《过程控制系统》课程设计-智能化液位测量仪设计.doc

一过程控制系统课程设计要求1. 设计题目：智能化液位测量仪设计2. 设计任务：利用压力传感器和可编程控制器设计智能液位测量仪1) 采用压力传感器，硬件控制采用西门子300PLC2) 写出压力测量过程，绘制压力测量仪组成框图3) 设计系统硬件电路4) 编制液位测量程序二前言1.液位传感器的类型：1）静压式液位计：当变送器投入到被测液体中某一深度时，迎液面受到的压力P=，。采用扩散硅或陶瓷敏感元件的压阻效应，将静压转成电信号。转换成4-20mADC标准电流信号输出。2）硅压阻式液位变送器：把与液位深度成正比的液体静压力测量出来，经过放大电路转换成标准电流电压信号输出，建立起输出电信号与液位深度的线性对比关系，实现对液体深度的测量。3）磁致伸缩液位计：电子仓内产生起始脉冲，在波导丝中传输时，同时产生一沿波导丝方向前进的旋转磁场，当磁场与磁环或浮球中的永久磁场相遇时，产生磁致伸缩效应，使波导丝发生扭动，扭动被安装在电子仓内的拾能机构所感知并转换成相应的电流脉冲，通过电子电路计算出两个脉冲之间的时间差，即可精确测出被测的位移和液位。4）超声波液位计：探头向被测介质表面发射超声波脉冲信号，超声波在传输过程中遇到被测介质（障碍物）后反射，反射回来的超声波信号通过电子模块检测，通过专用软件加以处理，分析发射超声波和回波的时间差，结合超声波的传播速度，可以精确计算出超声波传播的路程，进而反映出液位。 5）电容式液位传感器：把一根涂有绝缘层的金属棒，插入装有导电介质的金属容器中，在金属棒和容器壁间形成电容，当被测介质物位变化时，传感器电容量发生相应变化，电容量的变体 Cx 转换成与物位成比例的直流标准信号。6）浮球式液位传感器：当浮子随着液位（界面）上下浮动，浮子内永磁体的磁力作用于导管内的干簧管，使相应高度的干簧管闭合，得到正比于液位的电压信号，经转换器转换成420mA.DC的标准信号。2.利用压力传感器测量液位的优点: 1）测量原理简单2）仪器设计简便3）所用器件熟悉4）元件数目少且便宜3.可编程控制器：PLC因具有抗干扰能力强，可靠性好，控制结构简单，通用性强，编程方便，易于使用，体积小，操作维护方便，设计、调试、施工的周期短，易于实现网络化，可完成三电一体化的优点，已经成为应用广泛的的工业也控制装置。通过PLC控制系统硬件，可以使所设计的测量仪硬件系统更加完善。1）PLC积木式结构为硬件的构架增添灵活性，齐全的精简和软件使系统的编程和程序的修改更加方便简易。2）PLC的输入/输出模块为硬件的连接提供便利，并且具有完善的通道保护与信号调理电路，实现耐热、防潮、防尘、抗震，令使用范围更加广泛。3）PLC通过半导体进行控制，速度快，无触点，不会出现抖动现象。三所需考虑问题1.压力传感器的选型(一) 选型原则：1) 测量对象与测量环境即使是测量同一物理量，也有多种原理的传感器可供选用，哪种原理的传感器更为合适，需要根据被测量的特点和传感器的使用条件考虑：A量程的大小；B被测位置对传感器体积的要求；C测量方式为接触式还是非接触式；D信号的引出方法，有线或是非接触测量；确定选用何种类型的传感器，然后再考虑传感器的具体性能指标。 2) 灵敏度的选择 在传感器的线性范围内，希望传感器的灵敏度越高越好。被测量变化对应的输出信号的值较大，有利于信号处理。但传感器的灵敏度高，与被测量无关的外界噪声也容易混入，也会被放大系统放大，影响测量精度。要求传感器本身应具有较高的信噪比，尽量减少外界引入的干扰信号。 传感器的灵敏度是有方向性的。当被测量是单向量，而且对其方向性要求较高，则应选择其它方向灵敏度小的传感器；如果被测量是多维向量，则要求传感器的交叉灵敏度越小越好。 3) 频率响应特性 传感器的频率响应特性决定了被测量的频率范围，必须在允许频率范围内保持不失真的测量条件，传感器的响应总有定延迟，延迟时间越短越好。 