智能化液位测量仪(课设).doc

过程控制系统课程设计设计题目：智能化液位测量仪设计 学 生： 专 业： 班级学号： 指导教师： 设计时间：1前言计算机测控系统，特别是基于现场总线的多传感器计算机测控系统可极大地提高测控系统的自动化水平和智能水平，降低系统造价，它要求其信息采集装置是数字化、智能化的，具有高性能、低成本和较强的信息处理能力。智能传感器系统就是为了适应这类系统的发展而提出和发展起来的一个新的研究方向。随着测控系统向基于现场总线的多传感器计算机测控系统发展，现有的传统位移传感器已无法满足要求，而集信息采集、信息预处理和数字通信功能于一身，能自主管理，具有智能化特性的智能位移传感器系统成为生产实践发展的迫切需求。然而，由于智能传感器系统的研究起步较晚，其理论和实践远未成熟，离实际应用需求差距很大，尤其是高性能、小体积、低成本智能传感器系统更是有待于进一步开发。因此，研究开发高性能的智能液位传感器对于促进信息技术及自动化技术的发展、提高设备的性能及自动化水平具有不可低估的意义。2.设计任务书2.1设计题目 智能化液位测量仪2.2设计目的 1.通过此次设计，使同学们掌握查找资料，收集信息的能力，为 以后的毕业设计及工作做准备。 2.通过设计液位测量仪，使同学们对PLC，传感器，工程控制等 有关专业知识有更深的理解和掌握。2.3设计任务 1.液位传感器采用BT800（不限）； 2.写出液位测量过程，画出液位测量组成； 3.系统硬件电路设计，硬件控制采用西门子300PLC（不限型号）； 4.编制液位测量程序； 5.绘制设计流程图； 6.写出总结，以及改进方法。3 传感器及PLC的介绍3.1 模拟传感器与智能数字传感器智能传感器一词已经出现了十几年。目前对其中“智能”的确切定义仍在讨论之中。以往人们主要强调在工艺上将传感器与微处理器两者紧密结合，认为“传感器的敏感元件及其信号调理电路与微处理器集成在一块芯片上就是智能传感器”。然而，这样的提法没有突出智能传感器系统的主要特点，单纯强调芯片集成化的现实意义不大，而且也不经济。智能传感器系统的主要特点是把计算机技术和现代通讯技术融入传感器系统中，其目的是为了适应计算机测控系统的发展满足系统对传感器提出的更高要求，因此认为智能传感器是指传感器与微处理器赋予智能的结合，兼有信息检测、信息处理及通讯功能的传感器系统。在结构上，智能传感器系统将传感器、信号调理电路、微控制器及数字信号接口组合为一整体，其框图如图1所示。图中的传感元件将被测非电量转换为电信号，信号调理电路对传感器输出的电信号进行调理并转换为数字信号后送入微控制器，由微控制器处理后的测量结果经数字信号接口输出。在智能传感器系统中不仅有硬件作为实现测量的基础，更有强大的软件支持来保证测量结果的正确性和高精度，以数字信号形式作为输出易于和计算机测控系统接口，并具有很好的传输特性和很强的抗干扰能力。图1 智能传感器系统框图智能传感器与传统传感器相比，具有如下特点：（1）精度高智能传感器可以用多个功能来保证它的高精度，如：通过自动校零调整零点；自动进行整体系统的非线性等系统误差的校正；通过对采集数据进行滤波以消除随机误差的影响。（2）高可靠性与高稳定性智能传感器能自动补偿因工作条件与环境参数发生变化后引起系统特性的漂移，如：对温度变化而产生的零点和灵敏度的漂移进行补偿；能自动改换量程；能进行系统的自我检验。（3）高信噪比与高的分辨率智能传感器具有数据存储、记忆与信息处理功能，通过数字滤波去除输入数据中的噪声；通过数据融合技术消除多参数状态下复合灵敏度的影响，从而保证对特定参数测量的分辨能力。（4）强的自适应性智能传感器具有判断、分析与处理功能，它使系统工作在最优化低功耗状态和优化传送速率。（5）设计制造容易，使用维修简单由于智能型传感器的大部分功能都是通过软件程序来实现的，而它的硬件电路相对来讲是比较简单，制造容易。同样若智能型传感器出现故障，除它本身具有自寻故障，发出警报功能外，对它进行维修主要是优化软件程序。