基于PLC的液體溷合控制本科畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、摘要本文以?xún)煞N液體的混合罐裝控制為例，將兩種液體按一定比例混合，在電動(dòng)機(jī)攪拌后要達(dá)到一定的溫度才能將混合的液體輸出容器。并形成循環(huán)狀態(tài)。液體混合系統(tǒng)的控制設(shè)計(jì)考慮到其動(dòng)作的連續(xù)性以及各個(gè)被控設(shè)別動(dòng)作之間的相互關(guān)聯(lián)性，針對(duì)不同的工作狀態(tài)，進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作控制輸出，從而實(shí)現(xiàn)液體混合系統(tǒng)從第一種液體加入到混合完成輸出的這樣一個(gè)周期控制工作的程序?qū)崿F(xiàn)。設(shè)計(jì)以液體混合控制系統(tǒng)為中心，從控制系統(tǒng)的硬件組成、軟件選用到系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程(包括設(shè)計(jì)方案、設(shè)計(jì)要求、梯形圖設(shè)計(jì)、外部鏈接通訊等)，PLC的產(chǎn)生和定義、過(guò)程控制的發(fā)展， FX2N系列可編程控制器的硬件掌握，PID參數(shù)的整定及各個(gè)參數(shù)的控制性能的比較，整個(gè)系

2、統(tǒng)各個(gè)部分介紹和講解PLC的過(guò)程控制指令PID指令來(lái)精確控制各項(xiàng)參數(shù)，旨在對(duì)其中的設(shè)計(jì)和制作過(guò)程做簡(jiǎn)單的介紹和說(shuō)明。關(guān)鍵詞：液體混合系統(tǒng) 周期控制 梯形圖 FX2N系列PLC PID參數(shù) PID指令A(yù)bstractThe request is to a certain proportion by the three liquid mixture,stirring after the motor to reach a certain temperature can be mixed containers of liquids output,and form a cycle.Liquid hybr

3、id systems of control designed taking into account the continuity of its action and charged with various equipment moves between the interrelated,and for different working conditions,and make the appropriate motor control output,thus realizing the liquid hybrid systems from the first liquid added to

4、 the mixture to complete the output of such a cycle control of the program.Designed to liquid mixed as the central control system,control system from the hardware components,software system to choose the design process (including design,design process,design requirements,the ladder design,external c

5、ommunications link,etc.),PLC creation and definition, process control development, FX2N series PLC hardware control, PID tuning parameters and various parameters of the control performance comparison,the entire system, introduce and explain the various parts of the PLC process control commands PID i

6、nstruction to control the parameters precisely.Which seeks to the design and production process of doing brief introduction and description.Keywords：.Liquid hybrid systems cycle control ladder design FX2N series PLC PID parameters PID instruction目錄摘要- 1 -ABSTRACT- 1 -緒論- 4 -元件介紹及硬件電路設(shè)計(jì)- 12 -3.1 三菱PL

7、C控制系統(tǒng)- 12 -3.1.1 CPU模塊- 13 -3.1.2 I/O模塊- 13 -3.1.3電源模塊- 14 -3.4 電磁流量計(jì)- 16 -3.5模擬量輸入輸出模塊- 17 -4.1 軟件設(shè)計(jì)思想- 20 -4.2 PID調(diào)節(jié)的各個(gè)環(huán)節(jié)及其調(diào)節(jié)過(guò)程 - 22 -4.2.1比例控制及其調(diào)節(jié)過(guò)程- 23 -4.2.2比例積分調(diào)節(jié)- 23 -4.2.3比例積分微分調(diào)節(jié)- 23 -4.3 三菱FX2系列PLC中PID指令的使用- 24 -4.4 在PLC中的PID控制的編程- 25 -4.4.1回路的輸入輸出變量的轉(zhuǎn)換和標(biāo)準(zhǔn)化- 25 -4.5變量的范圍- 27 -5.1 硬件調(diào)試

8、方法- 28 -5.1.1 常見(jiàn)的硬件故障- 28 -5.1.2系統(tǒng)常見(jiàn)故障分析及維護(hù)- 29 -結(jié)論- 31 -參考文獻(xiàn)- 32 -第一章 緒論1.1 課題的背景與意義1968年，美國(guó)最大的汽車(chē)制造商通用汽車(chē)（GM）公司提出了公開(kāi)招標(biāo)方案，設(shè)想將功能完備靈活通用的計(jì)算機(jī)技術(shù)與繼電器便于使用的特點(diǎn)相結(jié)合，把計(jì)算機(jī)的編程方法和程序輸入方式加以簡(jiǎn)化，用面向過(guò)程、面向問(wèn)題的“自然語(yǔ)言”編程，生產(chǎn)一種新型的工業(yè)通用控制器，使人們不必花費(fèi)大量的經(jīng)歷進(jìn)行計(jì)算機(jī)編程，也能像繼電器那樣方便的使用。這個(gè)方案首先得到了美國(guó)數(shù)字設(shè)備(DEC)公司的積極相應(yīng)，并中標(biāo)。該公司于1969年研制出了第一臺(tái)符合招標(biāo)要求的工業(yè)

9、控制器，命名為可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller），簡(jiǎn)稱(chēng)PLC（有的稱(chēng)為PC），并在GM公司的汽車(chē)自動(dòng)裝配線(xiàn)上試驗(yàn)獲得了成功。這種新型的智能化工業(yè)控制裝置很快在美國(guó)其他工業(yè)控制領(lǐng)域推廣應(yīng)用，至1971年，已成功地將PLC用于食品、飲料、冶金、造紙等行業(yè)。1.2 課題的應(yīng)用與展望PLC是一種以微處理器為基礎(chǔ)，綜合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、通信技術(shù)和傳統(tǒng)的繼電器控制技術(shù)而發(fā)展起來(lái)的新型工業(yè)控制裝置，一經(jīng)出現(xiàn)，由于他的自動(dòng)化程度高、可靠性好、設(shè)計(jì)周期短、使用和維護(hù)簡(jiǎn)便等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，備受?chē)?guó)內(nèi)外工程技術(shù)人員和工業(yè)界廠商的吉大關(guān)注，生產(chǎn)PLC的廠家云起。隨著大規(guī)模

10、集成電路和微處理器在PLC中的應(yīng)用，使PLC的功能不斷得到增強(qiáng)，產(chǎn)品得到飛速發(fā)展。近年來(lái)在工業(yè)生產(chǎn)的許多領(lǐng)域，如冶金、機(jī)械、電力、石油、煤炭、化工、輕紡、交通、食品、環(huán)保、輕工、建材等工業(yè)部門(mén)得到了廣泛的應(yīng)用，已經(jīng)成為工業(yè)自動(dòng)化的三大支柱之一。為了提高生產(chǎn)質(zhì)量，縮短生產(chǎn)周期，適應(yīng)產(chǎn)品迅速更新?lián)Q代的要求，場(chǎng)頻生產(chǎn)正在哦想縮短生產(chǎn)周期、降低成本、提高生產(chǎn)質(zhì)量等方向發(fā)展。在煉油化工制藥等行業(yè)中多種液體混合是必不可少的工序，而且也是其生產(chǎn)過(guò)程中十分重要的組成部分。但由于這些行業(yè)中多為易燃易爆、有毒有腐蝕性的介質(zhì)，一直現(xiàn)場(chǎng)工作環(huán)境十分惡劣，不適合人工現(xiàn)場(chǎng)操作。另外，生產(chǎn)要求該系統(tǒng)要具有配料精確、控制可靠