4) 线性范围 传感器的线性范围越宽，量程越大，并且能保证一定的测量精度。当传感器的种类确定后首先要看其量程是否满足要求。当所要求测量精度比较低时，在一定的范围内，可将非线性误差较小的传感器近似看作线性的。 5) 稳定性 要使传感器具有良好的稳定性，传感器必须要有较强的环境适应能力。在选择传感器之前，应对其使用环境进行调查，并根据具体的使用环境选择合适的传感器，或采取适当的措施，减小环境的影响。 在某些要求传感器能长期使用而又不能轻易更换或标定的场合，所选用的传感器稳定性要求更严格，要能够经受住长时间的考验。 6) 精度 如果测量目的是定性分析的，选用重复精度高的传感器即可，不宜选用绝对量值精度高的；如果是为了定量分析，必须获得精确的测量值，就需选用精度等级能满足要求的传感器。 7) 最大压力范围 最大压力范围是指传感器能长时间承受的最大压力，且不引起输出特性永久性改变。特别是半导体压力传感器，为提高线性和温度特性，一般都大幅度减小额定压力范围。因此，即使在额定压力以上连续使用也不会被损坏。一般最大压力是额定压力最高值的23倍。 8) 温度范围 压力传感器的温度范围分为补偿温度范围和工作温度范围。补偿温度范围是由于施加了温度补偿，精度进入额定范围内的温度范围。工作温度范围是保证压力传感器能正常工作的温度范围(二) 常见类型：1) 金属电阻应变片：吸附在基体材料上应变电阻随机械形变而产生阻值变化2) 陶瓷压力传感器压力：直接作用在陶瓷膜片的前表面，使膜片产生微小的形变，厚膜电阻印刷在陶瓷膜片的背面，连接成一个惠斯通电桥(闭桥)，由于压敏电阻的压阻效应，使电桥产生一个与压力成正比的高度线性、与激励电压也成正比的电压信号，标准的信号根据压力量程的不同标定为2.0 / 3.0 / 3.3 mV/V等，可以和应变式传感器相兼容3) 扩散硅式：被测介质的压力直接作用于传感器的膜片上（不锈钢或陶瓷）， 使膜片产生与介质压力成正比的微位移，使传感器的电阻值发生变化，和用电子线路检测这一变化，并转换输出一个对应于这一压力的标准测量信号。4) 扩散硅无腔压力传感器：介质压力成正比的微位移，使传感器的电阻值发生变化，和用电子线路检测这一变化，并转换输出一个对应于这一压力的标准测量信号。5) 蓝宝石：不会发生滞后、疲劳和蠕变现象；对温度变化不敏感，即使在高温条件下，也有着很好的工作特性；抗辐射特性极强；简化了制造工艺，提高了重复性，确保了高成品率。在恶劣的工作条件下正常工作，并且可靠性高、精度好、温度误差小。6) 压电式压力传感器：某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态。在一定的温度范围之内，压电性质一直存在，但温度超过这个范围之后，压电性质完全消失（“居里点”）。由于随着应力的变化电场变化微小（压电系数比较低）。2.可编程控制器（PLC）的选型1) PLC类型的选择2) 安装形式的选择3) 输入/输出点数的确定4) PLC存储容量的确定a) 内存利用率b) 开关量输入输出点数c) 模拟量输入输出总点数d) 程序编写水平e) 实时响应性5) 输入接口电路形式的选择6) 输出接口电路形式的选择7) PLC供电方式的选择8) PLC扩展模块的选择3.信号调理电路的设计1）温度漂移的处理温度补偿使传感器的输出信号可视为在一定的温度范围内与温度变化无关。2）放大及非线性的处理信号处理和传输时要进行线性化处理，使最后得到的信号与液位成线性关系。对于输出信号很小，甚至只有几mV的传感器在制作420mA液位变送器时，可以使用性能优良的仪表放大器，也可以应用变送器电路块。3） 输出的变换a) 420mA变换为05Vb) 420mA变换为010mAc) 双420mA输出4）量程迁移测量仪表不一定都能与取压点在同一水平面上；又如被测介质是强腐蚀性或重粘度的液体，不能直接把介质引入测压仪表，必须安装隔离液罐，用隔离液来传递压力信号，以防被测仪表被腐蚀。