摘要：本設(shè)計是以S7-300為計算中心的超聲波明渠流量計，特點是流速傳感器和液位傳感器是分開的，數(shù)據(jù)輸入給PLC進(jìn)行計算，較后通過軟件編程，把計算結(jié)果輸出到數(shù)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，較好在明渠的水位和流速平穩(wěn)的區(qū)段，不要離入口和出口太近。優(yōu)點是可以通過編程軟件修改參數(shù)，尤其是流量單位的任意轉(zhuǎn)換。
1設(shè)計原理
本文設(shè)計的
超聲波明渠流量計以流速-水位運算法為基礎(chǔ)，流速測量和液位測量是兩個不同的儀表，較后采集這兩個
模擬量進(jìn)行計算。本設(shè)計采用了先進(jìn)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(shù)據(jù)經(jīng)過S7-300平臺的計算，輸出到一個數(shù)顯儀表上。原理如圖1所示。計算公式
(1)
2硬件設(shè)計
2.1測速儀表
本設(shè)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(shè)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(fā)A點收時間為t2，由于流速的存在，逆水時間長，順?biāo)畷r間短，時間差Δt=t1-t2，流速υ與Δt有線性關(guān)系[1]。經(jīng)過計算，可以得出AB線段上的平均流速，并轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)都不準(zhǔn)確[2]。
2.2液位計
由公式(1)可知，溝渠寬度W是規(guī)則的，液位的高h(yuǎn)是流量大小的重要變量。本設(shè)計采用的液位計是依據(jù)電容感應(yīng)原理，當(dāng)被測介質(zhì)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(zhì)高度的變化轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電流信號4~20mA。
液位計的安裝位置要選取得當(dāng)，因為大多數(shù)的溝渠底部都不太平坦，這都會影響液位計的準(zhǔn)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(shè)計是基于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(jīng)過PLC的計算后要輸出到數(shù)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(biāo)準(zhǔn)信號。
數(shù)顯儀表的功能很多，我們需要一個標(biāo)準(zhǔn)電流信號4~20mA的輸入，以及可以設(shè)置量程和報警等信號的數(shù)顯儀表即可。
3組態(tài)編程
3.1工程組建
裝好編程軟件Step7，新建一個SIMATIC300站點，創(chuàng)建站點后進(jìn)入硬件的圖標(biāo)。接著要創(chuàng)建導(dǎo)軌，之后就可以添加自己要用的模塊了。當(dāng)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(shè)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(jù)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Programelements中的Libraries下的StandardLibrary下的TI-S7ConvertingBlocks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(tǒng)自動分配的地址，一定要與之對應(yīng)；HI_LIM和LO_LIM是AI的量程；BIPOLAR是極性設(shè)置，信號為4~20mA（單極性信號），則設(shè)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O(shè)UT管腳是模擬量輸出通道，地址從PQW288開始，這也是系統(tǒng)自動分配的地址，必須與之對應(yīng)。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。較后面的乘法功能塊是流量單位L/s與m3/h之間的換算關(guān)系所致。
4結(jié)語
本超聲波明渠流量計優(yōu)點在于測速傳感器和液位傳感器是分開的，可以更準(zhǔn)確的對溝渠的流量進(jìn)行監(jiān)測，如果哪一個儀表出現(xiàn)問題導(dǎo)致流量不準(zhǔn)確，可以只替換有問題的那部分，可以節(jié)約成本。還可以通過S7-300平臺編程對輸出的流量單位進(jìn)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(guī)則。還有超聲波明渠流量計的安裝位置必須是比較平穩(wěn)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(zhǔn)確性。
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