11、等特點(diǎn)，這也是人工操作和半自動(dòng)化控制所難以實(shí)現(xiàn)的。所以為了幫助相關(guān)行業(yè)，特別是其中的中小型企業(yè)實(shí)現(xiàn)多種液體混合的自動(dòng)控制，從而達(dá)到液體混合的目的，液體混合自動(dòng)配料勢(shì)必就是擺在我們眼前的一大課題。借助實(shí)驗(yàn)室設(shè)備熟悉工業(yè)生產(chǎn)中PLC的應(yīng)用、了解不同公司的可編程序控制器的型號(hào)和原理，熟悉其編程方式，而多種液體混合裝置的控制更常見(jiàn)于生產(chǎn)中，適合大中型飲料生產(chǎn)廠家，尤其見(jiàn)于化工業(yè)中，便于學(xué)以致用。1.3 課題舉例簡(jiǎn)介 采用基于PLC的控制系統(tǒng)來(lái)取代原來(lái)由單片機(jī)、繼電器等構(gòu)成的控制系統(tǒng)，采用模塊化結(jié)構(gòu)，具有良好的可移植性和可維護(hù)性。度提高企業(yè)生產(chǎn)和管理自動(dòng)水平有很大的幫助，同時(shí)又提高了生產(chǎn)線(xiàn)的效率、使用壽

12、命和質(zhì)量，減少了企業(yè)場(chǎng)頻質(zhì)量的波動(dòng)，因此具有廣闊的市場(chǎng)前景。用PLC進(jìn)行開(kāi)關(guān)量控制的實(shí)例很多，在冶金機(jī)械紡織輕化工鐵路等行業(yè)幾乎都需要到它，如燈光照明，機(jī)床電控食品加工印刷機(jī)械電梯自動(dòng)化倉(cāng)庫(kù)液體混合自動(dòng)配料系統(tǒng)，生產(chǎn)流水線(xiàn)等方面的邏輯控制，都廣泛應(yīng)用PLC來(lái)取代產(chǎn)同的繼電器控制。本次設(shè)計(jì)是將PLC用于多種液體混合灌裝設(shè)置的控制，對(duì)學(xué)校與使用是很好的接結(jié)合。本設(shè)計(jì)的主要研究范圍及要求達(dá)到的技術(shù)參數(shù)有（1）是液體灌裝機(jī)能夠時(shí)限安全、高效的灌裝；（2）滿(mǎn)足灌裝的各項(xiàng)技術(shù)要求；（3）具體內(nèi)容包括多種控制方案的設(shè)計(jì)、軟硬件電路的設(shè)計(jì)、常見(jiàn)故障的分析等等。恩課題應(yīng)解決得主要問(wèn)題是如何使PLC在液體混合過(guò)程

13、中實(shí)現(xiàn)控制功能，在相關(guān)的研究文獻(xiàn)報(bào)道中用PLC對(duì)灌裝機(jī)進(jìn)行控制的研究上不多見(jiàn)，以致人們難以根據(jù)它的具體情況、正確的選用參數(shù)進(jìn)行那個(gè)系統(tǒng)控制、也就是難以滿(mǎn)足提高質(zhì)量和效率、降低成本的要求，本設(shè)計(jì)就是基于以上我能提進(jìn)行的一些探索。整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程是按思想工藝流程設(shè)計(jì)，為設(shè)備安裝、運(yùn)行和保護(hù)檢修服務(wù)。設(shè)計(jì)的編寫(xiě)按照國(guó)家關(guān)于電氣自動(dòng)化工程設(shè)計(jì)中的電氣設(shè)備常用基本圖形符號(hào)（GB4728）及其他相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范編寫(xiě)。設(shè)計(jì)原則主要包括：工作條件；工程隊(duì)電氣控制線(xiàn)路提供的具體資料。系統(tǒng)在保證安全、可靠、穩(wěn)定、快速的前提下，盡量做到經(jīng)濟(jì)合理合用，減小設(shè)備成本。方案的選擇、元器件的選型時(shí)更多的考慮新技術(shù)、新產(chǎn)品?？刂朴?/p>

14、人工控制到自控控制，由模擬控制到微機(jī)控制，使功能的實(shí)現(xiàn)由一到多而且更加趨于完善。對(duì)于本課題來(lái)說(shuō)，如果液體混合系統(tǒng)部分是一個(gè)較大規(guī)模工業(yè)控制系統(tǒng)的改造升級(jí)，新控制裝置需要根據(jù)企業(yè)設(shè)備和工藝現(xiàn)況來(lái)構(gòu)成并需盡可能的利用舊系統(tǒng)中的元器件。對(duì)于人機(jī)交互方式改造后系統(tǒng)的操作模式應(yīng)盡量和改造前的相類(lèi)似，以便于操作人員迅速掌握。從企業(yè)的改造要求可以看出在新的控制系統(tǒng)中既需要處理模擬量也需要處理大量的開(kāi)關(guān)量，系統(tǒng)的可靠性要高，人機(jī)交互界面友好，應(yīng)具備數(shù)據(jù)儲(chǔ)存和分析匯總的能力。第2章 設(shè)計(jì)方案與論證2.1總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 總體設(shè)計(jì)分析本設(shè)計(jì)的液體混合裝置主要完成兩種液體的自動(dòng)按比例定量混合攪拌并控制溫度對(duì)其加熱，此裝

15、置所需要的控制的元件有：其中L是超聲波液面?zhèn)鞲衅?，隨液位高度而線(xiàn)性變化。DA和DB分別為控制A液和B液流速的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，M為攪拌電機(jī)，T為PT-100溫度傳感器探頭，H為加熱器，另外還有控制電動(dòng)機(jī)的一個(gè)交流接觸器,用作顯示溫度和液位高度的數(shù)碼管顯示器。A液B液電動(dòng)調(diào)節(jié)閥DA、DB溫度傳感器T攪拌器M加熱器HM混合液體排除電磁閥Y1液體混合自動(dòng)控制裝置系統(tǒng)圖 系統(tǒng)操作流程(1) 初始狀態(tài)初始狀態(tài)容器是空的，各個(gè)閥門(mén)均關(guān)閉狀態(tài)，具體是電磁閥Y1為關(guān)閉狀態(tài)，電動(dòng)調(diào)節(jié)閥DA、DB開(kāi)度為零，加熱器H為停止加熱狀態(tài)，溫度傳感器T和液位傳感器L隨啟動(dòng)按鈕開(kāi)始檢測(cè)當(dāng)前溫度值，攪拌器電機(jī)M為停止工作狀態(tài)。(2)