这时就要考虑介质和隔离液的液柱对测压仪表读数的影响。四问题解决(一) 压力变送器的选型：因为扩散硅压力变送器具有以下特点：1：安装灵活,使用方便，效准简单。2：信号隔离放大，截频干扰设计，抗干扰能力强，防雷击,防腐蚀。3：接线反向和过压保护，限流保护。4：超宽的价格区间，方便选用。5：宽电压设计。6：抗冲击设计。所以采用BP800压力传感器。BP800采用进口硅压力传感器和高性能的CPU处理器技术，具有独特的温度和线性补偿技术。结构接凑，兼顾，重量轻，便于安装，使用方便，免维护；适用于多种场合全天候恶劣危险环境和各类腐蚀性介质；可以测量各种腐蚀性和非腐蚀性气体、液体，广泛应用于航空、石油、化工、冶金、电力、轻工、机械等领域。 1、测量范围：见下表 2、工作电压：12.536VDC 3、精度等级：0.5%、0.2% 4、介质温度：085 5、输出信号：4-20mA（二线制），1-5V（三线制） 6、迟滞：优于0.01%满量程 7、稳定性：优于0.1%/年 8、LCD/LED显示（可选） 9、测量介质：液体、水或蒸汽。 (二) 压力传感器的框图与测量：1) 组成框图：2) 测量原理：设初始时大气压力为p0，环境温度为t0，被测介质密度为，管子均匀且截面积为S0，同时管子要求与地面垂直，管内封入的空气部分长度为L0。如液位高度0变到h，此时管内空气部分长度变为L1，环境温度为t1，环境大气压力为p1气体状态定律可得：，压力平衡关系有：p1hgp（L0L1）g3) 线路连接：(三) 可编程控制器（PLC）的选型：采用西门子S7-300，CPU有编程用的RS-485接口，512KB的RAM，8192个存储器位，512个定时器和计数器，数字通道最大65536点，模拟通道最大4096个，使用Flash EPROM，CPU断电后无需后备电池可以长时间保持动态数据。S7-300 PLC有8种不同的处理单元可供选择，CPU 313、CPU 314、CPU 315模块不带集成I/O端口，CPU 3141FM带有集成的数字和模拟I/O模块，用于要求快速反应和特殊功能的装备，CPU 315-2DP、CPU 316-2DP、CPU 318-2DP具有现场总线扩展功能。(四) PLC的实现功能：PLC300要做的工作就是把4-20mA信号与实际应用的液位范围相对应，首先要有接受这个信号的模块，SM331模块就能够处理，接受后的信号怎样再把其还原成高度信号就需要人工来编程，就是信号的处理部分，信号数据的转换，判断是否超出量程和下限即数值是否溢出，然后在进行还原即物理液位高度的量程，最后在寄存到数据块中，供调用使用。输入到 AI通道，在模块侧面有一个黑色箭头指向420mA输入模式，在 S7 软件中调用标准功能块 FC105 ，对应模块量数据地址填入PLC输出，如是脉冲信号，直接用高速计数器定时采样，如是模拟量信号，应先知道它的变化范围，方可通过硬件电路，将它变换为模拟量输入模块需要的电流量（420ma）或电压量（05V或010V）。 模拟量输入模块： SM331（AI）：有三种型号可供选择，812位、816位、212位，主要由A/D转换部件、模拟切换开关、补偿电路、恒流源、光电隔离元件、逻辑电路组成。需要接24V直流电压L+。4-20mA信号接入SM331模块，SM331将信号转换为0-27648的整形数字。调用FC105将该值转换为0-10.0MPa的工程量（实数）。 模拟量输出模块：SM332（AO）：有三种规格选择，412位、212位、416位，可以输出电压和电流。输出电压时，可采用2线回路和4线回路与负载连接。经过信号处理后，调用FC106，转换为对应的阀门开度0-100%的整形数字0-27648，再由SM332输出标准电流或电压到执行机构。 