基于PLC的一种冷水表全自动检定装置的研究

来源： 1．张家口市计量测试所，河北张家口; 2．河北省计量监督检测研究院，石家庄作者：郭学军，殷晓菁，宋兴芳，王艳霞发布日期：2020-06-08

摘要: 为了提高冷水表的检定效率和检定精度，提出基于西门子 S7 － 200 SMART PLC 的冷水表全自动检定装置。通过 PLC 对管道气动阀门、水泵和变频器的自动控制，对标准电磁流量计的数据采集和换算，实现了《JJG 162—2009 冷水水表检定规程》中对常用、分界、非常小流量的冷水表自动检定流程。该装置能节约大量人工检定时间，提高检定准确度，延长使用寿命，降低运营成本。

引言

21 世纪水资源正在变成一种宝贵的稀缺资源，水资源问题已不仅仅是资源问题，更成为关系到国家经济、社会可持续发展和长治久安的重大战略问题。水表作为水厂供水和居民用水的重要计量设备，其准确度和稳定程度关系到供水单位和用水用户的切身利益，因此水表检定装置和检定方法显得尤为重要。

目前水表检定装置按照检定过程主要分 3 类:收集法、流量时间法、量器定制机构。收集法装置一般包括启停容积法、静态容积法、启停质量法和静态质量法［1］。目前我国使用非常多的是容积式检定装置，采用人工读数进行控制和计算记录的方式进行检测，检测效率低，引入的人为误差大［2］; 流量时间法具有操作便捷、噪声小、系统稳定的优势，已逐步取代传统的容积式检定装置。随着 PLC 的发展，其取代继电器线路和以顺序控制为主的优势在工业控制领域得到广泛应用。随着日益增长的水表数量，基于 PLC 的水表检定装置应运而生。

1 全自动水表检定装置原理

图 1 所示为西门子 S7 － 200 SMART PLC( 以下简称为 PLC) 应用于冷水表全自动检定装置的示意图，该装置以检定 DN15DN25 冷水水表为例。该装置用 DK － 8850 高压水泵通过 DN50 管道抽水到稳流筒，实现串联冷水表的稳定流速，装置的末端分别接出 DN10，DN15，DN25 三路管道，同时接入西门子分体式电磁流量计 MAG6000 作为标准流量计，非常后水流回水池中。其中 PLC 自动控制电磁阀、西门子变频器 G120C，实现控制流量并采集标准流量计的流量值。

根据水表检定规程，水表的相对示值误差 E 用百分数表示为［3］:

式中: Vi为指示体积; Va为实际体积。

在规程中规定准确度等级为 1 级冷水表的非常大允许误差在高区( Q2?Q?Q4 ) 为 ±1%，在低区( Q1?Q ＜ Q2 ) 为 ±3%，仅适用于常用流量 Q3?100 m3 /h 的冷水表; 准确度等级为 2 级冷水表的非常大允许误差在高区( Q2?Q?Q4 ) 为 ±2%，在低区( Q1?Q ＜Q2 ) 为 ±5%。根据国家质量技术监督局颁布的《JJG 162— 2009 冷水水表检定规程》中对常用、分界、非常小流量的规定值对冷水表自动检定流程，采集的流量值结果通过 232 串口与上位机人工界面通信，与图像采集冷水表的结果进行比对得到检定结果。

2 PLC 软件设计

PLC 通过 STEP7 MicroWin SMART 软件进行编程设计和调试，如图 2 所示。 1) 程序初始化，包括串口子程序、高速计数器子程序、PID 调节子程序和检定子程序。 2) 串口子程序实现 PLC 与上位机的数据传输通信。参数设置、数据传输选择自由端口模式SMB30 = 16#09，组态端口0 为无奇偶校验，8 位数据位，9600 波特率，自由口通信协议接收字符串，直至接收换行字符，然后消息会发送回发送方。

3) 高速计数器子程序采集 MAG6000 标准流量计的脉冲信号，经过程序换算得到检定管道瞬时流量和累计流量。

首次扫描时，组态高速计数器并启用计数器，将 HSC0 组态为具有内部方向控制功能的单相时钟计数器———模式 0; 写入新当前值; 将初始方向设置为加计数; 选择复位输入高电平有效; 清除 HSC0 的当前值并设置 HSC0 的预设值; 当 CV = PV 时发生中断事件 12，组态 HSC0; 脉冲当量值输入 VD4。进入中断事件 12 后得到采集周期时间，非常后计算高速输入脉冲频率，并通过流量换算公式计算瞬时流量: 瞬时流量 Q = 脉冲频率/脉冲当量。 4) PID 调节子程序如图 3 所示，根据冷水表的设定值( 给定) 和高速计数器的实际流量值，按照闭环控制过程的 PID 算法计算出变频器的模拟输出量，通过 EM AQ02 模块传送到变频器中，实现自动调节水泵，使装置的流量达到设定值。

5) 检定子程序如图 4 所示，通过输出阀门驱动电路控制气动电磁阀，实现根据流量需求自动切换检定管道，其中 Q0． 1 ～ Q0． 4 对应控制装置中的 4个电磁阀。

首先在安装被检冷水表后进行 3 min 的通水排气，去除检定装置管道中的空气，防止影响检定准确度; 其次在开始检定后，PLC 运用 PID 模块调节变频器，控制水泵流量同时采集电磁流量计的数值，使被检水表获得稳定的常用流量 Q3，随后与上位机通信开始采集信号，在检定时间内，记录电磁流量计累积流量并上传到上位机作为标准。按照常用流量 Q3的检定过程，PLC 依次完成对分界流量 Q2和非常小流量 Q1的检定。检定完成后，冷水表检定装置泄压卸水表。

3 硬件配置

1) 定义 MAG6000 标准流量计输出脉冲信息: 根据 DN25 冷水表的常用流量 Q3为 6300 L/h，流量计参数设置为每 1 mL 输出一个脉冲，脉冲宽度为 510 μs，脉冲周期为 570 μs，输出脉冲频率为 1． 8 kHz。

2) 变频器根据 DK － 8850 高压水泵铭牌通过BOP － 2 操作面板进行参数设置，定义的输入/输出配置 P15 选择宏程序 13 模拟设定值模式; 在实际安装中，需要将变频器的供电电源与 PLC 电源隔离，否则会影响 PLC 的串口通信。 3) PLC 的系统参数设置: 高速计数器设置为单相非常大速率能识别 200 kHz，系统设置滤波时间为0． 2 ms，滤波频率为 2． 5 kHz。

4 结果与讨论

在 PID 调节到稳定流量时，瞬时流量存在正常范围的波动而不是一个数值不变，用 SMART 软件测试 PLC 高速计数器，比对标准流量计脉冲数，结果如表 1 所示。