基于plc的液位測量課設(shè)

1、目錄第一章 設(shè)計課題和總體方案確1.1 設(shè)計課題1.2 總體方案第二章 傳感器的選擇2.1 液位傳感器 /變送器2.1.1 液位變送器種類2.2 液位變送器的選擇2.2.1 工作原理2.2.2 技術(shù)參數(shù)2.2.3 液位變送器的零點誤差2.2.4 液位變送器的滿度誤差第三章 西門子CPU222系歹U PLC介紹3.1西門子PLC控制系統(tǒng)3.1.1 CPU 模塊3.1.2 I/O 模塊3.1.3 電源模塊3.2 過程建模3.3 PLC 的基本操作3.4西門子CPU222系列PLC中的PID各參數(shù)的意義3.5在PLC中的PID控制的編程第四章 水箱設(shè)計4.1 水箱的選擇4.2 貯水槽的選擇4.3 水

2、泵選擇第五章 變頻器的選擇5.2 變頻器的選擇5.2.1 變頻器的基本結(jié)構(gòu)5.2.2 變頻器的原理5.2.3 變頻器選擇第六章 電源的選擇6.1 直流電源的選擇6.1.1直流電源的原理6.1.2考慮的問題6.1.3工作模式6.1.4響應(yīng)時間6.1.5分辨率第七章 設(shè)計小結(jié)第八章 參考文獻(xiàn)第一章設(shè)計課題和總體方案確1.1設(shè)計課題實驗水箱熱工參數(shù)測量與控制測量裝置的設(shè)計（液位測量）。設(shè)計要求：液位高 500mm,選用液位傳感器或變送器，24V DC供電，二線制接法，電流420mA或電壓15V輸出，精度達(dá)0.5%1.2總體方案液位檢測總體上可分為直接檢測和間接檢測兩種方法，由于測量狀況及條件復(fù)雜多樣

3、，因而往往采用間接測量，即將液位信號轉(zhuǎn)化為其它相關(guān) 信號進(jìn)行測量，如壓力法、浮力法、電學(xué)法、熱學(xué)法等。壓力法依據(jù)液體重量所產(chǎn)生的壓力進(jìn)行測量。由于液體對容器底面產(chǎn)生的靜壓力與液位高度成正比，因此通過測容器中液體的壓力即可測算出 液位高度。對常壓開口容器，液位高度 H與液體靜壓力P之間有如下關(guān)系：P=P gh式中,是被測液體的密度（kg/m3）。如圖所示：設(shè)計一個閉環(huán)系統(tǒng)，被測對象是水箱中水的液位，通過閥 門手動調(diào)節(jié)液位，在顯示器中可以與水箱刻度對比校準(zhǔn)。F面是裝置設(shè)計圖:打開水泵和進(jìn)水閥，水箱上水；若超過 500mm則通過溢出管返流到 儲水箱。液位傳感器/變送器進(jìn)過運算之后在顯示器上。關(guān)閉水泵

4、和進(jìn)水閥，打開出水閥；手動調(diào)節(jié)液位，對比刻度和顯示器。 結(jié)構(gòu)圖如下：液位控制對象液位傳感變送器數(shù)字顯示變頻器和水 泵PLCPID給定值SV儀表測控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖第二章 傳感器的選擇2.1 液位傳感器 /變送器2.1.1液位變送器種類測量單容容器的液位的傳感器有多種， 采用傳感器與變送器合二為一 的靜壓桿式壓力變送器較好。靜壓桿式壓力變送器工作原理：壓力變送器被測介質(zhì)的兩種壓力通 入高、低兩壓力室，作用在S元件（即敏感元件）的兩側(cè)隔離膜片上，通過 隔離片和元件內(nèi)的填充液傳送到測量膜片兩側(cè)。 測量膜片與兩側(cè)絕緣片上 的電極各組成一個電容器。當(dāng)兩側(cè)壓力不一致時， 致使測量膜片產(chǎn)生位移， 其位移量和壓力差