电源模块：PS307电源模块：是西门子公司为S7-300专配的DC24V电源输入姐单相交流系统，输入电压，输入与输出之间有可靠的隔离。输出电压允许范围205%V，最大上升时间2.5S，最大残留纹波150mv，除了给S7-300供电外，也可给I/O模块提供负载电源。 不同线制连接:1 两线制：2 四线制：3 四、三、二线制： FC105：l OUT = (IN -K1)/(K2-1) * (HI_LIM-O_LIM) + LO_LIMl BIPOLAR：输入介于 7648与27648之间，K1 = -7648.0，K2 = +27648.0UNIPOLAR：输入介于0和27648之间，K1 = 0.0，K2 = +27648.0如果输入大于K2，输出(OUT)将钳位于HI_LIM，并返回一个错误。如果输入小于K1，输出将钳位于LO_LIM，并返回一个错误。ENO的信号状态将设置为0，RET_VAL等于W#16#0008。没有错误，将返回值W#16#0000。通过设置LO_LIM HI_LIM可获得反向标定。使用反向转换时，输出值将随输入值的增加而减小。l FC105参数：参数说明数据类型存储区描述EN输入BOOLI、Q、M、D、L使能输入端，信号状态为1时激活该功能ENO输出BOOLI、Q、M、D、L如果该功能的执行无错误，该使能输出端信号状态为1IN输入INTI、Q、M、D、L、P、常数欲转换为以工程单位表示的实型值的输入值HI_LIM输入REALI、Q、M、D、L、P、常数以工程单位表示的上限值LO_LIM输入REALI、Q、M、D、L、P、常数以工程单位表示的下限值BIPOLAR输入BOOLI、Q、M、D、L信号状态为1表示输入值为双极性。信号状态0表示输入值为单极性OUT输出REALI、Q、M、D、L、P转换的结果RET_VAL输出WORDI、Q、M、D、L、P FC106：l OUT = (IN-O_LIM)/(HI_LIM-O_LIM) * (K2-1) + K1l BIPOLAR：输出值介于 ?7648和27648之间，K1 = -7648.0，K2 = +27648.0UNIPOLAR：输出介于0和27648之间，K1 = 0.0，K2 = +27648.0如果输入值超出LO_LIM和HI_LIM范围，输出(OUT)将钳位于距其类型(BIPOLAR或UNIPOLAR)的指定范围的下限或上限较近的一方，并返回一个错误。ENO的信号状态将设置为0，RET_VAL等于W#16#0008。没有错误，将返回值W#16#0000。l FC106参数：参数说明数据类型存储区描述EN输入BOOLI、Q、M、D、L使能输入端，信号状态为1时激活该功能ENO输出BOOLI、Q、M、D、L如果该功能的执行无错误，该使能输出端信号状态为1IN输入REALI、Q、M、D、L、P、常数欲转换为整型值的输入值HI_LIM输入REALI、Q、M、D、L、P、常数以工程单位表示的上限LO_LIM输入REALI、Q、M、D、L、P、常数以工程单位表示的下限BIPOLAR输入BOOLI、Q、M、D、L信号状态1表示输入值为双极。信号状态0表示输入值为单极OUT输出INTI、Q、M、D、L、P转换结果RET_VAL输出WORDI、Q、M、D、L、P PLC控制系统设计步骤：(一) 根据控制要求确定软件硬件分工1） 控制的基本方式2） 需要完成的动作3） 操作方式4） 确定软件与硬件分工(二) 确定用户的输入/输出设备1） 根据控制要求，确定输入设备2） 根据控制要求，确定输出设备3） 根据用户的输入/输出的设备数量，确定PLC的I/O点数(三) 硬件设计1） 选择PLC的型号2） 建立PLC的输入/输出地址分配表3） 绘制输入/输出设备与PLC的连线图4） 电气系统的设计(四) 软件设计(五) 调试1） 离线模拟调试2） 现场联机调试 PLC控制系统设计的一般原则：1） 首先要满足被控设备的全部控制要求，包括功能要求、性能要求2） 在满足控制系统要求的基础上，应考虑实用性、经济性、可维护性3） 控制系统应确保控制设备性能的稳定性及工作的安全性和可靠性4） 控制系统应具有可扩展性，能满足生产设备的改良和系统的升级5） 控制系统输入/输出设备的标准化原则，易于采购和替换6） 易于操作，符合人机工程学的要求和用户的操作习惯五设计构思(一) 系统结构报警现场显示S7-300上位机BP800(二) S7-300：(三) 上位机设计i. 