基于plc的液位测量课设

1、 目录第一章 设计课题和总体方案确 1.1设计课题 1.2总体方案第二章 传感器的选择2.1液位传感器/变送器 2.1.1液位变送器种类2.2液位变送器的选择2.2.1工作原理2.2.2技术参数2.2.3液位变送器的零点误差2.2.4液位变送器的满度误差 第三章 西门子CPU222系列PLC介绍3.1 西门子PLC控制系统3.1.1 CPU模块3.1.2I/O模块3.1.3电源模块3.2 过程建模 3.3 PLC的基本操作3.4西门子CPU222系列PLC中的PID各参数的意义3.5在PLC中的PID控制的编程第四章 水箱设计4.1水箱的选择4.2贮水槽的选择4.3 水泵选择第五章 变频器的选

2、择 5.2变频器的选择5.2.1 变频器的基本结构 5.2.2变频器的原理5.2.3变频器选择第六章 电源的选择 6.1直流电源的选择 6.1.1直流电源的原理 6.1.2考虑的问题 6.1.3工作模式 6.1.4响应时间 6.1.5分辨率第七章 设计小结第八章 参考文献15 / 17第一章 设计课题和总体方案确1.1设计课题实验水箱热工参数测量与控制测量装置的设计（液位测量）。设计要求：液位高500mm，选用液位传感器或变送器，24V DC供电，二线制接法，电流420mA或电压15V输出，精度达0.5%1.2总体方案液位检测总体上可分为直接检测和间接检测两种方法，由于测量状况与条件复杂多样，

3、因而往往采用间接测量，即将液位信号转化为其它相关信号进行测量，如压力法、浮力法、电学法、热学法等。压力法依据液体重量所产生的压力进行测量。由于液体对容器底面产生的静压力与液位高度成正比，因此通过测容器中液体的压力即可测算出液位高度。对常压开口容器，液位高度H与液体静压力P之间有如下关系:P=gh 式中,是被测液体的密度()。如图所示：设计一个闭环系统，被测对象是水箱中水的液位，通过阀门手动调节液位，在显示器中可以与水箱刻度对比校准。下面是装置设计图：水箱储水池溢出管管道水泵稳压包液位传感器放水阀打开水泵和进水阀，水箱上水；若超过500mm，则通过溢出管返流到储水箱。液位传感器/变送器进过运算之

4、后在显示器上。关闭水泵和进水阀，打开出水阀；手动调节液位，对比刻度和显示器。结构图如下：液位控制对象液位传感变送器数字显示PLCPID变频器和水泵给定值SV仪表测控系统结构图第二章 传感器的选择2.1液位传感器/变送器2.1.1液位变送器种类测量单容容器的液位的传感器有多种，采用传感器与变送器合二为一的静压杆式压力变送器较好。 静压杆式压力变送器工作原理：压力变送器被测介质的两种压力通入高、低两压力室，作用在元件(即敏感元件)的两侧隔离膜片上，通过隔离片和元件的填充液传送到测量膜片两侧。测量膜片与两侧绝缘片上的电极各组成一个电容器。 当两侧压力不一致时，致使测量膜片产生位移，其位移量和压力差成

5、正比，故两侧电容量就不等，通过振荡和解调环节，转换成与压力成正比的信号。压力变送器和绝对压力变送器的工作原理和差压变送器一样，所不同的是低压室压力是大气压或真空。 A/D转换器将解调器的电流转换成数字信号，其值被微处理器用来判定输入压力值。微处理器控制变送器的工作。另外，它进行传感器线性化。重置测量围。工程单位换算、阻尼、开方，传感器微调等运算，以与诊断和数字通信。 D/A转换器把微处理器来的并经校正过的数字信号微调数据，这些数据可用变送器软件修改。数据贮存在EEPROM，即使断电也保存完整。 数字通信线路为变送器提供一个与外部设备(如275型智能通信器或采用HART协议的控制系统)的连接接口

6、。此线路检测叠加在4-20mA信号的数字信号，并通过回路传送所需信息。通信的类型为移频键控FSK技术并依据BeII202标准2.2液位变送器的选择这里选择LR系列WIDEPLUS-L杆式静压液位变送器测量单容容器的液位的传感器有多种，采用传感器与变送器合二为一的静压杆式压力变送器较好，这里选择LR系列WIDEPLUS-L杆式静压液位变送器2.2.1工作原理液体中某一点的静压力与该点到液面的距离成正比，即：其中:P被测点的压力(压强)、介质密度、g重力加速度 、h被测点到液面的高度，对已确定的被测介质与地点，、g为常数，故被测点到液面的位置的变化只与被测的压力（压强）有关。静压液位变送器就是通过

