摘要: 本文以與濕度有關的露點溫度數據處理為例,介紹非線性露點溫度曲線在和利時LM系列PLC中的實現方法。目前,采用由PLC、文本屏和傳感器變送器所組成的系統代替單片機系統的方式,在分析和檢測領域得到了廣泛的應用。
1 概述
隨著各行各業對濕度測量的要求越來越高,濕度測量已逐漸成為一個新興的技術領域。本文以與濕度有關的露點溫度數據處理為例,介紹非線性露點溫度曲線在和利時LM系列PLC中的實現方法。
我國在1986年正式成立了濕度與水分專業委員會,并開展了多次學術交流會,濕度的一些計量檢定規程也逐步建立。根據有關規程,濕度被定義為氣體中的水蒸氣含量,其常用單位是PPM。習慣上,以露點-20℃為界,把所測氣體分為高濕度氣體和低濕度氣體。露點溫度指空氣在水汽含量和氣壓都不改變的條件下,冷卻到飽和時的溫度。形象地說,就是空氣中的水蒸氣變為露珠時的溫度叫露點溫度。露點溫度本是個溫度值,可為什么用它來表示濕度呢?這是因為,當空氣中的水汽已達到飽和時,氣溫與露點溫度相同。當空氣中的水汽未達到飽和時,氣溫一定高于露點溫度。所以露點溫度與氣溫的差值可以表示空氣中的水汽飽和程度。表1所示為PPM與露點溫度的離散統計關系。
表1 PPM與露點溫度的離散統計關系
露點 |
PPM |
露點 |
PPM |
露點 |
PPM |
露點 |
PPM |
露點 |
PPM |
-86 |
0.184 |
-64 |
6.10 |
-42 |
101 |
-21 |
925.7 |
-10 |
2566 |
-84 |
0.263 |
-62 |
8.07 |
-40 |
127 |
-20 |
1020 |
-9 |
2803 |
-82 |
0.382 |
-60 |
10.6 |
-38 |
159 |
-19 |
1121 |
-8 |
3059 |
-80 |
0.526 |
-58 |
14.0 |
-36 |
198 |
-18 |
1233 |
-7 |
3338 |
-78 |
0.747 |
-56 |
18.3 |
-34 |
246 |
-17 |
1355 |
-6 |
3639 |
-76 |
1.01 |
-54 |
23.4 |
-32 |
304 |
-16 |
1487 |
-5 |
3966 |
-74 |
1.38 |
-52 |
31.1 |
-30 |
376 |
-15 |
1632 |
-4 |
4317 |
-72 |
1.88 |
-50 |
39.4 |
-28 |
462 |
-14 |
1788 |
-3 |
4699 |
-70 |
2.55 |
-48 |
49.7 |
-26 |
566 |
-13 |
1959 |
-2 |
5109 |
-68 |
3.44 |
-46 |
63.2 |
-24 |
691 |
-12 |
2145 |
-1 |
5553 |
-66 |
4.60 |
-44 |
80.0 |
-22 |
841 |
-11 |
2346 |
0 |
6032 |
2 濕度檢測算法設計
PPM的值由專用變送器送給和利時LM系列PLC的LM3310B高精度輸入模塊。根據表1的對應關系,PLC計算出露點溫度值,并在文本顯示器上進行顯示,同時以多路露點溫度值的平均值作為關鍵參數,參與大系統的離散控制和過程控制。
由表1可知,PPM和露點溫度值之間的關系為55個離散點。如果采用PLC特征曲線指令(CHARCURVE),則坐標點數不能超過11個。所以采用曲線擬合離散點的方法,畫出離散點圖,擬合出曲線公式。實踐表明,由于曲線的非線性特性,一條曲線不足以滿足精度,所以分為5個區間,采用5個公式來進行表達。將這5個公式輸入PLC,由PLC根據公式來計算露點溫度值。
首先按照PPM從小到大的順序排列坐標點,規劃出5個互相交叉的區間:[0.184,4.6],[4.6,80],[80,841],[841,2346],[2346,6032]。然后按照規劃好的區間擬合出5條非線性曲線,并分別給出非線性曲線所對應的公式,如表2所示。
表2 PPM與露點溫度的非線性擬合曲線
PPM下限 |
PPM上限 |
露點溫度公式 |
定義域 |
0.184 |
4.6 |
y = 6.235ln(x) - 75.85 |
0.184,4.6 |
4.6 |
80 |
y = 7.680ln(x) - 78.06 |
6.1,80 |
80 |
841 |
y = 9.353ln(x) - 85.29 |
101,841 |
841 |
2346 |
y = 10.71ln(x) - 94.23 |
925.7,2346 |
2346 |
6032 |
y = 11.65ln(x) - 101.5 |
2566、6032 |
3 基于PLC的濕度檢測系統設計
露點分析系統由以PLC為核心的控制機柜、執行機構、聲光報警和一次、二次外圍元件組成,系統裝置如圖1所示。控制柜里配置有PLC和報警繼電器。PLC使用和利時LM系列PLC。本系統選用的CPU模塊是LM系列最小的一款LM3104,本體上集成8點數字量輸入和6點繼電器輸出。系統采用LM3310B擴展了4通道高精度模擬量輸入。系統中顯示部件采用和利時HD2400L文本顯示器,通過串口以ModbusRTU協議與PLC的RS232串口通訊,通過文本顯示器可以對系統的運行情況進行監控,并對參數進行設置。HD2400L是一個小型的人機界面,主要與各類PLC或帶通信口的智能控制器來配合使用,以文字或指示燈等形式監視和修改PLC內部寄存器或繼電器的數值及狀態,從而使操作人員能夠自如地控制機器設備。系統規劃出封面、菜單窗口、操控界面、參數設置、曲線顯示、關于我們、系統幫助、后臺參數修正等8個窗口。菜單窗口完成觸摸屏各畫面的切換功能。參數設置窗口完成檢測儀器工藝參數的設置。報警列表窗口可以顯示實時報警信息。部分設計界面如圖2、圖3、圖4和圖5所示。
圖1 露點分析系統硬件結構示意圖
圖2 菜單窗口
圖3 數據顯示
圖4 參數設置
圖5 參數設置
4 應用特點
基于和利時LM系列PLC的氣體分析預處理系統具有如下特點:
(1)穩定性和可靠性
準確性和可靠性是系統的關鍵。和利時LM系列PLC配置高性能的工業級處理器,具有超快的處理速度以及大容量的內存。氣體分析的應用場合現場工況一般比較惡劣,根據現場情況,可以采用防濕熱、防鹽霧、防霉菌的三防模塊,保證系統在濕熱、潮濕、高溫以及各種化學品侵蝕的惡劣環境下,仍然具有高
(2)強大的功能及可擴展性
由于和利時LM系列PLC具有體積小、集成化程度高、運算速度快、邏輯控制容量大等特點,所以整套程序除了狀態報警、模擬量處理功能外,還有復雜的管路自動切換、參數設置、防止錯誤手動等功能。在硬件方面,還可以擴展至7個模塊,方便系統擴容。在軟件方面,通過成熟的編程手段,可以最大程度地根據照客戶的要求來修改控制策略和顯示界面。
(3)高性價比
基于PLC的濕度檢測系統不僅可以靈活地解決非線性數據處理的問題,還可以方便地控制系統的多個邏輯點。此外,和利時LM系列PLC和HD2400L系列文本屏具有超高的性價比,節省了系統的投資。
參考文獻
[ 1 ] LM小型PLC軟件手冊;
[ 2 ] HD2000使用手冊;
作者簡介:楊范(北京和利時自動化驅動技術有限公司 市場拓展部技術支持組)