流量累积计算在PLC系统中的实现

单珊 梁伟

[摘 要] 阐述了通过PLC（Programmable Logic Controller，可编程逻辑控制系统），实现流量显示以及对于流量累计计量的基本算法。其中介绍了PLC系统的基本应用、流量累积计算的原理、针对带有累积功能和不带有累积功能的两种流量计利用PLC系统实现累积计量的方法。

[关键词] PLC系统；累积量计算；高速计数器

doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2018. 11. 060

[中图分类号] TP311 [文献标识码] A [文章编号] 1673 - 0194（2018）11- 0137- 02

1 PLC系统基本介绍以及流量累积计算的原理

1.1 PLC系统的基本介绍

PLC（Programmable Logic Controller，可编程逻辑控制系统），以微处理器为基础，是综合了计算机技术与自动化控制技术为一体的工业控制产品。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。

随着工业控制技术的飞速发展，PLC系统已广泛应用于石油、钢铁、化工、电力、建材、汽车、交通运输等各个行业，并且增加了一些专用的控制功能，如PID调节功能、伺服功能、高速计数（HSC）功能等，提高了系统的实用性和控制效率。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、重量轻等优点。

PLC系统主要由电源、中央处理单元（CPU）、存储器、输入输出接口电路、功能模块和通讯模块等部分组成。该系统的主要应用类型有以下几种：

1.1.1 开关量逻辑控制

这是PLC最基本、最广泛的应用领域，它取代了传统的继电器电路，实现逻辑控制和顺序控制。

1.1.2 模拟量控制

在工业生产过程中，有许多连续变化的量，如流量、压力、温度、液位、速度等都是模拟量，PLC为此设计了A/D和D/A转换器来实现模拟量控制。

1.1.3 运动控制

PLC可通过使用专门的运动控制模块来实现对圆周运动或直线运动的控制。

1.1.4 过程控制

过程控制是指对流量、压力、温度的闭环控制，PID调节是一般闭环控制系统中用的较多的调节。

1.1.5 数据处理

PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序等功能来完成数据的采集、分析及处理。

1.2 流量累积的原理

把瞬时流量（也称为流率）经过累加运算为总流量，一般有如下一个公式：瞬时流量×时间=总流量。

但是如果现场流体的流速随时都有变化的话，就不能使用上面的公式来计算了。可以按照一定的时间间隔对现场流量信号进行采样，然后计算这些值的总和。这样，流量信号的采集时间越短，计算的结果就越准确。

对于利用PLC控制系统实现流量的累积量计算，可以根据现场流量测量仪表的不同特性以及不同的PLC特性通过几种方法实现，下面进行详细的介绍。

2 PLC控制系统实现流量累积计算的方法

2.1 实现流量累积计算的三种方法简述

PLC控制系统中，实现流量累积功能的方法归纳起来，若按照实现功能的不同元件来划分，可以划分为三类：PLC系统累积法，上位监控软件累积法，一次元件累积法。

PLC系统累积法又根据不同的流量计特性，有不同的实现方法，对此将进行详细的介绍。

上位监控软件累积法，是在上位监控软件中利用计算机的强大运算功能，编辑定时执行的脚本程序，按照累积流量的公式进行累积计算，这种方法实现步骤简单，程序可读性好，并且不依赖系统硬件，可移植，也不会额外增加PLC的CPU的运算负荷。但是问题是，若重启上位机监控系统时可能会引起累积量数值丢失，相对于PLC控制来说，故障率较高稳定性差。

而一次元件累积法的实现，需要一次流量仪表带有累计功能（如超声波流量计）并且支持通讯功能、带有相对于上位监控系统通讯驱动软件，这样就可以利用一次仪表的通讯功能，将流量累计值等参数，通过传输介质传到上位监控系统，在上位系统上显示和记录。这种方法的稳定性和可靠性都很高，不会因为PLC硬件和上位监控系统故障影响计量工作的连续性和准确性，多台仪表可以串联一起通过一条电缆与上位机通讯，但是这种方法对于一次测量仪表的要求较高，需要额外占用计算机串口或者是主板的扩展插槽资源，并且只适合于现场需要流量累积计算仪表较少并且分布较集中的情况，局限性较大。