16、 啟動(dòng)操作按下啟動(dòng)按鈕S1，開(kāi)始下列操作：溫度傳感器T、液位傳感器L和流量傳感器S開(kāi)始檢測(cè)當(dāng)前罐內(nèi)溫度、液位和管道內(nèi)的液體流量，將數(shù)據(jù)分別送至輸入模塊和模塊，并在各自二次儀表的顯示屏上顯示出來(lái)；DA的開(kāi)度開(kāi)始隨模塊的輸出變化而變化；待液位將到達(dá)指定位置，如10cm時(shí)，DA開(kāi)度漸為零，DB的開(kāi)度在DA開(kāi)度為零后一段時(shí)間后，開(kāi)始隨輸出模塊的輸出變化而變化，由零逐漸變大，控制過(guò)程同DA開(kāi)度的控制，至指定位置20cm止；然后攪拌器M開(kāi)始攪拌且加熱器H開(kāi)始加熱，根據(jù)溫度顯示至工藝要求溫度后，停止加熱和攪拌；電磁閥Y1打開(kāi)釋放符合混合要求的液體，隨著液位的降低至規(guī)定位置，停止Y1，由模塊輸出控制DA和DB

17、的開(kāi)度，繼續(xù)以上過(guò)程。（3） 停止操作按下停止鍵S2，無(wú)論處于什么狀態(tài)系統(tǒng)均停止所有動(dòng)作。在整個(gè)混合過(guò)程中，系統(tǒng)實(shí)時(shí)顯示容器內(nèi)液位高度（單位cm），混合液體溫度（單位）以及管道內(nèi)A、B液體的流量（單位m/s）。22 具體設(shè)計(jì)考慮 主控制器選擇就目前的現(xiàn)狀有以下幾種控制方式滿(mǎn)足系統(tǒng)的要求：繼電器控制系統(tǒng)、單片機(jī)控制、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、可編程序控制器控制。（1） 繼電器控制系統(tǒng)控制功能是用硬件繼電器實(shí)現(xiàn)的。繼電器串接在控制電路中的電壓、電流、轉(zhuǎn)速、時(shí)間及溫度等參量變化而動(dòng)作，以實(shí)現(xiàn)電力拖動(dòng)裝置的自動(dòng)控制及保護(hù)。系統(tǒng)復(fù)雜，在控制過(guò)程中，如果某個(gè)繼電器損壞，都會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行，查找和排除故障往往

18、非常困難，雖然繼電器本省價(jià)格不太貴，但是控制柜的安裝接線(xiàn)工作量大，因此整個(gè)控制柜價(jià)格非常高，靈活性差，響應(yīng)速度慢。（2） 單片機(jī)控制單片機(jī)作為一個(gè)超大規(guī)模的集成電路，結(jié)構(gòu)上包括CPU、存儲(chǔ)器、定時(shí)器和多種輸入輸出接口電路。其低功耗、低電壓和很強(qiáng)的控制功能，成為工控領(lǐng)域、尖端武器、日常生活中最廣泛的計(jì)算機(jī)之一。但是，單片機(jī)是一片集成電路，不能直接將它與外部I/O信號(hào)相連。要將它用于工業(yè)控制還要附加一些配套的集成電路和I/O接口電路，硬件設(shè)計(jì)、制作和程序設(shè)計(jì)的工作量相當(dāng)大。（3） 工業(yè)控制計(jì)算機(jī)控制工控機(jī)采用總線(xiàn)結(jié)構(gòu)，各廠家產(chǎn)品兼容性強(qiáng)，有實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的支持，在要求快速、使用性強(qiáng)、功能復(fù)雜的領(lǐng)域中

19、占優(yōu)勢(shì)。但工控機(jī)價(jià)格較高，將它用于開(kāi)關(guān)量控制有些大材小用。且其外部I/O接線(xiàn)一般都用于多芯扁平電纜和插頭、插座、直接從印刷電路板上引出，不如接線(xiàn)端子可靠。（4） 可編程序控制器控制可編程序控制器配備各種硬件裝置供用戶(hù)選擇，用戶(hù)不用自己設(shè)計(jì)和制作硬件裝置，只須確定可編程序控制器硬件配置和設(shè)計(jì)外部接線(xiàn)圖，同時(shí)采用梯形圖語(yǔ)言編程，用軟件取代繼電器電器系統(tǒng)中的觸電和接線(xiàn)，通過(guò)修改程序適應(yīng)工藝條件的變化?？删幊炭刂破鳎≒LC）從上個(gè)世紀(jì)70年代發(fā)展起來(lái)的一種新型工業(yè)控制系統(tǒng)，起初它主要是針對(duì)開(kāi)關(guān)量進(jìn)行邏輯控制的一種裝置，可以取代中間繼電器、時(shí)間繼電器等構(gòu)成開(kāi)關(guān)量控制系統(tǒng)。隨著30多難來(lái)微電子技術(shù)的不斷發(fā)

20、展，PLC也通過(guò)不斷的升級(jí)換代大大增強(qiáng)了其功能。現(xiàn)在PLC已經(jīng)發(fā)展成為不但具有邏輯控制功能，還具有過(guò)程控制功能、運(yùn)動(dòng)控制功能和數(shù)據(jù)處理功能、連網(wǎng)通訊功能等多種性能，是名副其實(shí)的多功能控制器。由PLC為主構(gòu)成的控制系統(tǒng)具有可靠性高、控制功能強(qiáng)大、性?xún)r(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，是目前工業(yè)自動(dòng)化的首選控制裝置。在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，有很多連續(xù)變化的量，如溫度、壓力、流量、液體和速度等都是模擬量。為了使PLC處理模擬量，必須實(shí)現(xiàn)模擬量（Analog）和數(shù)字量（Digital）之間的A/D和D/A轉(zhuǎn)換。PLC制造廠商都有配套的A/D和D/A模塊，使PLC可以很方便地用于模擬量控制。綜上考慮，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用FX2N系列功能

21、增強(qiáng)型PLC，配合用于模擬量輸入和輸出處理模塊，完成系統(tǒng)的各項(xiàng)要求。具體參數(shù)性能詳見(jiàn)硬件電路設(shè)計(jì)。 溫度傳感器的選擇溫度傳感器主要用在液體經(jīng)混合后的加熱的控制階段，現(xiàn)場(chǎng)工藝對(duì)價(jià)熱的要求為100攝氏度以?xún)?nèi)，且考慮到主控制器為PLC，溫度檢測(cè)從以下范圍中選擇。（1） 集成溫度模塊（ds18b20） Dallas 半導(dǎo)體公司的數(shù)字化溫度傳感器DS1820是世界上第一片支持 “一線(xiàn)總線(xiàn)”接口的溫度傳感器。一線(xiàn)總線(xiàn)獨(dú)特而且經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)，使用戶(hù)可輕松地組建傳感器網(wǎng)絡(luò)，為測(cè)量系統(tǒng)的構(gòu)建引入全新概念。DS18B20可以程序設(shè)定912位的分辨率，精度為±0.5°C?？蛇x更小的封裝方式，更寬的電