5、 成正比， 故兩側(cè)電容量就不等， 通過振蕩和解調(diào)環(huán)節(jié)， 轉(zhuǎn)換成與壓力成正 比的信號。壓力變送器和絕對壓力變送器的工作原理和差壓變送器相同， 所不同的是低壓室壓力是大氣壓或真空。A/D轉(zhuǎn)換器將解調(diào)器的電流轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號， 其值被微處理器用來 判定輸入壓力值。 微處理器控制變送器的工作。 另外，它進(jìn)行傳感器線性 化。重置測量范圍。工程單位換算、阻尼、開方， ，傳感器微調(diào)等運算， 以及診斷和數(shù)字通信。D/A轉(zhuǎn)換器把微處理器來的并經(jīng)校正過的數(shù)字信號微調(diào)數(shù)據(jù)， 這些 數(shù)據(jù)可用變送器軟件修改。數(shù)據(jù)貯存在EEPRO內(nèi),即使斷電也保存完整。數(shù)字通信線路為變送器提供一個與外部設(shè)備 （如 275型智能通信器或采用

6、 HART 協(xié)議的控制系統(tǒng) ）的連接接口。此線路檢測疊加在 4-20mA 信號的數(shù)字信號，并通過 回路傳送所需信息。通信的類型為移頻鍵控 FSK 技術(shù)并依據(jù) BeII202 標(biāo)準(zhǔn)2.2 液位變送器的選擇這里選擇LR系列WIDEPLUS-桿式靜壓液位變送器測量單容容器的液位的傳感器有多種，采用傳感器與變送器合二為一的靜壓桿 式壓力變送器較好，這里選擇 LR 系列 WIDEPLUS-L 桿式靜壓液位變送器 2.2.1 工作原理液體中某一點的靜壓力與該點到液面的距離成正比，即：其中:P被測點的壓力（壓強(qiáng)）、p介質(zhì)密度、g重力加速度、h被測點到液面的高度，對已確定的被測 介質(zhì)及地點，p、 g為常數(shù)，故

7、被測點到液面的位置的變化只與被測的壓力（壓強(qiáng)）有關(guān)。靜壓液位變送器就是通過測定被測點的靜壓力來確定液面位置的。當(dāng)里面注入一定液柱高度（h）的水后，開口容器底面上受到的壓力：P=h XpX g，桿式液位 變送器實質(zhì)上就是壓力變送器， 單容容器的上限水柱高度為 500mm ，因此變送器量程為：9.8Pa/mmH2O x 500 mmH2O=4.9kPa。2.2.2 技術(shù)參數(shù)WIDEPLUS-L干式靜壓液位變送器技術(shù)參數(shù)：工作電壓 12.5V36V DC輸出信號4mA20mADC測量范圍04m（最大），精度0.2級、0.5 級，穩(wěn)定性優(yōu)于0.1%FS/年，允許溫度：常溫型介質(zhì)-20 C70C,環(huán)境

8、-20 C70r，貯存-20 C80 C,相對濕度095%RH與介質(zhì)接觸材 料：不銹鋼 1Gr18Ni9Ti ，密封：氟橡膠、聚四氟乙烯、焊接密封，膜片： 不銹鋼316L陶瓷電容過程連接方式，外螺紋 G1 1/2法蘭（默認(rèn)為DN20, PN0.6），防護(hù)等級：傳感器部分防護(hù)等級IP68接線盒部分IP65（ K1殼 體 為 IP67）特點：精度高，可靠性好，溫度影響小，穩(wěn)定性土 0.1%FS/年，智能化，小型化， 控制參數(shù)密碼鎖定、確保安全，測量范圍大，軟件補(bǔ)償，量程改變時可以不引入壓 力，故障自診斷、遠(yuǎn)程設(shè)定通訊、遠(yuǎn)程控制，防水、防塵、防震、防爆、防腐，現(xiàn) 場總線 HART 協(xié)議通信2.2.3

