基于PLC的一種冷水表全自動檢定裝置的研究

來源： 1．張家口市計量測試所，河北張家口; 2．河北省計量監督檢測研究院，石家莊作者：郭學軍，殷曉菁，宋興芳，王艷霞發布日期：2020-06-08

摘要: 為了提高冷水表的檢定效率和檢定精度，提出基于西門子 S7 － 200 SMART PLC 的冷水表全自動檢定裝置。通過 PLC 對管道氣動閥門、水泵和變頻器的自動控制，對標準電磁流量計的數據采集和換算，實現了《JJG 162—2009 冷水水表檢定規程》中對常用、分界、非常小流量的冷水表自動檢定流程。該裝置能節約大量人工檢定時間，提高檢定準確度，延長使用壽命，降低運營成本。

引言

21 世紀水資源正在變成一種寶貴的稀缺資源，水資源問題已不僅僅是資源問題，更成為關系到國家經濟、社會可持續發展和長治久安的重大戰略問題。水表作為水廠供水和居民用水的重要計量設備，其準確度和穩定程度關系到供水單位和用水用戶的切身利益，因此水表檢定裝置和檢定方法顯得尤為重要。

目前水表檢定裝置按照檢定過程主要分 3 類:收集法、流量時間法、量器定制機構。收集法裝置一般包括啟停容積法、靜態容積法、啟停質量法和靜態質量法［1］。目前我國使用非常多的是容積式檢定裝置，采用人工讀數進行控制和計算記錄的方式進行檢測，檢測效率低，引入的人為誤差大［2］; 流量時間法具有操作便捷、噪聲小、系統穩定的優勢，已逐步取代傳統的容積式檢定裝置。隨著 PLC 的發展，其取代繼電器線路和以順序控制為主的優勢在工業控制領域得到廣泛應用。隨著日益增長的水表數量，基于 PLC 的水表檢定裝置應運而生。

1 全自動水表檢定裝置原理

圖 1 所示為西門子 S7 － 200 SMART PLC( 以下簡稱為 PLC) 應用于冷水表全自動檢定裝置的示意圖，該裝置以檢定 DN15DN25 冷水水表為例。該裝置用 DK － 8850 高壓水泵通過 DN50 管道抽水到穩流筒，實現串聯冷水表的穩定流速，裝置的末端分別接出 DN10，DN15，DN25 三路管道，同時接入西門子分體式電磁流量計 MAG6000 作為標準流量計，非常后水流回水池中。其中 PLC 自動控制電磁閥、西門子變頻器 G120C，實現控制流量并采集標準流量計的流量值。

根據水表檢定規程，水表的相對示值誤差 E 用百分數表示為［3］:

式中: Vi為指示體積; Va為實際體積。

在規程中規定準確度等級為 1 級冷水表的非常大允許誤差在高區( Q2?Q?Q4 ) 為 ±1%，在低區( Q1?Q ＜ Q2 ) 為 ±3%，僅適用于常用流量 Q3?100 m3 /h 的冷水表; 準確度等級為 2 級冷水表的非常大允許誤差在高區( Q2?Q?Q4 ) 為 ±2%，在低區( Q1?Q ＜Q2 ) 為 ±5%。根據國家質量技術監督局頒布的《JJG 162— 2009 冷水水表檢定規程》中對常用、分界、非常小流量的規定值對冷水表自動檢定流程，采集的流量值結果通過 232 串口與上位機人工界面通信，與圖像采集冷水表的結果進行比對得到檢定結果。

2 PLC 軟件設計

PLC 通過 STEP7 MicroWin SMART 軟件進行編程設計和調試，如圖 2 所示。 1) 程序初始化，包括串口子程序、高速計數器子程序、PID 調節子程序和檢定子程序。 2) 串口子程序實現 PLC 與上位機的數據傳輸通信。參數設置、數據傳輸選擇自由端口模式SMB30 = 16#09，組態端口0 為無奇偶校驗，8 位數據位，9600 波特率，自由口通信協議接收字符串，直至接收換行字符，然后消息會發送回發送方。

3) 高速計數器子程序采集 MAG6000 標準流量計的脈沖信號，經過程序換算得到檢定管道瞬時流量和累計流量。

首次掃描時，組態高速計數器并啟用計數器，將 HSC0 組態為具有內部方向控制功能的單相時鐘計數器———模式 0; 寫入新當前值; 將初始方向設置為加計數; 選擇復位輸入高電平有效; 清除 HSC0 的當前值并設置 HSC0 的預設值; 當 CV = PV 時發生中斷事件 12，組態 HSC0; 脈沖當量值輸入 VD4。進入中斷事件 12 后得到采集周期時間，非常后計算高速輸入脈沖頻率，并通過流量換算公式計算瞬時流量: 瞬時流量 Q = 脈沖頻率/脈沖當量。 4) PID 調節子程序如圖 3 所示，根據冷水表的設定值( 給定) 和高速計數器的實際流量值，按照閉環控制過程的 PID 算法計算出變頻器的模擬輸出量，通過 EM AQ02 模塊傳送到變頻器中，實現自動調節水泵，使裝置的流量達到設定值。

5) 檢定子程序如圖 4 所示，通過輸出閥門驅動電路控制氣動電磁閥，實現根據流量需求自動切換檢定管道，其中 Q0． 1 ～ Q0． 4 對應控制裝置中的 4個電磁閥。

首先在安裝被檢冷水表后進行 3 min 的通水排氣，去除檢定裝置管道中的空氣，防止影響檢定準確度; 其次在開始檢定后，PLC 運用 PID 模塊調節變頻器，控制水泵流量同時采集電磁流量計的數值，使被檢水表獲得穩定的常用流量 Q3，隨后與上位機通信開始采集信號，在檢定時間內，記錄電磁流量計累積流量并上傳到上位機作為標準。按照常用流量 Q3的檢定過程，PLC 依次完成對分界流量 Q2和非常小流量 Q1的檢定。檢定完成后，冷水表檢定裝置泄壓卸水表。

3 硬件配置

1) 定義 MAG6000 標準流量計輸出脈沖信息: 根據 DN25 冷水表的常用流量 Q3為 6300 L/h，流量計參數設置為每 1 mL 輸出一個脈沖，脈沖寬度為 510 μs，脈沖周期為 570 μs，輸出脈沖頻率為 1． 8 kHz。

2) 變頻器根據 DK － 8850 高壓水泵銘牌通過BOP － 2 操作面板進行參數設置，定義的輸入/輸出配置 P15 選擇宏程序 13 模擬設定值模式; 在實際安裝中，需要將變頻器的供電電源與 PLC 電源隔離，否則會影響 PLC 的串口通信。 3) PLC 的系統參數設置: 高速計數器設置為單相非常大速率能識別 200 kHz，系統設置濾波時間為0． 2 ms，濾波頻率為 2． 5 kHz。

4 結果與討論

在 PID 調節到穩定流量時，瞬時流量存在正常范圍的波動而不是一個數值不變，用 SMART 軟件測試 PLC 高速計數器，比對標準流量計脈沖數，結果如表 1 所示。