（6）集中控制由于智能型传感器采用微处理器进行整个系统的控制，所以这种方式是非常集中的，因为微处理器具有强大的数据处理能力和控制能力，通过它的软件程序来使微处理器充分利用。这样可以使智能型传感器系统多种功能协调起作用，从而保证了它的优点充分发挥。（7）灵活性强以软件为主体的智能型传感器不仅在使用方便、功能多样化等方面呈现很大的灵活性，而且在智能型传感器的性能方面，由于其控制软件或运算软件易于修改，也是易于改变的。（8）高的性能价格比智能型传感器所具有的上述多种功能，并不是像传统传感器技术追求传感器本身的完善，对传感器的各个环境进行精心设计与调试进行“手工艺品”式的精雕细琢来获得，而是通过与微处理器或计算机相结合采用廉价的集成电路工艺和芯片以及强大的软件来实现的。 由此可见智能化设计是传感器传统设计中的一次革命，是传感器的发展趋势。3.2 液位传感器发展状况液位测量是是一门测量气-液、液-液或液-固分界面位置的测量技术。它包括对测量对象(被测介质及其容器、环境条件)、测量方法和测量仪表的研究。对被测介质的研究，主要是要了解它的电导率、密度、介电常数、声速、声阻抗、粘度、逆光性能、表面张力系数、流动情况以及液体表面的一些特性。还要研究被测对象的工况，如压力、温度、湿度及其变化情况、辐照情况、腐蚀情况，液体容器的几何形状和液体的相对位置及变化规律等。液位检测包括液位、液位差、相界面的连续测量、定点信号报警、控制，多点测量以及液位巡回检测等方面的技术。液位检测技术是基于液位敏感元件在液位发生变化时，把相应的能够表示液位变化且易于检测的物理量变化值检测出来。这个物理量可能是电量参数，或机械位移，也可能是诸如声速、能量衰减变化、静压力的变化，等等。再把这些电量的或非电量的物理量变化值采用相应的、最简便可靠的信号处理手段转换成能够用来显示的信号。目前使用的液位传感器分为两种：开关式和连续式。开关式传感器主要是用于获得特殊位置的液位值。连续式传感器运用于测量一定范围内的液位值。连续液位测量是对液位连续地进行测量，它广泛地应用于石油、化工、食品加工等诸多领域，具有非常重要的意义。常用的连续式液位传感器有：（1）玻璃管法、玻璃板法、双色水位法、人工检尺法。这4种方法都是人工测量方法，具有测量简单、可靠性高、直观、成本低的优点。（2）吹气法、差压法、HTG法；这3种方法都是利用液体的压力差来测量液位的。（3）浮子法、浮筒法、浮球法、伺服法、沉筒法；以上5种方法都是利用浮力原理来工作的。（4）电容法、电阻法、电感法；这3种方法都是利用液位传感器的电参数产生变化的方法来测量液位的。（5）磁致伸缩法、超声波法、调制型光学法、微波法；以上3种方法都是通过检测信号传播的时间来确定液位的。（6）磁翻板法、振动法、核辐射法、光纤传感器法等。3.3 BT800系列磁致伸缩液位变送器简介3.3.1 概述 BT800系列二线制磁致伸缩液位变送器是一种高精度、高可靠、免维护的液位测量仪表。它采用磁致伸缩原理，应用非接触方式，电路采用全智能化模块设计，输出420mA模拟信号和HART协议数字信号。模块内液晶显示420mA、百分比、工程单位。探头选用刚性和柔性探杆，工作中不收介质气泡、介电常数、工作压力和温度、介质气相组份等变化影响。它采用波导脉冲工作，工作中通过起始脉冲和终止脉冲的时间间隔来确定被测液位高度，因此具有测量精度极高、安全稳定可靠、寿命极长、测量范围广、安装拆卸方便，调校简单快捷等特点。 BT800系列变送器适用于各种易燃易爆场合，将液位量转换成420mA信号和HART协议数字信号，可与国内外DCS控制系统配套使用。广泛用于石油、化工、电力、冶金、食品、造纸、机械等工业领域的敞口或带压容器液位的连续测量。3.3.2 主要特点 测量精度极高：模拟信号输出为满量程的0.01%；数字信号输出为1mm。 标定简单方便：操作按键标定或用HART手操器标定。 温度范围宽：-196450. 调校简单快捷：一次调校标定，无需反复调校。 模块互换性好：可现场更新模块无需标定。 压力范围大：标准2.5MPa；最大可达32MPa。 双腔防爆结构：电路模块与接线端隔离；操作方便、安全可靠。 