9、 液位變送器的零點誤差為了使流體的壓力能夠傳遞到變送器的膜片， 因此干式液位變送器的底部取壓 口離開容器底面有數(shù)毫米的空隙，這數(shù)毫米就成為液位測量固定的系統(tǒng)誤差（零點 誤差）。而干式液位變送器沒有調(diào)零的功能， 該零點誤差可在數(shù)顯儀表的測量顯示的 量程下限設(shè)置值 SUL 中修正之。2.2.4 液位變送器的滿度誤差將單容容器的帶刻度的水柱高度作為變送器的標(biāo)準(zhǔn)壓力輸入，變送 器輸出在250歐姆，負(fù)載上的15V為被校值，用數(shù)字電壓表測量，從而 校驗出變送器的滿度誤差和非線性誤差； 該干式液位變送器沒有調(diào)滿度功 能，滿度誤差可在數(shù)顯儀表的測量顯示的量程上限設(shè)置值SUH中修正之，非線性誤差可調(diào)偏SUL S

10、UH值來解決。第三章 西門子CPU222系歹U PLC介紹3.1西門子PLC控制系統(tǒng)CPU222系列是西門子公司推出的產(chǎn)品，是目前運行速度最快的小 型PLC之一。下面我們以CPU222系列為例介紹PLC的硬件組成。圖2.1 為PLC的原理圖。外 存 接 口圖2.1 PLC的原理圖3.1.1 CPU 模塊CPL是 PLC的核心組成部分，與通用微機(jī)的 CPU一樣，它在PLC系統(tǒng) 中的作用類似于人體的神經(jīng)中樞，故稱為“電腦”。其功能是：1、PLC中系統(tǒng)程序賦予的功能，接收并存儲從編程器輸入的用戶程 序和數(shù)據(jù)。2、用掃描方式接受現(xiàn)場輸入裝置的狀態(tài)，并存入映像寄存器。3、診斷電源、PLC內(nèi)部電路工作狀態(tài)

11、和編程過程中的語法錯誤。在PLC進(jìn)入運行狀態(tài)后，從存儲器中逐條讀去用戶程序，按指令規(guī)定 的任務(wù)，產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號，去起閉有關(guān)控制電路。3.1.2 I/O 模塊I/O模塊是CPU與現(xiàn)成I/O裝置或其他外部設(shè)備之間的連接部件。PLC 提供了各種操作電平與驅(qū)動能力的 I/O 模塊和各種用途 I/O 元件供用戶選 用。如輸入 /輸出電平轉(zhuǎn)換、電氣隔離、串 /并行轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)傳送、誤碼校 驗、A/D或D/A變換以及其他功能模塊等。I/O模塊將外部輸入信號變換 成CPU能接受的信號，或?qū)PU勺輸出信號變換成需要的控制信號去驅(qū)動 控制對象，以確保整個系統(tǒng)正常的工作。其中輸入信號要通過光電隔離，通過濾波進(jìn)入

12、CPU控制板，CPUS出 輸出信號至輸出端。 輸出方式有三種： 繼電器方式、 晶體管方式和晶閘管 方式。3.1.3 電源模塊根據(jù)PLC的設(shè)計特點，它對電源并無特殊需求，它可使用一般工業(yè)電 源。3.2 過程建模過程控制系統(tǒng)的品質(zhì)，是由組成系統(tǒng)的過程和過程檢測控制儀表各環(huán)節(jié)的特性 和系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)所決定。在構(gòu)成控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計中，過程的數(shù)學(xué)模型是極其重 要的基礎(chǔ)資料。所以，建立過程的數(shù)學(xué)模型，對實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化有著十分重要 的意義。可以這樣說，一個過程控制系統(tǒng)的優(yōu)劣，主要取決于對生產(chǎn)工藝過程的了 解和建立過程的數(shù)學(xué)模型。3.3 PLC 的基本操作Pic面板見前頁，PV為測量值，SV為設(shè)定值，SE