22、壓適用范圍。分辨率設(shè)定，及用戶(hù)設(shè)定的報(bào)警溫度存儲(chǔ)在EEPROM中，掉電后依然保存。但是作為液體測(cè)量的特殊對(duì)象，這種傳感器不適合使用。（2） 熱電偶熱電偶也是一種感溫元件，屬于一次儀表。它直接測(cè)量溫度，并把溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成熱電動(dòng)勢(shì)信號(hào), 在通過(guò)電氣儀表轉(zhuǎn)換成被測(cè)介質(zhì)的溫度，或由A/D轉(zhuǎn)換電路變?yōu)閿?shù)字信號(hào)交由數(shù)字控制器做后續(xù)處理。其中的型（鎳鉻鎳硅）熱電偶，其可測(cè)量1312以?xún)?nèi)的溫度，且其線(xiàn)性度較好，而且價(jià)格也便宜。但是熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)值小，補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)誤差大，且價(jià)格高昂。 (3)熱電阻熱電阻是中低溫區(qū)最常用的一種溫度檢測(cè)器。它的主要特點(diǎn)是測(cè)量精度高，性能穩(wěn)定。其中鉑熱電阻的測(cè)量精確度是最高的，它不僅廣

23、泛應(yīng)用于工業(yè)測(cè)溫，而且被制成標(biāo)準(zhǔn)的基準(zhǔn)儀。液體混合工藝溫度一般都希望控制在35100范圍內(nèi)，而Pt-100的測(cè)溫范圍為-200850，完全足夠。鉑熱電阻的線(xiàn)性較好，在0100之間變化時(shí)，最大非線(xiàn)性偏差小于0.5攝氏度，所以綜合考慮各方方面后Pt-100是最合適的。所以本系統(tǒng)采用了三線(xiàn)的鉑電阻PT-100做溫度檢測(cè)部件，具體參數(shù)性能詳見(jiàn)硬件電路設(shè)計(jì)。 液位傳感器的選擇液位的測(cè)量幾乎遍及生產(chǎn)與生活的各個(gè)領(lǐng)域，尤其在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程領(lǐng)域。隨著科學(xué)技術(shù)與生產(chǎn)的迅速發(fā)展，液位自動(dòng)檢測(cè)領(lǐng)域出現(xiàn)了種類(lèi)多樣的測(cè)量手段，并且其功能越來(lái)越完善，各項(xiàng)性能指標(biāo)越來(lái)越適用工業(yè)生產(chǎn)的要求。本次設(shè)計(jì)中的液體測(cè)量要求精度高，還需

24、很好地適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的特殊環(huán)境，具有在惡劣環(huán)境下持續(xù)傳感的能力，對(duì)液位測(cè)量提出了精確、實(shí)時(shí)、在線(xiàn)的要求。（1）傳統(tǒng)壓力傳感器采用壓力傳感器檢測(cè)液體液位高度十分方便且比較常用，其原理是根據(jù)靜壓力計(jì)算公式：P=dH。式中P為靜壓力（單位可用水柱高度m、Pa、 kgf/cm2 等表示）；d為液體密度（單位：kg/m3）；H為液柱高度（單位：m）。當(dāng)已知需要檢測(cè)的液位高度范圍H和液體密度d，即可換算出壓力值。缺點(diǎn)一是有零漂，穩(wěn)定性上稍微差些且難以補(bǔ)償；二是由于此次測(cè)試液體高度分為單一液體檢測(cè)和混合液體檢測(cè)，故在混合前后容器中液體密度會(huì)發(fā)生較大的變化，而且不易實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償。（2）投入式液位傳感器投入式液位傳感

25、器是一種測(cè)量液位的壓力傳感器投入式液位傳感器是基于所測(cè)液體靜壓與該液體的高度成比例的原理，采用國(guó)外先進(jìn)的隔離型擴(kuò)散硅敏感元件或陶瓷電容壓力敏感傳感器，將靜壓轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再經(jīng)過(guò)溫度補(bǔ)償和線(xiàn)性修正，轉(zhuǎn)化成標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)（一般為420mA）。投入式液位傳感器適用于石油化工、冶金、電力、制藥、供排水、環(huán)保等系統(tǒng)和行業(yè)的各種介質(zhì)的液位測(cè)量。精巧的結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)單的調(diào)校和靈活的安裝方式為用戶(hù)的使用提供了方便。420mA、 05V、 010mA等標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出方式可以根據(jù)需要任選，可以和FX2N-2AD模擬量輸入模塊很好的結(jié)合為前向通道。但是由于此次測(cè)試液體高度分為單一液體檢測(cè)和混合液體檢測(cè)，故在混合前后容器中液體密

26、度會(huì)發(fā)生較大的變化，而且不易實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償。（3）光纖液位傳感器光纖液位檢測(cè)是近年來(lái)出現(xiàn)的一種新技術(shù)，目前國(guó)內(nèi)外已有不少產(chǎn)品問(wèn)世。就目前國(guó)內(nèi)外已公開(kāi)的這類(lèi)液體檢測(cè)傳感器來(lái)看，其所采用的具體方法各不相同，但就其檢測(cè)原理而言，檢測(cè)機(jī)構(gòu)中一般由輸入光纖束、輸出光纖束、光電轉(zhuǎn)換器、傳感器殼體組成，根據(jù)光導(dǎo)纖維中光在不同介質(zhì)中傳輸特性的改變對(duì)液位進(jìn)行測(cè)量。該種測(cè)試方法安全防爆、準(zhǔn)確度高、可遠(yuǎn)距離傳輸、抗電磁干擾；體積小、重量輕、無(wú)動(dòng)作部件；大多可適用于任何液體液位高度的檢測(cè)與控制，特別適用于易燃、易爆、腐蝕性液體的檢測(cè)；檢測(cè)精度高，在靜態(tài)下檢測(cè)精度可達(dá)1 mm。缺點(diǎn)：有很多機(jī)械傳動(dòng)部件，故障率會(huì)增加，安裝也復(fù)

27、雜；由于其接觸的測(cè)量方式、發(fā)展未成熟和較高的安裝、維護(hù)要求導(dǎo)致市場(chǎng)普及不廣。（4）超聲波液位測(cè)量超聲波測(cè)量液位的方法很多，應(yīng)用比較廣泛的是脈沖回波法。這種方法是從聲波源發(fā)射聲波，測(cè)量聲波到達(dá)所測(cè)液面后反射回來(lái)所需時(shí)間，利用該時(shí)間與液位高度成比例的原理來(lái)進(jìn)行測(cè)量。通過(guò)不斷檢測(cè)超聲波發(fā)射后遇到障礙物所反射的回波，從而測(cè)出發(fā)射和接收回波的時(shí)間，再根據(jù)介質(zhì)中超聲波的傳播速度和換能器的安裝高度，就可計(jì)算出液位的高度。優(yōu)點(diǎn)：可實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量超聲波傳感器安裝于料倉(cāng)、液罐上方，不直接接觸物料，克服了其它型號(hào)液（物）位計(jì)直接接觸物料和由此而帶來(lái)的弊端；可用于腐蝕性液體、高粘性液體、有毒性液體等液位的測(cè)量；響應(yīng)時(shí)