2.2 PLC控制系统实现流量累积计算的方法

根据现场仪表的不同特性，可以将现场流量计分为只有瞬时流量输出的流量计和带有累积功能的流量计，前者输出的是4～20 mA模拟电流信号，后者输出的是脉冲信号，这两种信号输出的都是瞬时流量。对于只有瞬时流量输出的流量计，在PLC系统中用定时中断的方法进行流量累积加法运算。对于带有累积功能的流量计，PLC系统高速脉冲输入端可以进行高速计数，得到累积流量，或者是使用普通的DI通道，进行脉冲采集，这就需要注意通道的脉冲宽度，若宽度不够会影响数据的采集和计算。

累积功能在PLC内部实现，相对比较可靠，不受其他外界因素影响，只要PLC正常运行，累积工作就不会停止；而且通过选用保持寄存器，就可以实现不间断计量。

下面针对这以上两种形式的控制方式进行详细介绍。

2.2.1 对于瞬时流量输出的PLC累积量算法

对于输出信号为4～20 mA的只有瞬时流量输出的流量计，PLC系统可以使用定时中断的方法来实现流量累计，这样采样间隔时间就是固定的了，或者利用計时器指令来作为采样间隔时间，每次计时器到了设定值就采样一次。在PLC系统中只能运行指定的一个中断程序，不允许再产生其他中断（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。对于以小时为计量单位的流量，在PLC中可定时执行一些小型中断程序来实现流量累积功能。这种方法除第一步是在PLC启动运行时运行一次外，其余的步骤都是循环执行的，可以很容易地实现流量累积计算，但是由于PLC中只能应用一个可选定时中断程序，其定时中断时间一般较难同时满足几种逻辑功能的需要。

还可以使用计时器指令来作为采集间隔时间，每次计时器到了设定值就采集一次。计时器的精度不可能高于它的时基，因此每次计时器超时和再次开始计时的時候，都要产生一个时基的正或负的误差，可以采用一种技巧来减少因计时器精度带来的误差即采用长的时间计时。在这种算法中，采样间隔时间就不是固定的了，这样就会降低计时器精度带来的误差。此外，需要注意，在PLC系统中处理带温压补偿的流量时，流量数据应在处理好后进行累积，而不能直接使用流量计本身的瞬间值。

2.2.2 对于带有脉冲输出流量计的PLC累积量计算

带有累积功能的流量计（如质量流量计、超声波流量计等）的输出信号为脉冲信号，可以利用PLC的高速计数器来实现高速计数，得到累积流量。高速计数器（HSC）独立于CPU扫描周期进行计数，它的工作模式有：计数器，外部方向控制；单相计数器，内部方向控制；双相增/减计数器，双脉冲输入等。所有的计数器无须启动条件设置，只需在硬件向导中设置完成后下载到CPU中即可启动高速计数器。高速计数器的输入使用与普通数字量输入相同的地址，当某个输入点已定义为高速计数器的输入点时，就不能再应用于其他功能，但在某个模式下，没有用到的输入点还可以用于其他功能的输入。对于高速计数器是否达到最大计数值时需要判断，S7-200CPU的高速计数器是不断进行累计的，最高位为符号位，最小值为7FFFFFFF，由于计数器一直在累加，那么通过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，如果达到，则执行特殊的计算以便消除计算错误，该消除错误的程序需要放在定时中断程序中执行。

当前的计数值若大于上次的计数值时，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给上次计数值上。例如，定时中断程序采用250 ms中断一次执行，通过以上计算就得到了250 ms内流量计发过来的脉冲个数，这个数值乘以脉冲当量就是250 ms内的流量值，再除以时间就是瞬时流量，再执行累加程序就可以计算累积流量了。

3 结 语

利用PLC可以实现对于流量累积量的计算，对于脉冲信号和4～20 mA信号两种不同的信号输出，可以根据具体的情况，选择使用定时中断程序来设定信号采集时间间隔，或者是利用高速计数器，将其初始化后实现流量累积。