引言

氣體流量標準裝置是檢測氣體流量儀表的必備計量測試設備。由于音速文丘利噴嘴具有結構簡單、體積小、性能穩定、重復性好、精度高等優點,被作為氣體流量傳遞標準,在國內外得到廣泛的應用。在一些裝置中，數據采集和控制功能一般由工控機,光電隔離卡塊, 頻率輸人卡塊, 開關量卡塊,信號調理模塊等組成的計算機系統完成。而上海工業自動化儀表研究所采取的數據采集和控制系統是由西門子公司提供的S7系列PLC組成。

1 氣體流量標準裝置的基本原理和控制要求

1.1基本結構

圖1 氣體流量標準裝置基本結構圖

基本結構組成如圖1所示，從圖1可知基于文丘里噴嘴的氣體標準裝置主要由檢測和控制兩部分組成。其中檢測部分由被檢表，文丘里噴嘴，真空泵，匯流罐，緩沖罐，溫度變送器，壓力變送器，試驗管道，氣動閥等組成。控制部分的實現主要是由西門子公司生產的S7-300,PC機，PROFIBUS-DP總線，RS-232,RS485總線等組成。

1.2 工作過程

裝置開始工作時,打開真空泵，同時操作員在上位機中輸入要測量的被檢表流量值，此時PLC根據輸入測量值自動打開相應的噴嘴開關閥。然后真空泵將空氣由被檢表的上游直管段入口吸入, 流過測試管段和被檢流量計, 進入儲氣罐, 流經一定組合的臨界流文丘里噴嘴后, 進入緩沖罐。當氣體裝置進入穩定狀態后且噴嘴前后壓力達到臨界壓比時，開始采集數據并記錄在CPU里。在測試結束時計算出標準的累積流量，并與采集到的被檢流量計的指示值進行比較和計算, 即可得到被檢流量計的測量精度。

2 計算機采集系統和PLC系統的比較

在很多氣體標準裝置中，尤其是在*十年代，數據采集和控制部分是利用計算機系統來完成的，但是隨著這幾年PLC在各個領域的大量應用，他的優勢越來越多地得到體現。在此套設備中，他的優勢主要體現在如下幾方面：

（1）硬件部分模塊化。在一套氣體標準裝置中，由于涉及的點數比較多而且參數變量輸入信號不定，所以計算機控制系統必須配備光電隔離卡塊, 頻率輸人卡塊, 開關量卡塊, 高分辨率圖象卡塊,信號調理模塊及端子等大量的比較瑣碎的器件，如果點數越多，所需要的器件越多。而PLC有較多的，適應各種控制要求的功能模塊可供選擇,如果要實現一種功能只需插入一塊模塊即可。因此在現場工作可靠性與通用性方面，PLC為更好的選擇。

（2）程序清晰明了且易上手。計算機系統編程需要專業人員的大量編程才能實現一些功能且程序不易修改。而PLC由專門的編程軟件供使用，他結構化的編程語言，友好的編程環境讓人可以在最短的時間內完成比較繁瑣的任務編程且可以很容易的修改程序，特別便于上手，同時由于內部采用了循環掃描的工作方式，程序可靠性高。

（3）調試和模擬性強。由于PLC自帶有模擬軟件和組態軟件WINCC，且模塊的輸出與輸入接口都帶有顯示燈，這樣就可以在設備安裝前進行可靠的模擬試驗，可以避免由于程序的問題而導致設備受損。這一點是計算機系統所沒法比擬的。

（4）現場總線的使用。由于本系統對現場采集的數據要求實時性較高，再加上現場需要采集的數據較多，所以如果采用計算機系統的話就會出現比較繁瑣的布線和不統一。而采用PLC系統支持的PROFIBUS總線，效果就不一樣了。PROFIBUS總線可以把所有的采集變送器連接起來，使數據的采集更加及時，準確，結構名了和容易控制。

（5）擴展能力強。PLC的硬件部分是由幾部分模塊組成的，如果要實現什么其他的功能只需增加模塊即可方便的擴展。而計算機系統在擴展中可能要增加很多元器件，甚至是變動系統的整體。從這點看PLC更有利于擴展。

（6）標準化強且維修方便。PLC的軟件和硬件部分都已標準化，不同的人可以在其他人做的基礎上進行改動和擴展。這樣就給未來的擴展和損壞后維修帶來極大的方便。而計算機系統各部分硬件電路的設計和軟件的編程實現可以多樣化，對以后的維修和擴展造成一定的影響。