28、間短，可以方便地實(shí)現(xiàn)無(wú)滯后的實(shí)時(shí)測(cè)量；安裝、維護(hù)較方便。SHHO超聲波液位測(cè)量原理綜上考慮，本系統(tǒng)采用使用廣泛且簡(jiǎn)單的超聲波液位儀來(lái)完成該設(shè)計(jì)中液體檢測(cè)工作，具體原理和參數(shù)詳見(jiàn)元件簡(jiǎn)介部分。 液體流量傳感器流量傳感器在該設(shè)計(jì)中應(yīng)用在檢測(cè)液體的流量，通過(guò)流量的檢測(cè)值來(lái)計(jì)算所需液體的體積，通過(guò)程序中的積分運(yùn)算來(lái)控制液體電動(dòng)閥的開(kāi)度。在現(xiàn)代生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化中，流量是重要參數(shù)之一。為了有效地進(jìn)行生產(chǎn)操作、監(jiān)視和自動(dòng)控制，需要對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中各種介質(zhì)的流量進(jìn)行檢測(cè)和變送，以便為生產(chǎn)操作和控制提供依據(jù)。生產(chǎn)過(guò)程中無(wú)聊總量的計(jì)量還是經(jīng)濟(jì)核算和能源管理的重要依據(jù)。因此，流量監(jiān)測(cè)及變送是發(fā)展生產(chǎn)、節(jié)約能源、改進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)

29、量，提高經(jīng)濟(jì)效益和管理水平的重要工具，是工業(yè)自動(dòng)化儀表與裝置中的重要儀表之一。流量測(cè)量?jī)x表也陳流量計(jì)。它通常由一次儀表和二次儀表組成。一次儀表亦稱(chēng)為傳感器，二次儀表稱(chēng)為現(xiàn)實(shí)裝置或變送器。(1) 差壓式流量計(jì)充滿(mǎn)管道的流體，當(dāng)它流經(jīng)管道內(nèi)的節(jié)流件時(shí)，流速將在節(jié)流件處形成局部收縮，因而流速增加，靜壓力降低，于是在節(jié)流件前后便產(chǎn)生了壓差。流體流量愈大，產(chǎn)生的壓差愈大，這樣可依據(jù)壓差來(lái)衡量流量的大小。這種測(cè)量方法是以流動(dòng)連續(xù)性方程（質(zhì)量守恒定律）和伯努利方程（能量守恒定律）為基礎(chǔ)的。壓差的大小不僅與流量還與其他許多因素有關(guān)，例如當(dāng)節(jié)流裝置形式或管道內(nèi)流體的物理性質(zhì)（密度、粘度）不同時(shí)，在同樣大小的流量

30、下產(chǎn)生的壓差也是不同的.通過(guò)測(cè)量差壓制便可求得流體流量，并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出，例如DC420mA統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。因此，差壓式由產(chǎn)生差壓的裝置和差壓計(jì)兩部分組成，即一次裝置（檢測(cè)件）和二次裝置（差壓轉(zhuǎn)換和流量顯示儀表）組成。通常以檢測(cè)件形式對(duì)差壓式流量計(jì)分類(lèi),如孔板流量計(jì)、文丘里流量計(jì)、均速管流量計(jì)等。其結(jié)構(gòu)及拿單可靠，應(yīng)用最多的孔板式流量計(jì)結(jié)構(gòu)牢固,性能穩(wěn)定可靠,使用壽命長(zhǎng)。缺點(diǎn)是測(cè)量精度普遍偏低；范圍度窄,一般僅3:14:1；現(xiàn)場(chǎng)安裝條件要求高；壓損大（指孔板、噴嘴等）。（2）浮子流量計(jì)浮子流量計(jì)是以浮子在垂直錐形管中隨著流量變化而升降，改變它們之間的流通面積來(lái)進(jìn)行測(cè)量的體積流量?jī)x表，又稱(chēng)轉(zhuǎn)子流

31、量計(jì)。在美國(guó)、日本常稱(chēng)作變面積流量計(jì)（Variable Area Flowmeter）或面積流量計(jì)。浮子流量計(jì)的流量檢測(cè)元件是由一根自下向上擴(kuò)大的垂直錐形管和一個(gè)沿著錐管軸上下移動(dòng)的浮子組所組成。被測(cè)流體從下向上經(jīng)過(guò)錐管和浮子形成的環(huán)隙時(shí)，浮子上下端產(chǎn)生差壓形成浮子上升的力，當(dāng)浮子所受上升力大于浸在流體中浮子重量時(shí)，浮子便上升，環(huán)隙面積隨之增大，環(huán)隙處流體流速立即下降，浮子上下端差壓降低，作用于浮子的上升力亦隨著減少，直到上升力等于浸在流體中浮子重量時(shí)，浮子便穩(wěn)定在某一高度。浮子在錐管中高度和通過(guò)的流量有對(duì)應(yīng)關(guān)系。優(yōu)點(diǎn)是浮子流量計(jì)有較寬的流量范圍度，一般為10：1，最低為5：1，最高為25：1

32、。流量檢測(cè)元件的輸出接近于線(xiàn)性。壓力損失較低。缺點(diǎn)是大部分結(jié)構(gòu)浮子流量計(jì)只能用于自下向上垂直流的管道安裝，不能完全適應(yīng)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的工藝需要；當(dāng)使用流體和出廠標(biāo)定流體不同時(shí)，要作流量示值修正。液體用浮子流量計(jì)通常以水標(biāo)定，氣體用空氣標(biāo)定，如實(shí)際使用流體密度、粘度與之不同，流量要偏離原分度值，要作換算修正。(3) 電磁流量計(jì)電磁流量計(jì)的工作原理為法拉第電磁感應(yīng)定律。導(dǎo)電液體在磁場(chǎng)中流動(dòng)切割磁力線(xiàn)，產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)。表達(dá)式為：E=KBLv ，式中，B為磁感應(yīng)強(qiáng)度；L為測(cè)量電極之間的距離；v為被測(cè)流體在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的平均速度；K為比例常數(shù)。電磁流量計(jì)主要由變送器（又稱(chēng)一次裝置、檢出器或傳感器）和轉(zhuǎn)換器（又稱(chēng)二

33、次裝置或變換器）及流量顯示儀表三部分組成。變送器把流過(guò)的被測(cè)液體的流量轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的感應(yīng)電勢(shì)。轉(zhuǎn)換器的作用是把電磁流量變送器輸出的和流量成比例的毫伏級(jí)電壓信號(hào)放大并轉(zhuǎn)換成為可被工業(yè)儀表或控制器接收的標(biāo)準(zhǔn)直流電流、電壓或脈沖信號(hào)輸出，以便與儀表及調(diào)節(jié)器配合，實(shí)現(xiàn)流量的指示、記錄和運(yùn)算。優(yōu)點(diǎn)一是其測(cè)量精度不受流體密度、粘度、溫度、壓力和電導(dǎo)率變化的影響，傳感器感應(yīng)電壓信號(hào)與平均流速呈線(xiàn)性關(guān)系，因此測(cè)量精度高；二是測(cè)量管道內(nèi)無(wú)阻流件，因此沒(méi)有附加的壓力損失；測(cè)量管道內(nèi)無(wú)可動(dòng)部件，因此傳感器壽命極長(zhǎng)；三是由于感應(yīng)電壓信號(hào)是在整個(gè)充滿(mǎn)磁場(chǎng)的空間中形成的，是管道載面上的平均值，因此傳感器所需的直管段較短，長(zhǎng)