上位机利用LabVIEW实现ii. 上位机利用力控软件实现六仪器设计(一) 硬件连接1 Pc Schematic ：2 结构搭建：3 Auto CAD:(二) 软件实现1.建立输入输出清单：2.建立用户数据存储块I0.03.流程图：M0.0I0.1FC105M0.1|=|FC106Q1.5Q1.6I1.5Q1.0M0.2I1.6M0.3Q1.14.梯形图：利用STEPT 7Micro/WIN32软件进行西门子S7300的PLC梯形图编程(三) 上位机设计：1.PLC建立通信1. 选择设备：2. 参数设置：3. 模块选择：SM 331 模拟量输入模块，选择8AI通道*16bit型号，进行对模块的参数设置2.力控软件实现上位机功能利用力控软件的图库和工具箱构架出系统结构，完成主画面进行IO设备组态 通信设置产生所需设备在数据库定义变量进行动画连接，完成上位机功能n 报警：n 百分比填充：n 数值输入输出：n 变量选择：n 趋势曲线：运行结果：3. LABVIEW实现上位机：（1） 基本数字与模拟I/O：（2） 工业网络：1) 插入式板卡：2) 第三方网关1. 新建项目，并建立I/O server-Mod bus选择网络，输入IP地址2. 建立与服务器相关的变量，选择寄存器的值（三） OPC：1. 增加通道2. 设置参数设计的第一步是在Multisim中开发模拟电路。HB/SC接线端定义为LabVIEW联合仿真的输入与输出端口。表1是从Multisim设计中导出的电子表格： Multisim设计会在LabVIEW中加载为一个控制设计与仿真模块。整个系统的仿真会基于LabVIEW图形化界面运行，LabVIEW会与后台运行的透明的Multisim进行定时的数据传送和交互。 Multisim设计会被装载入LabVIEW中作为一个虚拟仪器，然后连接到不同的系统模块来构成完整的闭环反馈系统。Multisim Circuit 仿真电路Labview Graphicalinterface输入，显示，报警，记录FC105，106模拟量处理指令SM331，332模拟输入输出模块 在电路图中添加LabVIEW交互接口，用以与LabVIEW仿真引擎之间的数据收发。这些Multisim中的接口是分级模块(Hierarchical Block)和子电路(Sub-Circuit)接口(HB/SC)。右键点击鼠标并从弹出的快捷菜单中选择 Place on schematicHB/SC，或者简单地点击键盘。放置一个HB/SC接口在电路图的左上方，另一个放置在右上方。打开LabVIEW Co-simulation Terminals窗口来将HB/SC接口设置为针对LabVIEW的输入或者输出。浏览到 ViewLabVIEW Co-simulation Terminals。使用LabVIEW中的控制与仿真循环(Control & Simulation Loop)。浏览到LabVIEW的程序框图(后面板)，右键点击，打开函数选板，浏览到Control Design & SimulationSimulationControl & Simulation Loop。左键点击，并将其拖放到程序框图上。将管理LabVIEW和Multisim仿真引擎之间通讯的Multisim Design VI放置到程序框图中。