基于西门子S7-300平台的明渠流量计设计

蒋天跃

摘   要：本设计是以西门子S7-300为计算中心的明渠流量计，特点是流速传感器和液位传感器是分开的，数据输入给西门子PLC进行计算，最后通过软件编程，把计算结果输出到数显仪表上。需要注意的是流速传感器和液位传感器的安装位置要合理，最好在明渠的水位和流速平稳的区段，不要离入口和出口太近。优点是可以通过编程软件修改参数，尤其是流量单位的任意转换。

关键词：西门子  S7-300   明渠流量计流速液位编程

中图分类号：TP273                                 文献标识码：A                        文章编号：1674-098X（2019）05（a）-0110-02

1  设计原理

本文设计的明渠流量计以流速-水位运算法为基础，流速测量和液位测量是两个不同的仪表，最后采集这两个模拟量进行计算。本设计采用了先进的超声波流速测量仪和电容式水位测量仪，流速和水位双探头的实时模拟量数据经过西门子S7-300平台的计算，输出到一个数显仪表上。原理如图1所示。

计算公式

2  硬件设计

2.1 测速仪表

本设计的测速仪表采用超声波探头，如图1所示，把两个探头布设在沟渠两边，这两点之间与沟渠的边缘不能垂直，A点到B点时间为t1，由B点发A点收时间为t2，由于流速的存在，逆水时间长，顺水时间短，时间差Δt=t1-t2，流速υ与Δt有线性关系[1]。经过计算，可以得出AB线段上的平均流速，并转换成4～20mA输出。探头要放在水位的中点左右，不能在沟渠底部，也不能露出液面，否则数据都不准确[2]。

2.2 液位计

由公式（1）可知，沟渠宽度W是规则的，液位的高h是流量大小的重要变量。本设计采用的液位计是依据电容感应原理，当被测介质淹没液位计测量电极时，引起其电容变化。它可将物位、液位介质高度的变化转换成标准电流信号4～20mA。

液位计的安装位置要选取得当，因为大多数的沟渠底部都不太平坦，这都会影响液位计的准确性。如果沟渠底部很平坦，就可以直接插到底部;若是低洼不平，就离底部一段距离[3]，但是在计算液位时，要加上这段距离。

2.3 计算中心和显示仪表

本设计是基于西门子PLC的S7-300系列的，由于流速和液位都是模拟量输入到PLC，而且经过PLC的计算后要输出到数字显示仪表中，所以PLC至少要有AI模块和AO模块。这里使用的CPU是 315系列，AI模块使用的是6ES7 -331系列，AO使用的是6ES7 -332系列。同时要把AI与AO通道的输出范围改写为4-20mA的标准信号。

数显仪表的功能很多，我们需要一个标准电流信号4～20mA的输入，以及可以设置量程和报警等信号的数显仪表即可。

3  组态编程

3.1 工程组建

装好编程软件Step7，新建一个SIMATIC 300站点，创建站点后进入硬件的图标。接着要创建导轨，之后就可以添加自己要用的模块了。

当我们把AI與AO模块在编程软件中插入后，软件会自动分配地址，所以我们在编程中要注意AI和AO变量的使用。本设计中，AI分配的地址是从PIW272开始的，AO分配的地址是从PQW288开始的。

3.2 程序编写

在我们建立一个新的工程后，点击“S7程序”下拉菜单中的块，右边空白的地方就会显示一个组织块OB1，在这里面编写就可以了，但我们还需要一些组织块，根据我们的需要加一些组织块模块访问出错组织块（OB122）等，为了我们方便查找问题。

功能块FC105和FC106不需手动添加。在编程界面下，在Program elements中的Libraries下的Standard Library下的TI-S7 Converting Blocks中就可以找到。

FC105是处理AI的功能块，IN管脚是AI通道，地址从PIW272开始，也就是硬件配置那里系统自动分配的地址，一定要与之对应;HI_LIM和LO_LIM是AI的量程;BIPOLAR是极性设置，信号为4～20mA（单极性信号），则设置为0。

FC106是处理AO的功能块，其与FC105一样，因为是输出模块，所以OUT管脚是模拟量输出通道，地址从PQW288开始，这也是系统自动分配的地址，必须与之对应。

程序段如图2所示。其中的加法功能块加上了0.19m，是因为液位计离底部是0.19m。最后面的乘法功能块是流量单位L/s与m3/h之间的换算关系所致。

4  结语

本流量计优点在于测速传感器和液位传感器是分开的，可以更准确的对沟渠的流量进行监测，如果哪一个仪表出现问题导致流量不准确，可以只替换有问题的那部分，可以节约成本。还可以通过西门子S7-300平台编程对输出的流量单位进行任意的换算，非常方便。

不过，它也是有缺点的，也就是沟渠必须要规则。还有流量计的安装位置必须是比较平稳的水段，不能离入口太近，也不能离出口太近，否则都会影响流量的准确性。

参考文献

[1] 李忠虎，岳兰娇.双声道超声波明渠流量计设计[J].工业控制计算机，2017（6）：149-151.

[2] 周帮平.多普勒超声明渠流量计研究[D].北方工业大学，2018.

[3] 王淑红.超声波流量计在开封市东区污水处理厂的应用实践[J].科学技术创新，2017（25）：11-12.