34、度為5倍的管道直徑；四是傳感器部分只有內(nèi)襯和電極與被測(cè)液體接觸，只要合理選擇電極和內(nèi)襯材料，即可耐腐蝕和耐磨損。綜上考慮，本次設(shè)計(jì)采用電磁式流量計(jì)來(lái)檢測(cè)呼喝液體的流量，進(jìn)而通過(guò)程序計(jì)算出液體的精確體積，達(dá)到精確控制混合過(guò)程的目的，關(guān)于電磁式流量計(jì)的具體工作原理和液體體積的計(jì)算方法在元件具體選擇處詳述。 前向通道（A/D）后向通道（D/A）選擇由于本次設(shè)計(jì)的主控制器選擇為PLC，而實(shí)現(xiàn)模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換最簡(jiǎn)便的方式莫過(guò)于使用模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊和書(shū)模轉(zhuǎn)換模塊，接線(xiàn)簡(jiǎn)單，便于安裝調(diào)試，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)。模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊分為轉(zhuǎn)換模塊和轉(zhuǎn)換模塊。PLC模擬量處理功能主要他歐冠過(guò)模擬量輸入輸出模塊及用戶(hù)程序來(lái)完成。模

35、擬量輸入模塊接收各種傳感器輸出的標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)或電流信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)存儲(chǔ)到PLC中。PLC根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際要求，通過(guò)用戶(hù)程序?qū)D(zhuǎn)換后的信息進(jìn)行處理結(jié)果通過(guò)模擬量輸出模塊轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)或電流信號(hào)去驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件。第三章 元件介紹及硬件電路設(shè)計(jì)3.1 三菱PLC控制系統(tǒng)FX2系列PLC是三菱電機(jī)公司1991年繼F、F1、F2系列之后推出的產(chǎn)品，是目前運(yùn)行速度最快的小型PLC之一。下面我們以小型FX2系列PLC為例介紹PLC的硬件組成。外存接口其他接口中央處理器CPUROMRAM編輯器CPROMEPROMRAM其他設(shè)備計(jì)算機(jī)A/D D/A輸入接口光電耦合輸出接口繼電器或晶體管圖2.1 PLC的

36、原理圖 CPU模塊 CPU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(lèi)似于人體的神經(jīng)中樞，故稱(chēng)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(chǔ)從編程器輸入的用戶(hù)程序和數(shù)據(jù)。2、用掃描方式接受現(xiàn)場(chǎng)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)和編程過(guò)程中的語(yǔ)法錯(cuò)誤。在PLC進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)后，從存儲(chǔ)器中逐條讀去用戶(hù)程序，按指令規(guī)定的任務(wù)，產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào)，去起閉有關(guān)控制電路。 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(dòng)能力的I/O模塊和各種用途I/O元件供用戶(hù)選用。如輸

37、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(yàn)、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(hào)變換成CPU能接受的信號(hào)，或?qū)PU的輸出信號(hào)變換成需要的控制信號(hào)去驅(qū)動(dòng)控制對(duì)象，以確保整個(gè)系統(tǒng)正常的工作。其中輸入信號(hào)要通過(guò)光電隔離，通過(guò)濾波進(jìn)入CPU控制板，CPU發(fā)出輸出信號(hào)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。 電源模塊根據(jù)PLC的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，它對(duì)電源并無(wú)特殊需求，它可使用一般工業(yè)電源。PLC一般的接口和通訊模塊還需要5.2V和24V直流電源。這些電源都由PLC本身的電源模塊供給，所以在實(shí)際應(yīng)用中要注意電源模塊的選擇。在選擇電源模塊時(shí)一般應(yīng)考

38、慮以下幾點(diǎn)：1.電源模塊的輸入電壓。PLC電源模塊可以包括各種各樣的輸入電壓，有220V交流、110V交流和24V直流。在實(shí)際應(yīng)用中要根據(jù)具體情況選擇，此時(shí)要注意，確定了輸入電壓后，也就確定了系統(tǒng)供電電源的輸入電壓。2.電源模塊的輸出功率。在選擇電源模塊時(shí)，其額定輸出功率必須大于CPU模塊、所有I/O模塊、各種智能模塊等總的消耗功率之和，并且要留有30%左右的余量。當(dāng)同一電源模塊既要為主機(jī)單元到最遠(yuǎn)一個(gè)擴(kuò)展單元的線(xiàn)路壓降必須小于0.25V。3.擴(kuò)展單元中的電源模塊。在有的系統(tǒng)中，由于擴(kuò)展單元中安裝有智能模塊及一些特殊模塊，就要求在擴(kuò)展單元中安裝相應(yīng)的電源模塊。這時(shí)相應(yīng)得電源模塊輸出功率可按各自

39、得供電范圍計(jì)算。4.電源模塊接線(xiàn)。選定了電源模塊后，還要確定電源模塊的接線(xiàn)端子和連接方式，以便正確進(jìn)行系統(tǒng)供電的設(shè)計(jì)。一般的電源模塊輸入電壓是通過(guò)接線(xiàn)端子與供電電源相連的，而輸出信號(hào)則通過(guò)總線(xiàn)插座與PLC的CPU的總線(xiàn)相連。3.2 溫度傳感器PT-100Pt-100的外觀如圖所示：圖9 Pt-100外觀圖Pt-100溫度傳感器為正溫度系數(shù)熱敏電阻傳感器，主要技術(shù)參數(shù)如下：測(cè)量范圍-200+850允許偏差值A(chǔ)級(jí)±（0.150.002t）B級(jí)±（0.300.005t）熱響應(yīng)時(shí)間<30s最小置入深度熱電阻的最小置入深度200mm允通電流5mA另外，Pt-100溫度傳感器還具

40、有抗振動(dòng)、穩(wěn)定性好、準(zhǔn)確度高、耐高壓等優(yōu)點(diǎn)。鉑熱電阻的線(xiàn)性較好，在0100之間變化時(shí)，最大非線(xiàn)性偏差小于0.5攝氏度。鉑熱電阻阻值與溫度關(guān)系為：（1）-200<t<0時(shí)，RPt=100*1+At+B*t2+C*t3*(t-100) (2.1)（2） 0t850時(shí)，RPt=100*1+At+B*t2 (2.2)式中，A=3.90802×10 - 3,B=-5.8×10 - 8，C=4.2735×10 - 13?？梢?jiàn)Pt100在常溫0100之間變化時(shí)線(xiàn)性度非常好，其阻值表達(dá)式可近似簡(jiǎn)化為：RPt=100（1+At），當(dāng)溫度變化1，Pt-100阻值近似變化0