右键点击，打开函数选板，浏览到Control Design & SimulationSimulationExternal ModelsMultisimMultisim Design，左键点击，并将其拖放到控制与仿真循环之中将Multisim Design VI放置到程序框图上以后，会弹出选择一个Multisim设计（Select a Multisim Design）对话框。在对话框中你可以直接输出文件的路径，或者浏览到文件所在的位置来进行指定。现在Multisim Design VI会生成接线端，接线端的形式与Multisim环境中的Multisim Design VI预览一致，具有相对应的输入与输出。如果接线端没有显示出来。左键点击下双箭头，展开接线端。 u NI-DAQmx是DAQ驱动软件发展的新一代产品，帮助更快速创建、测试并发布使用高性能的测量应用程序。NI-DAQmx测量服务软件,除了具备数据采集(DAQ)驱动的基本功能之外,还具备更高工作效率, 更多性能优势。NI正是凭借这一点，得以在虚拟仪器技术领域以及基于计算机技术的数据采集方面保持行业领先地位！NI-DAQmx测量服务软件配合所有NI-DAQmx支持的NI DAQ板卡，为您提供以下特性：对所有多功能数据采集(DAQ)硬件都用统一简单的编程界面，编写模拟输入、模拟输出、数字I/O及计数器程序u 使用多线程且经过优化的单点I/O功能,运行速度可以提高1000倍。u 在各种编程环境如LabVIEW, LabWindows/CVI, Visual Studio .NET, and C/C+中用的是同样的VI程序或函数u 运用Measurement & Automation Explorer(MAX), 数据采集助理(DAQ Assistant), 以及VI Logger数据记录软件，节省大量的系统配置、开发和数据记录时间 虚拟通道校准开发数据采集应用的工程师和科学家们现在可以使用新的通道校准向导，快速地校准一个通道的整个测量路径从传感器直到测量设备然后将校准结果应用到该通道上的每个测量中。工程师使用外部校准参考来校准测量，并将测量值与真实值相比较。这种校准方法还避免了由传感器、信号条理和线路所引起的误差，因此弥补了设备内部校准的不足。很多现有的驱动程序只能提供设备校准，而忽略了由测量通路的其他部分所引入的误差。1. 选择一个已有的任务或全局通道 (global channel) 或创建一个新的任务或全局通道。2. 点击DAQ Assistant中的 “Calibration”标签3. 从通道列表中选择一个或多个虚拟通道。只能选择一种类型的虚拟通道。如果选择了属于不同测量种类的虚拟通道，校准按钮将会失效。4. 点击“Calibration”，通道校准向导就会弹出。5. 依照步骤完成被选虚拟通道的校准工作。可以校准所需的任意多的数据点，并生成一个校准表格。通道校准向导会为校准过的每个虚拟通道存储一组校准属性数据。选择DAQ Assistant中calibration标签的“Properties”，历史、验证校准数据，重新校准选定的虚拟通道，或生成一个校准报告。6. 校准虚拟通道之后，您可以点击“Enable Calibration”，以激活或关闭校准功能。如果“Enable Calibration”设为失效状态，该校准数据将被保存，但不会应用到选定的虚拟通道上。如果您要删除一个校准，可以在通道列表中选择一个或多个虚拟通道，然后点击“Delete Calibration”。 在Multisim中，点击主菜单栏，选择FileNewNI myDAQ Design可以打开“NI myDAQ Design”模板，启动myDAQ仪器。运行结果：前面板：通过单选按钮可进行模式选择 不仅可以实时显示液位值，进行实时控制，得到平均值，方差等数据统计结果，显示报警状况。还可以实现PID的控制，能