PLC技术在气体分析仪器中的应用

在现代气体分析仪器的设计中，主要采用两种设计方案。一种是以分立器件和小规模集成电路为基础的模拟电路处理方案，主要应用于功能简单的非智能型仪器；另一种方案是以单片机技术为基础的可编程数字电路处理方案，这类仪器在进行信号采集和数据通讯方面具有较好的通用性，在气体分析仪器行业中处于主流地位。但多种组份、多路通道、恶劣环境的气体测量需要的测控点和信号种类多，规模大，以单片机技术为基础的电路处理技术在设计时存在着较大的难度。本文介绍一种以PLC技术为基础的气体分析仪器设计和应用方法。

1PLC技术简介Controller，中文全称为可编程逻辑控制器，它是一种数字运算操作的电子系统。它采用一类可编程的存储器，用于内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计时与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入输出控制各类的机械和生产过程。随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，在工业自动化（FA）和计算机集成制造系统（CIMS）中占重要地位。本文主要介绍利用PLC技术对气体分析仪的采样系统进行控制，对各种气体浓度信号进行采集和处理。

2分析仪的气样采集系统下面以西门子公司的PLC为例介绍气体分析仪对各种气体的采集和处理。选用西门子S7-200系列的微型PLC产品，它具有体积小、重量轻、结构紧凑、便于扩展的特点，适合于在气体分析仪器中应用。

PLC技术在气体分析仪器中的应用PLC采用CPU226，其有16路开关量输出口，可对16个开关信号进行控制。通过在气路中设计电磁阀组，用16个开关量信号对电磁阀进行控制，可实现对多个通道的气体进行巡回采样和定点采样。采样系统图如所示。

PLC的开关量输出端口进行编程，可控制128号电磁阀循环导通，对14路采样口的气体进行循环采样。

当仪器对第N路取样口进行采样分析的同时，对第N+1路取样点进行预抽，为下一次分析作好准备。

2.5min后抽气转为第N+1路，第N+2路则转为预抽。

进气口过滤器电磁阀才由气。，……，……，预抽阀组装配件抽气出气1出气2过滤器气路组件电磁阀催化剂流量传感器气体传感器1气体传感器2气体传感器3气体传感器4采样系统图为了加快采样速度，仪器的气路包括抽气气路和预抽气路，电磁阀F0与CPU226的第1路开关量输出端相连，用以控制0路气样口的通断。电磁阀F1到F28按N和（N+3）的关系两两相连，共有14个接点，分别和CPU226的第2到第15路开关量输出端相连。电磁阀F29和CPU226的第16路开关量输出端相连。仪器可对十四路气体取样口及一路校准取样口的气体进行采样。路进气口作为校准口与号电磁阀相联，进入抽气气路。114路进气口通过三通分成两路进入128号电磁阀，奇数号电磁阀与抽气气路相通；偶数号电磁阀与预抽气路相通，通过对以上过程依此类推，不断重复。

仪器利用4个抽气泵对气体进行采样，2个与抽气气路相连，2个与预抽气路相连。通过扩展模块，可对4个抽气泵进行控制。本方案扩展了1个EM222模块和2个EM235模块。EM222数字量扩展模块带4个开关量输出端口，利用其中两个端口对与预抽气路2个抽气泵进行控制，通过软件对端口进行控制可使两泵工作于循环工作或者一泵单独工作。每个模拟量扩展模块EM235带一个模拟量输出口，利用模拟量输出口可对抽气气路的2个抽气泵进行控制，通过在软件中设计流量反馈程序，可使抽气气路中流量稳舰船防化定在规定的范围内，并且也能处于两泵循环工作或者一泵单独工作状态。

3分析仪的数据采集和处理系统每个模拟量扩展模块EM235可提供四路模拟量输入接口，由于本仪器在气路设计中扩展了2个EM235模块，利用这两个模块共可提供8路模拟量输入接口。

为了提高仪器的环境适应性和稳定性，本仪器设计了温度、湿度、压力补偿模块，需要采集温度、湿度、压力信号，加上流量信号共需要采集4路模拟量信号，剩余的4路模拟量输入接口可采集4种气体传感器浓度信号，同时完成对4种气体浓度的分析。分析仪的数据处理主要包括零点校正、终点校正、线性校正和各种补偿运算。PLC的中央处理器具有较强的数据运算功能，下面着重介绍一下各种补偿的数据模型。

3.1温度补偿由于气体传感器是将物理量转变为电信号，转换过程及转换电路均受温度响应，因此温度响应除了气体状态方程式产生之外，还有很多其它因素影响PLC采集到的气体浓度信号，温度对气体浓度信号的影响包括对零点的影响和对量程的影响两部分，需分开进行校正。一般来说，对零点的影响较小，因此，在这里只介绍温度对检测信号量程的影响。其校正原理是通过实测的温度值实现对气体浓度信号放大量的调节，以抵消环境温度对气体浓度信号的影响。温度校正分低温和高温两种情况进行，根据实测的温度T与常温温度T.的大小来判断，温度校正关系如（1）式低温段：高温段：T.一常温温度值，°C；一低温温度值，°C；一实测温度值，C.在进行温度调试时，分别在常温、低温、高温环境下对仪器通入量程标准气，并按下相应的按键，仪器在PLC中分别存入检测到的温度和气体浓度数据，在正常工作时，根据实测的气体浓度数据和温度数据，调用上述参数并利用数学模型进行运算，实现温度校正。

3.2湿度补偿由于气体中水汽的含量不稳定，且变化较大，在0C50C温度范围内水汽的体积百分含量可为0%12%，对于高含量组份，如氧气的测量影响较大。为排除水汽影响，传统的分析仪器通常采用吸附剂去除水分。在本仪器中利用湿度传感器信号进行补偿。湿度校正关系如（3）式所示：气体的摩尔数）；的摩尔数）；在进行数据运算时，根据实测的气体浓度数据和湿度数据，利用公相关。

如红外、热磁、载体催化、偏压控制式电化学传感器等。少数工作原理的气体传感器与被测气体的体积百分含量（或气体分压比）相关，如质量流量控制式氧传感器、热导式气体浓度传感器，这类气体传感器不PLC技术在气体分析仪器中的应用需要进行压力补偿。

本仪器的气体浓度显示值为气体的体积百分浓度，即气体的分压比。理想气体状态方程式：尸r=i：T，n是气体的摩尔数，R为气体常数。当气体为混和气时，根据道尔顿分压定率：二Pi设气体传感器的响应（单位体积被测气体的摩尔数）为X，被测气体的体积百分浓度为，可推导出以下公式：由公式（6）得知，要得到准确的显示值，需将气体传感器的响应乘以绝对温度除以压力值。

4结语气体分析仪器的设计方法和思路很多，本文主要介绍了以PLC技术为基础的气体分析仪器设计和应用。着重介绍了分析仪的气样采集系统和数据处理方法，设计成适用于多种组份、多通道、环境条件不稳定场合使用的气体分析仪器。