41、.39。Pt-100寬范圍、高精度的特點(diǎn),使其測(cè)量領(lǐng)域很廣，如：軸瓦，缸體，油管，水管，汽管，紡機(jī)，空調(diào)，熱水器等狹小空間工業(yè)設(shè)備測(cè)溫和控制；汽車(chē)空調(diào)、冰箱、冷柜、飲水機(jī)、咖啡機(jī)，烘干機(jī)以及中低溫干燥箱、恒溫箱等;供熱/制冷管道熱量計(jì)量，中央空調(diào)分戶(hù)熱能計(jì)量和工業(yè)領(lǐng)域測(cè)溫和控制。 Pt-100傳感器內(nèi)部電路如圖2.7所示。圖10 Pt-100內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖R2、R3、R4和Pt-100組成傳感器測(cè)量電橋，為了保證電橋輸出電壓信號(hào)的穩(wěn)定性，電橋的輸入電壓通過(guò)TL431穩(wěn)至2.5V。從電橋獲取的差分信號(hào)通過(guò)兩級(jí)運(yùn)放放大后輸入單片機(jī)。電橋的一個(gè)橋臂采用可調(diào)電阻R3，通過(guò)調(diào)節(jié)R3可以調(diào)整輸入到運(yùn)放的差分電

42、壓信號(hào)大小，通常用于調(diào)整零點(diǎn)。放大電路采用LM358集成運(yùn)算放大器，為了防止單級(jí)放大倍數(shù)過(guò)高帶來(lái)的非線(xiàn)性誤差，放大電路采用兩級(jí)放大，前一級(jí)約為10倍，后一級(jí)約為3倍。溫度在0100變化，當(dāng)溫度上升時(shí)，Pt-100阻值變大，輸入放大電路的差分信號(hào)變大，放大電路的輸出電壓對(duì)應(yīng)升高。3.3超聲波液位儀發(fā)射用超聲波傳感器的驅(qū)動(dòng)電路。其驅(qū)動(dòng)方式有自激型和他激型，圖2 給出的是自激型運(yùn)放振蕩電路。超聲波傳感器接收電路。超聲波在傳輸過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生能量的衰減，因此接收電路必須對(duì)接收到的微弱信號(hào)進(jìn)行放大。若增益不足時(shí)，可再增加一級(jí)放大。設(shè)計(jì)中選用SONIC系列超聲液位（物位）計(jì)，采用超聲波收發(fā)、測(cè)量時(shí)間差原理測(cè)得

43、液位（物位）高度。產(chǎn)品具有自動(dòng)功率調(diào)整，增益控制，溫度補(bǔ)償，先進(jìn)的檢測(cè)技術(shù)和計(jì)算技術(shù)，提高了儀表的測(cè)量精度，豐富的SIEMENS類(lèi)的軟件功能對(duì)干擾回波有抑制功能，廣泛應(yīng)用于電力、冶金、化工、建筑、糧食、給排水等行業(yè)，既可測(cè)量液體物料也可測(cè)量固體物料。SONIC系列超聲波物（液）位計(jì)技術(shù)參數(shù)如下表所示：顯 示主機(jī)2*16LCD背光顯示液（物）位高度量 程3 m、5m、10 m、 15 m、 30 m、 40 m盲區(qū)及開(kāi)角盲區(qū)0.3-0.8 m(與量程有關(guān))，開(kāi)角小于12度測(cè)量精度0.25分辨率1mm測(cè)量周期小于0.2秒（根據(jù)不同要求調(diào)整）信號(hào)輸出4-20mA（光隔離），負(fù)載小于750，RS485

44、繼電器觸點(diǎn)容量AC250V，7A。上下限報(bào)警輸出環(huán)境溫度(儀表)-2550; (傳感器)-2580 環(huán)境濕度相對(duì)濕度小于85%功 耗小于5W防護(hù)等級(jí)IP65(一體式);IP67(分體式傳感器 ) 電 源AC220V±15% 50Hz或DC-24v（18v30v）3.4 電磁流量計(jì)電磁流量計(jì)的工作原理是基于法拉第電磁感應(yīng)定律。在電磁流量計(jì)中，測(cè)量管內(nèi)的導(dǎo)電介質(zhì)相當(dāng)于法拉第試驗(yàn)中的導(dǎo)電金屬桿，上下兩端的兩個(gè)電磁線(xiàn)圈產(chǎn)生恒定磁場(chǎng)。當(dāng)有導(dǎo)電介質(zhì)流過(guò)時(shí)，則會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電壓。管道內(nèi)部的兩個(gè)電極測(cè)量產(chǎn)生的感應(yīng)電壓。測(cè)量管道通過(guò)不導(dǎo)電的內(nèi)襯（橡膠，特氟隆等）實(shí)現(xiàn)與流體和測(cè)量電極的電磁隔離。電磁流量計(jì)的

45、測(cè)量原理，見(jiàn)圖所示。當(dāng)充滿(mǎn)管道連續(xù)流動(dòng)的導(dǎo)電液體在磁場(chǎng)中垂直于磁力線(xiàn)方向通過(guò)時(shí)，由于導(dǎo)電液體切割磁力線(xiàn)，則在管道兩側(cè)的電極上產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E，E的大小與液體流動(dòng)速度v有關(guān)：E=BDv×10-8，式中，B為磁感應(yīng)強(qiáng)度；D為管道直徑，單位為cm。流體的體積流量Q（cm3/s）與流速（cm/s）的關(guān)系為：Q=D2v/4，將此式代入上式得：E=4BQ×10-8/D=kQ，式中，k為儀表常數(shù)，k=4×10-8B/D，當(dāng)B和D一定時(shí)，k為常數(shù)。由Q的計(jì)算公式知，電磁流量計(jì)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與流量具有良好的線(xiàn)性特性。電磁流量變送器是由勵(lì)磁電路、信號(hào)濾波放大電路、A/D采樣電路、微處理

46、器電路、D/A電路、變送電路等組成。轉(zhuǎn)換部分將感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)進(jìn)行電壓放大、相敏檢波、功率放大和V/I轉(zhuǎn)換，最后轉(zhuǎn)換成DC 420mA統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)Io輸出，可見(jiàn)Io與被測(cè)流量具有線(xiàn)性關(guān)系。電磁流量變送器的測(cè)量管道中無(wú)阻力元件，氣壓力損失小，流速范圍大，可達(dá)0.510m/s；量程比達(dá)10：1；其精度可優(yōu)于0.5級(jí)。電磁流量變送器對(duì)被測(cè)液體的導(dǎo)電率有一定的要求，一般要求導(dǎo)電率r>10-4s/cm。同時(shí)，流量計(jì)前后要有一定的直管道長(zhǎng)度，同茶館大于（510）D，其中D為管道直徑。電磁流量變送器一般為水平安裝，液體應(yīng)充滿(mǎn)管道連續(xù)流動(dòng)，也可以垂直安裝，要求液體自下而上流過(guò)變送器。本設(shè)計(jì)選用LDE型電磁流量

47、計(jì)，其技術(shù)參數(shù)如下表所示：測(cè)量誤差管道式0.5級(jí)、1.0級(jí)；插入式2.5級(jí)測(cè)量介質(zhì)：電導(dǎo)率大于5S/cm的各種液體和液固兩相流體。流速范圍：0.28m/s工作壓力：1.6MPa環(huán)境溫度：-40+50介質(zhì)溫度：聚四氟乙烯襯里180橡膠材質(zhì)襯里：65防爆標(biāo)志：ExmibdBT4防爆證號(hào)：GYB01349外磁干擾：400A/m外殼防護(hù)：一體化型： IP65；分 離 型：傳感器IP68(水下5米，僅限于橡膠襯里)輸出信號(hào)：420mA.DC，負(fù)載電阻0750通訊輸出：RS485或CAN總線(xiàn)電氣連接：M20×1.5內(nèi)螺紋，10電纜孔電源電壓：90220V.AC、24±10%V.DC最大

