益調(diào)整，可以將標(biāo)準(zhǔn)信號準(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行數(shù)學(xué)變換。
????????2、數(shù)字化儀表
????????到了數(shù)字化時代，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，這種顯示方式實際上是用純數(shù)學(xué)的方式對標(biāo)準(zhǔn)信號進行逆變換，成為大家習(xí)慣的物理量表達方式。這種變換就是依靠軟件做數(shù)學(xué)運算。這些運算可能是線性方程，也可能是非線性方程，現(xiàn)在的電腦對這些運算是易如反掌。
????????3，信號變換中的數(shù)學(xué)問題
????????信號的變換需要經(jīng)過以下過程：物理量一傳感器信號一標(biāo)準(zhǔn)電信號一A/D轉(zhuǎn)換一數(shù)值顯示。
????????假定物理量為A，范圍即為A0~A，實時物理量為X；標(biāo)準(zhǔn)電信號是B0一Bm，實時電信號為Y:A/D轉(zhuǎn)換數(shù)值為C0~Cm，實時數(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。方程中計算出來的X就可以在顯示器上直接表達為被檢測的物理量。
????????4，PLC中逆變換的計算方法
????????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。
????????例如流量計檢測的范圍是0-1000h1/H，用上述的方程表達為X=1000*（Z-6400）/25600+0.經(jīng)過PLC的數(shù)學(xué)運算指令計算后，上位機可以從結(jié)果寄存器中讀取，放人上位機的數(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。以上描述的這個過程就是計算機、PLC、電磁流量計檢測流量的原理與流程。在自動化系統(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。因此以計算機、PLC及現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備組成的監(jiān)控系統(tǒng)在工廠自動化中得到了廣泛的應(yīng)用。
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