西門子S7-200PLC在流量計量方面的應用，如何計量累積量！

1. 引言

目前，PLC已經廣泛應用於鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機械製造、汽車、輕紡、交通運輸、環保及文化娛樂等各個行業。它具有高可靠性、抗干擾能力強、功能強大、靈活、易學易用、體積小、重量輕、價格便宜的特點，在流量計量方面也有著廣泛的用途，在用於流量累積時又有其編程的獨特之處。下面進行詳細的分析和論述，包括在西門子S7-200 CPU上編程的例子。

2. 使用PLC顯示流量和計算累積量

流量計輸出的信號一般是脈衝信號或4~20mA電流信號，這兩種信號輸出的都是瞬時流量，我們的目的是在PLC中計算和顯示瞬時流量值和計算累積量值，當輸入信號是脈衝信號時，在計算瞬時流量的時候，必須按照嚴格的時間間隔計算才能保證瞬時流量的準確性。因此，計算瞬時流量的時候必須用定時中斷來進行。而且，在PLC系統中只能運行這一個中斷程序，不允許再產生其它中斷（即使是低優先級的中斷也不允許運行），以防止干擾定時中斷的時間間隔的準確性，計算瞬時流量就是將這個時間段的累計脈衝個數換算成累計流量，再除以時間就是瞬時流量。對於4~20mA輸入只需按照其對應的量程進行換算就可以直接得到瞬時流量，而累積流量就是將每個時間段內的累積流量累加起來，在實際使用PLC編程的過程中必須注意以下幾個問題：

(1) 輸入脈衝頻率範圍是否超出PLC的接收範圍；

(2) PLC高速計數器在達到最大計數值時如何保證計算正確；

(3) 如何保證定時中斷不受干擾；

(4) 如何避免計算累積量的誤差；

(5) 累積量的最大累積位數；

(6) 如何復位累積量。

下面就最關鍵的2、4、6問題進行詳細的敘述，以西門子S7-200 CPU224為例，S7-200的CPU224具有6個單相最大30kHz的高速計數器，但PLC內部沒有提供相應的算法來計算頻率，需要使用者自行編程計算，這就需要在PLC高速計數器在達到最大計數值時要保證計算的正確性。實際編程時，對高速計數器初始化以後就使之連續計數，不再對其進行任何干預，其高速計數器的初始化程序如圖1所示（此段程序應放到PLC第一個掃描週期執行的程序中執行）。

圖一：高速計數器的初始化程序

對於高速計數器是否達到最大計數值時需要判斷，S7-200CPU的高速計數器是可以周而復始地進行累計的，最高位為符號位，最小值為7FFFFFFF。由於計數器是一直累加的，不可能出現本次讀取的計數值小於上次計數值的情況，因此判斷計數器當前值是否小於前一次的計數值，就可以判斷計數是否達到最大值的拐點（7FFFFFFF），如果達到，則執行特殊的計算以便消除計算錯誤，程序如圖2所示（此程序應放在定時中斷子程序中執行）。

噹噹前計數值大於等於上次計數值時，兩個計數值做差，就得到程序兩次掃描時間間隔內的計數差值，同時將當前計數值賦值到上次計數值上;噹噹前計數值小於上次計數值時，計算上次計數值與7FFFFFFF之間的差值（用減法），以及當前計數值和7FFFFFFF之間的差值（用加法，此時寄存器溢出，數位前移），然後將兩個結果相加就是程序兩次掃描時間間隔內的計數差值，從而實現對累計計數值達到拐點時的正確計算。

圖二：消除計算錯誤程序

實際上，在現場應用中定時中斷子程序是採用250ms中斷一次執行的，使用SMB34進行控制的。需要注意的是，系統中必須只保證這個中斷是唯一存在的，不會受到其他中斷的影響，否則可能會因其它中斷的影響使週期性中斷不準時，從而影響精度。

通過以上計算就得到了250ms內流量計發過來的脈衝個數，這個數值乘以脈衝當量就是250ms內的流量值，再除以時間就是瞬時流量。另外，在250ms內再執行累加程序就可以計算累積流量了。在計算累積流量過程中需要避免累積過程的計算誤差，我們知道，流量累積量是一直累積的一個數值，一般會累積到8位數，而plc內部浮點數的有效位數是6位，當累積量數值很大的時候就會造成一個大數和一個小數相加，勢必導致小數的有效位數丟失，造成很大的累積誤差，因此，要避免大數和小數相加的情況出現。解決方法是採用多個流量累積器，只允許同數量級的數值相加，從而避免數值有效位數損失，實際編程中採用了5個累積器，根據常用流量情況下，在週期中斷時間間隔（250ms）內流過的流量乘以15作為第一個累積器的上限，當達到這個累積器的上限值後，將這個累積器的值累加到第2個累積器中，並把第一個累積器清零，對於第三個累積器也同樣處理，第4個累積器用於保存累積量小數部分數值，第5個累積器用於保存累積量整數部分數值，這樣在顯示總累積量時只需顯示整數部分和小數部分就可以了，整個過程充分避免了累積過程中大數與小數相加的情況出現。在實際工程中，需根據流量的大小、週期中斷的時間間隔來確定所用累積器的個數，而累積器的整數部分用雙整數來表示，雙整數的範圍是-2,147,483,648到+2,147,483,647，可以使累積器的整數位數達到9位。這樣，在顯示累積量時就可以最多顯示9位整數的累積量和6位小數的累積量，總計15位，從而省略累積器倍乘係數，使讀數更簡便。

對累積器需要在一定條件下復位，累積到最大數值或手動復位，在中斷程序中判斷累積量是否達到或超過最大位數，當超過最大數值時，將各個累積器清零，清零的觸發信號也可以是手動觸發。

3. 結束語

本文列出了在PLC中計算和顯示瞬時流量和計算累積量時可能遇到的問題，並以西門子S7-200 CPU224系列探討了解決辦法，值得進行該工作的工程人員借鑑。