7、测定被测点的静压力来确定液面位置的。当里面注入一定液柱高度（h）的水后，开口容器底面上受到的压力: P=h××g，杆式液位变送器实质上就是压力变送器，单容容器的上限水柱高度为500mm，因此变送器量程为:9.8Pa/mmH2O×500 mmH2O=4.9kPa。2.2.2技术参数WIDEPLUS-L杆式静压液位变送器技术参数：工作电压 12.5V36V DC，输出信号 4mA20mA DC，测量围 04m (最大)，精度0.2级、0.5级，稳定性优于0.1%FS/年，允许温度：常温型介质 -2070，环境 -2070，贮存 -20 80，相对湿度 095%RH ，

8、与介质接触材料：不锈钢1Gr18Ni9Ti，密封：氟橡胶、聚四氟乙烯、焊接密封，膜片：不锈钢316L瓷电容过程连接方式，外螺纹G1 1/2 法兰(默认为DN20, PN0.6)，防护等级：传感器部分防护等级IP68接线盒部分IP65（K1壳 体为IP67）特点：精度高,可靠性好，温度影响小，稳定性±0.1%FS/年，智能化,小型化，控制参数密码锁定、确保安全，测量围大，软件补偿，量程改变时可以不引入压力，故障自诊断、远程设定通讯、远程控制，防水、防尘、防震、防爆、防腐，现场总线HART协议通信2.2.3液位变送器的零点误差 为了使流体的压力能够传递到变送器的膜片，因此杆式液位变送器的

9、底部取压口离开容器底面有数毫米的空隙，这数毫米就成为液位测量固定的系统误差（零点误差）。而杆式液位变送器没有调零的功能，该零点误差可在数显仪表的测量显示的量程下限设置值SUL中修正之。2.2.4液位变送器的满度误差将单容容器的带刻度的水柱高度作为变送器的标准压力输入，变送器输出在250欧姆，负载上的15V为被校值，用数字电压表测量，从而校验出变送器的满度误差和非线性误差；该杆式液位变送器没有调满度功能，满度误差可在数显仪表的测量显示的量程上限设置值SUH中修正之，非线性误差可调偏SUL、SUH值来解决。第三章 西门子CPU222系列PLC介绍3.1 西门子PLC控制系统 CPU222系列是西门

10、子公司推出的产品，是目前运行速度最快的小型PLC之一。下面我们以CPU222系列为例介绍的硬件组成。图2.1为PLC的原理图。外存接口其他接口中央处理器CPUROMRAM编辑器CPROMEPROMRAM其他设备计算机A/D D/A输入接口光电耦合输出接口继电器或晶体管图2.1 PLC的原理图3.1.1 CPU模块CPU是PLC的核心组成部分，与通用微机的CPU一样，它在PLC系统中的作用类似于人体的神经中枢，故称为“电脑”。其功能是：1、PLC中系统程序赋予的功能，接收并存储从编程器输入的用户程序和数据。2、用扫描方式接受现场输入装置的状态，并存入映像寄存器。3、诊断电源、PLC部电路工作状态

11、和编程过程中的语法错误。在PLC进入运行状态后，从存储器中逐条读去用户程序，按指令规定的任务，产生相应的控制信号，去起闭有关控制电路。3.1.2I/O模块I/O模块是CPU与现成I/O装置或其他外部设备之间的连接部件。PLC提供了各种操作电平与驱动能力的I/O模块和各种用途I/O元件供用户选用。如输入/输出电平转换、电气隔离、串/并行转换、数据传送、误码校验、A/D或D/A变换以与其他功能模块等。I/O模块将外部输入信号变换成CPU能接受的信号，或将CPU的输出信号变换成需要的控制信号去驱动控制对象，以确保整个系统正常的工作。其中输入信号要通过光电隔离，通过滤波进入CPU控制板，CPU发出输出

12、信号至输出端。输出方式有三种：继电器方式、晶体管方式和晶闸管方式。3.1.3电源模块根据PLC的设计特点，它对电源并无特殊需求，它可使用一般工业电源。3.2 过程建模过程控制系统的品质，是由组成系统的过程和过程检测控制仪表各环节的特性和系统的结构所决定。在构成控制系统的分析和设计中，过程的数学模型是极其重要的基础资料。所以，建立过程的数学模型，对实现生产过程自动化有着十分重要的意义。可以这样说，一个过程控制系统的优劣，主要取决于对生产工艺过程的了解和建立过程的数学模型。3.3 PLC的基本操作Plc面板见前页，PV为测量值，SV为设定值，SET为参数设定选择键，、为设定值的增减键。按压SET键

13、，查看或设定一级参数。在现实一级参数CLK=132时，同时按压SET键和键30秒，则进入二级参数设定在一、二级参数设定后，按SET键30秒，则返回测量值显示。在仪表自动控制输出下，同时按SET键和键，仪表将进入手动控制输出模式，A/M指示灯亮，此时按、键，可改变SV值，从而仪表自动跟踪输出量。再同时按SET键和键，A/M指示灯灭，仪表进入自动控制输出模式。PLC的CPU222与其扩展模块3.4西门子CPU222系列PLC中的PID各参数的意义西门子PID各参数的解释COM_RST :=初试化MAN_ON :=手动PVPER_ON:=过程变量外设接通P_SEL :=比例分量接通I_SEL :=积