13、T為參數(shù)設(shè)定選擇鍵，、 為設(shè)定值的增減鍵。按壓 SET 鍵，查看或設(shè)定一級參數(shù)。在現(xiàn)實一級參數(shù) CLK=132時，同時按壓SET鍵和鍵30秒，則進(jìn)入二級參數(shù) 設(shè)定在一、二級參數(shù)設(shè)定后，按 SET鍵30秒，則返回測量值顯示。在儀表自動控制輸出下，同時按SET鍵和鍵，儀表將進(jìn)入手動控制輸出模式， A/M指示燈亮，此時按厶、鍵，可改變 SV值，從而儀表自動跟蹤輸出量。再同 時按SET鍵和鍵，A/M指示燈滅，儀表進(jìn)入自動控制輸出模式。PLC的CPU222及其擴(kuò)展模塊3.4西門子CPU222系列PLC中的PID各參數(shù)的意義西門子PID各參數(shù)的解釋COM_RST :=初試化MAN_ON :=手動PVPER

14、_ON:=過程變量外設(shè)接通P_SEL :=比例分量接通I_SEL :=積分分量接通INT_HOLD:=積分分量保持I_ITL_ON:=積分分量初始化接通D_SEL :=微分分量接通CYCLE :=采樣時間SP_INT :=內(nèi)部設(shè)定值PV_IN :=過程變量輸入PV_PER :=過程變量外設(shè)輸入MAN :=手動值GAIN :=比例增益TI := 復(fù)位時間TD :=微分時間TM_LAG := 微分分量的滯后時間DEADB_W := 死區(qū)寬度LMN_HLM := 被控量上限LMN_LLM := 被控量下限PV_FAC := 過程變量系數(shù)PV_OFF := 過程變量偏移量LMN_FAC := 被控量系

15、數(shù)LMN_OFF := 被控量偏移量I_ITLVAL:= 積分分量初始值DISV := 干擾變量LMN := 被控量LMN_PER := 被控量外設(shè) QLMN_HLM:= 被控量上限值到達(dá) QLMN_LLM:= 被控量下限值到達(dá) LMN_P := 比例分量LMN_I := 積分分量LMN_D := 微分分量PV := 過程變量ER := 誤差信號3.5在PLC中的PID控制的編程第四章 水箱設(shè)計4.1 水箱的選擇H=600mm,d=300mm材料：有機(jī)玻璃總要求：液位高500mm選用液位傳感器或變送器，24V DC供電, 線制接法，電流420mA或電壓15V輸出，精度達(dá)0.5%水箱必須比要求稍

16、微高點，直徑節(jié)約材料，選擇直徑300mm ，有機(jī)玻璃。4.2 貯水槽的選擇a=600mm,b=600mm,c=300mmt 料：有機(jī)玻璃。 必須比需要的水的總體積多， V=0.108(m 3)。4.3 水泵選擇選擇三相水泵，與變頻器相配組成調(diào)速水泵成為液位、壓力、流量三種調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通過調(diào)速水泵去調(diào)節(jié)單容容器進(jìn)水管內(nèi)的水流量，使這三個被調(diào) 參數(shù)達(dá)到給定值。第五章 變頻器的選擇5.2 變頻器的選擇5.2.1 變頻器的基本結(jié)構(gòu)變頻器是把工頻電源 （50Hz 或 60Hz） 變換成各種頻率的交流電源， 以實現(xiàn)電機(jī)的 變速運行的設(shè)備，其中控制電路完成對主電路的控制，整流電路將交流電變換成直

17、流電，直流中間電路對整流電路的輸出進(jìn)行平滑濾波，逆變電路將直流電再逆變成 交流電。對于如矢量控制變頻器這種需要大量運算的變頻器來說，有時還需要一個 進(jìn)行轉(zhuǎn)矩計算的 CPU 以及一些相應(yīng)的電路。5.2.2 變頻器的原理 變頻器是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控 制裝置。我們現(xiàn)在使用的變頻器主要采用交直交方式（ VVVF 變頻或矢量控制 變頻），先把工頻交流電源通過整流器轉(zhuǎn)換成直流電源， 然后再把直流電源轉(zhuǎn)換成頻 率、電壓均可控制的交流電源以供給電動機(jī)。變頻器的電路一般由整流、中間直流 環(huán)節(jié)、逆變和控制 4 個部分組成。整流部分為三相橋式不可控整流器，逆變部分為 IGB

