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(biāo)準(zhǔn)電磁流量計的數(shù)據(jù)采集和換算，實現(xiàn)了《JJG 162—2009 冷水水表檢定規(guī)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(jié)約大量人工檢定時間，提高檢定準(zhǔn)確度，延長使用壽命，降低運營成本。
引言
21 世紀(jì)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(guān)系到國家經(jīng)濟(jì)、社會可持續(xù)發(fā)展和長治久安的重大戰(zhàn)略問題。水表作為水廠供水和居民用水的重要計量設(shè)備，其準(zhǔn)確度和穩(wěn)定程度關(guān)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(jī)構(gòu)。收集法裝置一般包括啟停容積法、靜態(tài)容積法、啟停質(zhì)量法和靜態(tài)質(zhì)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(shù)進(jìn)行控制和計算記錄的方式進(jìn)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(tǒng)穩(wěn)定的優(yōu)勢，已逐步取代傳統(tǒng)的容積式檢定裝置。隨著 PLC 的發(fā)展，其取代繼電器線路和以順序控制為主的優(yōu)勢在工業(yè)控制領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。隨著日益增長的水表數(shù)量，基于 PLC 的水表檢定裝置應(yīng)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(yīng)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(wěn)流筒，實現(xiàn)串聯(lián)冷水表的穩(wěn)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(biāo)準(zhǔn)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(xiàn)控制流量并采集標(biāo)準(zhǔn)流量計的流量值。
根據(jù)水表檢定規(guī)程，水表的相對示值誤差 E 用百分?jǐn)?shù)表示為［3］:
式中: Vi為指示體積; Va為實際體積。
在規(guī)程中規(guī)定準(zhǔn)確度等級為 1 級冷水表的非常大允許誤差在高區(qū)( Q2?Q?Q4 ) 為 ±1%，在低區(qū)( Q1?Q ＜ Q2 ) 為 ±3%，僅適用于常用流量 Q3?100 m3 /h 的冷水表; 準(zhǔn)確度等級為 2 級冷水表的非常大允許誤差在高區(qū)( Q2?Q?Q4 ) 為 ±2%，在低區(qū)( Q1?Q ＜Q2 ) 為 ±5%。根據(jù)國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局頒布的《JJG 162— 2009 冷水水表檢定規(guī)程》中對常用、分界、非常小流量的規(guī)定值對冷水表自動檢定流程，采集的流量值結(jié)果通過 232 串口與上位機(jī)人工界面通信，與圖像采集冷水表的結(jié)果進(jìn)行比對得到檢定結(jié)果。
2 PLC 軟件設(shè)計
PLC 通過 STEP7 MicroWin SMART 軟件進(jìn)行編程設(shè)計和調(diào)試，如圖 2 所示。 1) 程序初始化，包括串口子程序、高速計數(shù)器子程序、PID 調(diào)節(jié)子程序和檢定子程序。 2) 串口子程序?qū)崿F(xiàn) PLC 與上位機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸通信。參 數(shù) 設(shè) 置、數(shù)據(jù)傳輸選擇自由端口模式SMB30 = 16#09，組態(tài)端口0 為無奇偶校驗，8 位數(shù)據(jù)位，9600 波特率，自由口通信協(xié)議接收字符串，直至接收換行字符，然后消息會發(fā)送回發(fā)送方。
3) 高速計數(shù)器子程序采集 MAG6000 標(biāo)準(zhǔn)流量計的脈沖信號，經(jīng)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(tài)高速計數(shù)器并啟用計數(shù)器，將 HSC0 組態(tài)為具有內(nèi)部方向控制功能的單相時鐘計數(shù)器———模式 0; 寫入新當(dāng)前值; 將初始方向設(shè)置為加計數(shù); 選擇復(fù)位輸入高電平有效; 清除 HSC0 的當(dāng)前值并設(shè)置 HSC0 的預(yù)設(shè)值; 當(dāng) CV = PV 時發(fā)生中斷事件 12，組態(tài) HSC0; 脈沖當(dāng)量值輸入 VD4。進(jìn)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(dāng)量。 4) PID 調(diào)節(jié)子程序如圖 3 所示，根據(jù)冷水表的設(shè)定值( 給定) 和高速計數(shù)器的實際流量值，按照閉環(huán)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(xiàn)自動調(diào)節(jié)水泵，使裝置的流量達(dá)到設(shè)定值。
5) 檢定子程序如圖 4 所示，通過輸出閥門驅(qū)動電路控制氣動電磁閥，實現(xiàn)根據(jù)流量需求自動切換檢定管道，其中 Q0． 1 ～ Q0． 4 對應(yīng)控制裝置中的 4個電磁閥。
首先在安裝被檢冷水表后進(jìn)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(zhǔn)確度; 其次在開始檢定后，PLC 運用 PID 模塊調(diào)節(jié)變頻器，控制水泵流量同時采集電磁流量計的數(shù)值，使被檢水表獲得穩(wěn)定的常用流量 Q3，隨后與上位機(jī)通信開始采集信號，在檢定時間內(nèi)，記錄電磁流量計累積流量并上傳到上位機(jī)作為標(biāo)準(zhǔn)。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(biāo)準(zhǔn)流量計輸出脈沖信息: 根 據(jù) DN25 冷水表的常用流量 Q3為 6300 L/h，流量計參數(shù)設(shè)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(jù) DK － 8850 高壓水泵銘牌通過BOP － 2 操作面板進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，定義的輸入/輸出配置 P15 選擇宏程序 13 模擬設(shè)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(tǒng)參數(shù)設(shè)置: 高速計數(shù)器設(shè)置為單相非常大速率能識別 200 kHz，系統(tǒng)設(shè)置濾波時間為0． 2 ms，濾波頻率為 2． 5 kHz。
4 結(jié)果與討論
在 PID 調(diào)節(jié)到穩(wěn)定流量時，瞬時流量存在正常范圍的波動而不是一個數(shù)值不變，用 SMART 軟件測試 PLC 高速計數(shù)器，比對標(biāo)準(zhǔn)流量計脈沖數(shù)，結(jié)果如表 1 所示。
由測試數(shù)據(jù)得到 3 min 和 10 min 的計時累積流量誤差分別為 0． 034% 和 0． 000 56% ，MAG6000 自身的測量精度為 ± 0． 2% ，根據(jù)數(shù)據(jù)得到的 PLC 的測試精度足夠滿足水表檢定裝置測量精度。
5 結(jié)論
基于 PLC 的冷水表全自動檢定裝置是 PLC 工業(yè)控制技術(shù)與水表計量檢定相結(jié)合的應(yīng)用，解決了傳統(tǒng)水表檢定效率低、勞動強(qiáng)度大、操作繁瑣的問題。該裝置系統(tǒng)穩(wěn)定可靠、操作方便、檢定效率高、自動化程度高，能廣泛適用于水表自檢和計量檢定部門，提高整體的產(chǎn)品質(zhì)量。