14、分分量接通INT_HOLD:=积分分量保持I_ITL_ON:=积分分量初始化接通D_SEL :=微分分量接通CYCLE :=采样时间SP_INT :=部设定值PV_IN :=过程变量输入PV_PER :=过程变量外设输入MAN :=手动值GAIN :=比例增益TI :=复位时间TD :=微分时间TM_LAG :=微分分量的滞后时间DEADB_W :=死区宽度LMN_HLM :=被控量上限LMN_LLM :=被控量下限PV_FAC :=过程变量系数PV_OFF :=过程变量偏移量LMN_FAC :=被控量系数LMN_OFF :=被控量偏移量I_ITLVAL:=积分分量初始值DISV :=干扰变量

15、LMN :=被控量LMN_PER :=被控量外设QLMN_HLM:=被控量上限值到达QLMN_LLM:=被控量下限值到达LMN_P :=比例分量LMN_I :=积分分量LMN_D :=微分分量PV :=过程变量ER :=误差信号3.5在PLC中的PID控制的编程第四章 水箱设计4.1水箱的选择H=600mm,d=300mm，材料：有机玻璃总要求：液位高500mm，选用液位传感器或变送器，24V DC供电，二线制接法，电流420mA或电压15V输出，精度达0.5%水箱必须比要求稍微高点，直径节约材料，选择直径300mm，有机玻璃。4.2贮水槽的选择a=600mm,b=600mm,c=300mm，

16、材料：有机玻璃。必须比需要的水的总体积多，V=0.108(m3)。4.3 水泵选择 选择三相水泵，与变频器相配组成调速水泵成为液位、压力、流量三种调节系统中的执行机构，通过调速水泵去调节单容容器进水管的水流量，使这三个被调参数达到给定值。第五章 变频器的选择5.2变频器的选择5.2.1 变频器的基本结构变频器是把工频电源(50Hz或60Hz)变换成各种频率的交流电源，以实现电机的变速运行的设备，其中控制电路完成对主电路的控制，整流电路将交流电变换成直流电，直流中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波，逆变电路将直流电再逆变成交流电。对于如矢量控制变频器这种需要大量运算的变频器来说，有时还需要一个进

17、行转矩计算的CPU以与一些相应的电路。 5.2.2变频器的原理变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。我们现在使用的变频器主要采用交直交方式（VVVF变频或矢量控制变频），先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。变频器的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制4个部分组成。整流部分为三相桥式不可控整流器，逆变部分为IGBT三相桥式逆变器，且输出为PWM波形，中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率。 5.2.3变频器选择交流变频器、直流变频器、西门子MM420是用于控制三相交流电动机速度的变

18、频器系列。该系列有多种型号。YL-335B选用的MM4290，该变频器额定参数为： 电源电压：380V480V，三相交流 额定输出功率：0·75KW 额定输入电流：2·4A 额定输出电流：2·1A 外形尺寸：A型 操作面板：基本操作板（BOP）MM420变频器外部接线引脚变频器方框图第六章 电源的选择 6.1直流电源的选择 6.1.1直流电源的原理直流稳压电源是常用的电子设备，它能保证在电网电压波动或负载发生变化时，输出稳定的电压。一个低纹波、高精度的稳压源在仪器仪表、工业控制与测量领域中有着重要的实际应用价值。本设计给出的稳压电源的输出电压围为018 V，额定工

19、作电流为0.5 A，并具有"+"、"-"步进电压调节功能，其最小步进为0.05 V，纹波不大于10 mV，此外，还可用LCD液晶显示器显示其输出电压值。系统硬件设计本系统由电源模块、调压模块、DA转换模块、显示与键盘模块组成，图1所示是该直流数控稳压电源的结构原理框图。系统电源模块 220 V市电经220 V17.5 V变压器降压后得到的双17.5 V交流电压，经过一个全桥整流后可得到±21 V两路电压，其中一路+21 V电压供给调整管，作为电源对外输出，另一路经三端稳压器7815得到+15 V，再经过7805得到+5 V的电压。-21 V的电压则经三端稳压器MC7915得到-15 V电压，以作为系统本身的工作电源。6.1.2考虑的问题选择电源的基本依据电压和电流围，这是两个最容易确定的指标，只要根据电路的功耗计算出即可。不过若仅用单一的直流电压给UUT供电时，应考虑测试UUT的高、低供电电压极值。大多数固定电源允许输出电压±10的围变化，如果这还不能满足电路要求，可选用输出可调的或允许更大变化围的电源。如果用该电源给组合式装置供电，则装置所需最大的电流的75到90由一个电源提供，不够部分可并接两个或更多电源。为半固定检测试验台供电的电源，必须具有检测试验台所需电流的至少125的容量。6.1.3工作模式几乎所有的