采用非接触方式：安装拆卸方便、安全可靠；寿命极长。 不受下列工况变化影响：介质气泡、介电常数、工作压力、介质气相组份变 化等。 现场替换下列仪表：电动浮筒式、差压式、雷达式、超声波式、电容式、干雷管式、浮标式、光导式、核子式、钢带及钢带伺服式等仪表。 耐腐蚀性强：液体接触部分为全不锈钢及衬聚四氟乙烯材料；耐强酸、强碱等腐蚀性介质。 具有极性保护和良好抗干扰能力：有极性误反接保护、放雷击和先进的抗射频干扰电路。3.3.3 典型应用 过程液位、界面的测量与控制。 储罐中转计量。 替代电动浮筒式、差压式、雷达式、超声波式、电容式、干雷管式、浮标式、光导式、核子式、钢带及钢带伺服式等仪表。 球罐应用。 酸、碱等强腐蚀性介质测量。 泡沫、气泡介质测量。 阀门定位控制；机械位移测量控制。 电脱盐界面测量控制。3.3.4 测量原理 BT800系列磁致伸缩液位变送器采用磁致伸缩原理设计。它主要由波导线、电路模块、探杆及非接触浮球（磁体）组成。当变送器工作时，电路模块产生电流脉冲（起始脉冲）沿波导线以恒速传输，同时产生一个沿波导线跟随脉冲前进的旋转磁场，当该磁场与浮球中磁体的永久磁场相遇时，产生磁致伸缩效应，是波导线产生瞬时扭动，这一扭应力波（返回脉冲）沿波导线以恒速传输波电路模块内的信号检测器感知并转换成相应的电流脉冲。通过电路模块计算出起始脉冲与终止脉冲的时间差，就可以精确地测量浮球的位置，而浮球总是浮在液面上随液位的变化而变化，通过全智能化模块将液位变化量转换成420mA电流信号和HART协议数字信号输出。3.5 西门子S7-200 PLC简介3.5.1 概述 西门子S7系列可编程控制器分为S7-400、S7-300、S7-200三个系列，分别为S7系列的大、中、小型可编程控制器系统。S7-200系列可编程控制器有CPU21X系列，CPU22X系列，其中CPU22X型可编程控制器提供了4个不同的基本型号，常见的有CPU221，CPU222，CPU224和CPU226四种基本型号。小型PLC中，CPU221价格低廉能满足多种集成功能的需要。CPU 222是S7-200家族中低成本的单元，通过可连接的扩展模块即可处理模拟量。CPU 224具有更多的输入输出点及更大的存储器。CPU 226和226XM是功能最强的单元，可完全满足一些中小型复杂控制系统的要求。四种型号的PLC具有下列特点：（1） 集成的24V电源 可直接连接到传感器和变送器执行器，CPU 221和CPU222具有180mA 输出。CPU224输出280mA，CPU 226、CPU 226XM输出400mA 可用作负载电源。（2）高速脉冲输出具有2 路高速脉冲输出端，输出脉冲频率可达20KHz，用于控制步进电机或伺服电机，实现定位任务。（3）通信口CPU 221、CPU222和CPU224具有1个RS-485通信口。CPU 226、CPU 226XM具有2个RS-485通信口。支持PPI、MPI通信协议，有自由口通信能力。（4）模拟电位器CPU221/222有1个模拟电位器，CPU224/226/226XM有2个模拟电位器。模拟电位器用来改变特殊寄存器（SMB28，SMB29）中的数值，以改变程序运行时的参数。如定时器、计数器的预置值，过程量的控制参数。（5）中断输入允许以极快的速度对过程信号的上升沿作出响应。（6）EEPROM 存储器模块（选件）可作为修改与拷贝程序的快速工具，无需编程器并可进行辅助软件归档工作。（7）电池模块用户数据（如标志位状态、数据块、定时器、计数器）可通过内部的超级电容存储大约5 天。选用电池模块能延长存储时间到200天（10年寿命）。电池模块插在存储器模块的卡槽中。（8）不同的设备类型CPU 221226 各有2种类型CPU，具有不同的电源电压和控制电压。（9）数字量输入/输出点CPU 221具有6个输入点和4个输出点；CPU 222具有8个输入点和6个输出点；CPU 224 具有14个输入点和10个输出点；CPU226/226XM 具有24个输入点和16个输出点。