3 控制功能的實現

3.1 數據采集和處理功能實現

數據的采集包括數字量和模擬量的采集。當系統進入穩定的臨界流狀態時，便可以通過控制PLC系統進行數據的采集。在氣體標準裝置中數據主要分三路采集，其中一路是對儲氣罐和被檢表的壓力和溫度的模擬量測量，這路數據要求實時性和精度比較高，所以采用PROFIBUS-DP總線和現場的溫度，壓力變送器進行數據的直接傳輸，這樣就可以保證數據的精度和實時性。

另一路模擬量數據是緩沖罐中的壓力和被測表的表值，這組數據要求精度不是很高，所以可以通過PLC的模擬量輸入模塊AI來進行采集和轉換。第三路數據則是各個開關量數字量信號，這路信號主要是通過PLC的數字輸入模塊DI進行采集，通過信號的采集反饋可以知道各路開關的開關狀況。

當所有數據都通過變送器采集到PLC的CPU中，CPU會根據程序已經編輯好的公式

進行累積流量計算，并將結果和被檢表的顯示值進行比較。

3.2 各控制開關的實現

在此設備中，數字量控制開關主要是控制噴嘴的氣動閥，真空泵和被測表的開關閥。在氣體標準裝置中，有數個文丘里噴嘴，他們的流量是根據整套裝置流量大小來設計的，且各個噴嘴的流量都不相同。在檢測中，當操作員輸入一個要檢測的流量參數時，PLC會根據噴嘴流量自動組織一組噴嘴進行檢測被檢表，這時CPU便會通過數字量輸出模塊控制應該打開噴嘴的開關閥。

而真空泵和被測表的氣動閥開關則在測量準備階段就由PLC控制數字量輸出模塊打開。

3.3 臨界壓力比的PID控制實現

根據音速文丘里噴嘴的性質，他最大的特點就是當噴嘴前后的壓力比P2/P1達到一定比例時，流過噴嘴的氣體流量將會保持不便。此套氣體標準裝置也就是利用這一原理而生成，所以保證氣體前后的壓力比在臨界流非常重要。在此套裝置中，由壓力變送器，變頻器，真空泵和PLC構成的PID控制系統能準確的控制裝置的運行處于臨界流狀態。在測量過程中，CPU隨時對采集到的噴嘴前后壓力P1,P2進行比較，當P2/P1滿足臨界流時，則真空泵保持現狀，一旦臨界流開始小于某一設定值，則通過模擬量輸出模塊輸出適當的電流信號以驅動變頻器進行對真空泵動作，以保證裝置在測量過程中始終處于臨界流狀態。

3.4 通訊的實現

本系統主要的通訊分為幾塊，一塊為上位機和PLC的連接，他們的連接通過PROFIBUS總線連接，同時要在上位機中安裝CP5621卡，并且之間遵循的是MPI協議。另一塊是PLC與現場變送器的連接，現場的數據變送器一路通過PLC的模擬量模塊輸入，另一部分通過PROFIBUS總線和DP-LINK模塊直接進行數據傳輸，他們遵循的是PROFIBUS-DP協議。

4 PLC軟件部分的實現

4.1 氣體標準裝置要實現的基本功能

PLC軟件主要是按照系統要實現的功能進行合理有效的編程，同時在系統運行時進行上位機監視和管理。

4.2 PLC內部運行和用戶程序的框圖

只有PLC內部CPU和用戶程序正常有序準確的運行才能保證整個測量的正常完成。PLC采用的是一種不斷循環的順序掃描工作方式。CPU在完成上電的基本系統程序后就開始按順序逐條地執行用戶程序直到用戶程序結束，然后返回第一條指令，開始新一輪的掃描。圖4圖5分別為PLC的運行框圖和用戶程序控制流程圖。用戶程序是由許多程序功能塊來實現的，程序功能塊包括模擬量數據采集的功能塊，數字量采集功能塊，數據處理功能塊，中斷處理功能塊，PID反饋控制功能塊等。編程時只要把這些功能塊按氣體標準裝置的控制要求合理地添加在主程序中即可。

圖4 PLC運行流程圖 圖5 應用程序流程圖

4.3 監控軟件的實現

監控軟件的使用不僅使用戶可以方便生動的看到整個檢測裝置在檢測過程中的動態情況，而且可以在操作上也大大方便了操作者。本文所使用的是力控監控軟件和STEP7編程軟件的有效結合。通過他們的結合使用，組成了用戶的人機友好監控系統。

5 結束語

PLC在基于文丘里的氣體標準裝置中的應用對這種裝置的未來發展產生深遠的影響。而且經過上海工業自動化儀表研究所成品的不斷驗證，他的可靠性，重復性非常高，具有推廣的意義。