18、T 三相橋式逆變器， 且輸出為 PWM 波形， 中間直流環(huán)節(jié)為濾波、 直流儲能和緩 沖無功功率。5.2.3 變頻器選擇交流變頻器、直流變頻器、西門子 MM420 是用于控制三相交流電動機(jī)速度的變頻器系列。 該系列有多種型號。YL-335B 選用的 MM4290 ，該變頻器額定參數(shù)為：電源電壓： 380V480V ，三相交流額定輸出功率：o75KW額定輸入電流：2 4A額定輸出電流：2 1A 外形尺寸： A 型 操作面板：基本操作板（ BOP ）MM420變頻器外部接線引腳I(Xi變頻器方框圖細(xì)抽磺jfc顒師片 i山應(yīng)爐AllbAlll-EOP拯隹板申甲亠堪儀蟹k 細(xì)入豈,：cv卜o運-Li 5

19、 EE1邛UL2；】* , 1 I1.L2.L31C仆_I1i 12、c /T譏A L：1/ *11 M1貼牡1IDCJCX第六章 電源的選擇6.1 直流電源的選擇6.1.1 直流電源的原理直流穩(wěn)壓電源是常用的電子設(shè)備， 它能保證在電網(wǎng)電壓波動或負(fù)載發(fā)生變化時， 輸出穩(wěn)定的電壓。一個低紋波、高精度的穩(wěn)壓源在儀器儀表、工業(yè)控制及測量領(lǐng)域 中有著重要的實際應(yīng)用價值。本設(shè)計給出的穩(wěn)壓電源的輸出電壓范圍為018 V,額定工作電流為0.5 A，并具有+、-步進(jìn)電壓調(diào)節(jié)功能，其最小步進(jìn)為0.05 V ,紋波不大于10 mV，此外，還可用LCD液晶顯示器顯示其輸出電壓值。系統(tǒng)硬件設(shè)計本系統(tǒng)由電源模塊、調(diào)壓模

20、塊、 DA 轉(zhuǎn)換模塊、顯示與鍵盤模塊組成，圖 1 所 示是該直流數(shù)控穩(wěn)壓電源的結(jié)構(gòu)原理框圖。系統(tǒng)電源模塊 220 V市電經(jīng)220 V/ 17.5V變壓器降壓后得到的雙 17.5 V交流電壓，經(jīng)過一個全橋整流后可得到土 21 V兩路 電壓，其中一路 +21 V 電壓供給調(diào)整管，作為電源對外輸出，另一路經(jīng)三端穩(wěn)壓器 7815得到+15 V，再經(jīng)過 7805得到+5 V的電壓。-21 V的電壓則經(jīng)三端穩(wěn)壓器 MC7915 得到 -15 V 電壓，以作為系統(tǒng)本身的工作電源。6.1.2 考慮的問題選擇電源的基本依據(jù)電壓和電流范圍，這是兩個最容易確定的指標(biāo)，只要根據(jù) 電路的功耗計算出即可。不過若僅用單一的直流電壓給UUT 供電時，應(yīng)考慮測試UUT 的高、低供電電壓極值。大多數(shù)固定電源允許輸出電壓10的范圍內(nèi)變化，如果這還不能滿足電路要求，可選用輸出可調(diào)的或允許更大變化范圍的電源。如果 用該電源給組合式裝置供電，則裝置所需最大的電流的75到 90由一個電源提供，不夠部分可并接兩個或更多電源。為半固定檢測試驗臺供電的電源，必須具有 檢測試驗臺所需電流的至少 125的容量。6.1.3 工作模式幾乎所有的直流電源都工作在恒壓源模式，也就是說在整個電流變化范圍內(nèi)輸 出電壓可保持不變。 也有一批電源還可以在