CPU22X主机的输入点为24V直流双向光电耦合输入电路，输出有继电器和直流（MOS型）两种类型。（10）高速计数器CPU 221/222有4个30KHz高速计数器，CPU224/226/226XM有6个30KHz的高速计数器，用于捕捉比CPU扫描频率更快的脉冲信号。3.5.2 S7-200 PLC的CPU的工作方式CPU前面板上用两个发光二极管显示当前工作方式，绿色指示灯亮，表示为运行状态，红色指示灯亮，表示为停止状态，在标有SF指示灯亮时表示系统故障，PLC停止工作。（1）STOP（停止）CPU在停止工作方式时，不执行程序，此时可以通过编程装置向PLC装载程序或进行系统设置，在程序编辑、上下载等处理过程中，必须把CPU置于STOP方式。（2）RUN（运行）CPU在RUN工作方式下，PLC按照自己的工作方式运行用户程序。3.5.3 改变工作方式的方法（1）用工作方式开关改变工作方式。工作方式开关有3个挡位：STOP、TERM（Terminal）、RUN。把方式开关切到STOP位，可以停止程序的执行。把方式开关切到RUN位，可以起动程序的执行。把方式开切到TERM（暂态）或RUN位，允许STEP7- Micro/WIN32软件设置CPU工作状态。如果工作方式开关设为STOP或TERM，电源上电时，CPU自动进入STOP工作状态。设置为RUN时，电源上电时，CPU自动进入RUN工作状态。（2）用编程软件改变工作方式。把方式开关切换到TERM（暂态），可以使用STEP 7-Micro/WIN32编程软件设置工作方式。（3）在程序中用指令改变工作方式。在程序中插入一个STOP指令，CPU可由RUN方式进入STOP工作方式。4 设计思想4.1智能化液位测量仪的总体设计思想在前面介绍了智能型传感器的一般原理及其特点和功能，也简述了它相对于传统型传感器的优点。它是传统型传感器的取代产品，具有广泛的商业价值及应用前景，对智能型传感器的研究具有很现实的意义。但是，尽管知道智能型液位传感器是在传统型液位传感器加上微处理器基础产生的，但仍然要剖析其内部总体设计指导思想以有利于进行各个组成部分的设计和制造及其接口电路设计。本次设计采用开环结构，首先把液位传感器采集来的模拟信号经过PLC模拟通道AIWO进来后经过工程整定转换成实际液位值，然后经过一系列运算转后用数码管显示出来。即： 采样 整定 换算 显示4.2 模拟量转换 H为转换后的时间液位值 n 为滤波后的输入量 测量液位范围为0-6m 模拟量输入采用单极性5 总体设计5.1 显示子程序流程图实际值乘100并转换为整数除10（含余数）除100（不含余数）整数位显示 余数显示商-整数位10 显示5.3 内存地址储存器地址所存内容储存器地址所存内容VW0数据个数VW 4采样值VW 2实际数据个数VD 30转换后的实际液位值VW 38中间值VD 34中间值VB 42 显示十分位VB 40 显示整数位VB 48显示百分位VW 44中间值5.4 程序（见附录）5.5 硬件设计5.5.1 74L139芯片输入输出使能E选择B AY0 Y1 Y2 Y310000X X0 00 11 01 11 1 1 10 1 1 11 0 1 11 1 0 11 1 1 0 上图是74139集成块引脚图，内有两个2-4译码器，右表是其中一个译码器的真值表。输入的2位二进制编码共表示4种状态，译码器将每个输入编码译成对应的一根输出线上的低电平信号。例如，当输入编码BA=10时，对应Y2输出为低电平，其余输出全为高电平。E为使能端，低电平有效。它既可控制电路的工作，也可用于扩展逻辑功能。E=0时，2-4译码器工作；E=1时，电路被禁止，输出全部为高电平，输出状态与输入编码无关。BA可视作二进制数据，B为高位，A为低位，与输出Y0Y3对应。5.5.2 CD4511芯片 CD4511是一个用于驱动共阴极 LED （数码管）显示器的 BCD 码七段码译码器，特点如下：具有BCD转换、消隐和锁存控制、七段译码及驱动功能的CMOS电路能提供较大的拉电流。可直接驱动LED显示器。其功能介绍如下