48、功耗：10VA3.5模擬量輸入輸出模塊 通用模擬量輸入模塊FX2N-2ADFX2N-2AD是2通道12位A/D轉(zhuǎn)換模塊，F(xiàn)X2N-4AD是4通道12位A/D轉(zhuǎn)換模塊，F(xiàn)X2N-8AD是8通道1216位A/D轉(zhuǎn)換模塊，根據(jù)外部接線(xiàn)需要和PLC功能指令對(duì)這些模塊進(jìn)行初始化設(shè)置?？蛇x擇電壓輸入或電流輸入，借助伏安表通過(guò)模塊簡(jiǎn)單的切換調(diào)整，或者借助指令，可以方便地改變模擬量輸入范圍，瞬時(shí)值和設(shè)定值等數(shù)據(jù)可以用FROM/TO指令讀出或?qū)懭搿＿@三種A/D轉(zhuǎn)換器都是高精度模擬量輸入模塊，只要選擇合適的傳感器及前置放大器，就可以用于溫度、壓力、流量、速度、電流和電壓等系統(tǒng)模擬信號(hào)的監(jiān)視與控制。就本系統(tǒng)而言，需

49、要檢測(cè)的模擬量為液位，所以選用FX2N-2AD模塊，其技術(shù)指標(biāo)詳見(jiàn)所示。項(xiàng)目電壓輸入電流輸入模擬輸入范圍在裝運(yùn)時(shí)，對(duì)于DC010V的模擬電壓信號(hào)輸入，此單元調(diào)整的數(shù)字范圍是04000。當(dāng)使用FX2N-2AD 并通過(guò)電流輸入或通過(guò)DC05V輸入時(shí)，就有必要通過(guò)偏移值和增益量進(jìn)行在調(diào)節(jié)DC010V，DC05V（輸入阻抗為200K歐姆）警告：當(dāng)輸入電壓超過(guò)DC+15V時(shí)，此單元有可能造成損壞420mA（輸入阻抗為250歐姆）警告：當(dāng)輸入電流超過(guò)-2mA，+60mA時(shí)，此單元有可能造成損壞數(shù)字輸出12位分辨率2.5mV（10V/4000）,1.25mV(5V/4000)4uA（20-4）/4000集成

50、精度正負(fù)1%全范圍（010V）正負(fù)1%（全范圍420mA）處理時(shí)間2.5ms/1通道（順序程序和同步） 溫度傳感器模擬量輸入模塊FX2N-4AD-PT該模塊是4通道溫度輸入12位A/D轉(zhuǎn)換模塊。模塊內(nèi)附有溫度傳感器的前置放大器，因此，它可以直接與三線(xiàn)的鉑電阻Pt100-3型傳感器匹4路輸入通道相連接。帶有補(bǔ)償?shù)?路輸入可校正創(chuàng)干起的非線(xiàn)性。模塊的瞬時(shí)值與設(shè)定值等數(shù)據(jù)也可以用FROM/TO指令讀出或?qū)懭耄撃K的技術(shù)指標(biāo)如下表所示：項(xiàng)目攝氏度華氏度通過(guò)讀取適當(dāng)?shù)木彌_區(qū)，可以得到°C和°F兩種可讀數(shù)據(jù)模擬輸入信號(hào)箔溫度PT100傳感器（100歐姆），3線(xiàn)，4通道（CH1,CH2

51、,CH3,CH4）,3850PPM/°C（DIN43760,JISC16041989）傳感器電流1mA傳感器：100歐姆 PT100補(bǔ)償范圍-100+600°C-148+1112°F數(shù)字輸出-10006000-1480+1112012位轉(zhuǎn)換11數(shù)據(jù)位+1符號(hào)位最小可測(cè)溫度0.20.3°C0.360.54°F總精度全范圍正負(fù)1%（補(bǔ)償范圍）轉(zhuǎn)換速度4通道15ms 模擬量輸出模塊FX2N-4DA該模塊有4個(gè)輸出通道。輸出通道接收數(shù)字信號(hào)并轉(zhuǎn)換成等價(jià)的模擬信號(hào)，故也稱(chēng)D/A轉(zhuǎn)換。FX2N-4DA最大分辨率是12位。輸入、輸出的電壓、電流選擇通過(guò)用戶(hù)配

52、線(xiàn)完成。FX2N-4DA和FX2N主單元之間通過(guò)緩沖存儲(chǔ)器交換數(shù)據(jù)，F(xiàn)X2N-4DA共有32個(gè)緩沖寄存器（每個(gè)是16位）。FX2N-4DA占用FX2N擴(kuò)展總線(xiàn)8個(gè)點(diǎn)，這8個(gè)點(diǎn)可以分配成輸入和輸出。FX2N-4DA中瞬時(shí)值和設(shè)定值等數(shù)據(jù)的讀出和寫(xiě)入可用FROM/TO指令。FX2N-4DA的主要技術(shù)指標(biāo)如下表所示： 項(xiàng)目電壓輸出電流輸出模擬輸出范圍DC-10+10V（外部負(fù)載阻抗：2k1M）DC020mA（外部負(fù)載阻抗：500）數(shù)字輸入16位，二進(jìn)制，有符號(hào)（數(shù)值有效位：11位和一個(gè)符號(hào)位（1位）分辨率5mV（10V*1/2000）20A（20mA*1/1000）總體精度±1%（對(duì)于+1

53、0V的全范圍）±1%（對(duì)于+20mA的全范圍）轉(zhuǎn)換速度4個(gè)通道2.1ms（改變是用的通道數(shù)不會(huì)改變轉(zhuǎn)換速度）隔離模擬和數(shù)字之間用光耦合器隔離，DC/DC轉(zhuǎn)換器用來(lái)隔離電源和FX2N主單元，模擬通道之間沒(méi)有隔離外部電源DC24V±10%200mA占用I/O點(diǎn)數(shù)目占用FX2N擴(kuò)展總線(xiàn)8點(diǎn)I/O（輸入輸出皆可）功率消耗5V，30mA（MPU的內(nèi)部電源或者有源擴(kuò)展單元）3.6 攪拌電機(jī)EJ15-3本設(shè)計(jì)中，液體經(jīng)混合后需要加熱和攪拌，其中攪拌電機(jī)選用EJ15-3型電動(dòng)機(jī)，其中“E”表示電動(dòng)機(jī)，“J”表示交流的，15為設(shè)計(jì)序號(hào)，3為最大工作電流，相關(guān)元件主要技術(shù)參數(shù)及原理如下：EJ1

54、5系列電動(dòng)機(jī)是一般用途的全封閉自扇冷式鼠籠三相異步電動(dòng)機(jī)。額定電壓為220V，額定頻率為50Hz，功率為2.5KW，采用三角形接法。電動(dòng)機(jī)運(yùn)行海拔不超過(guò)1000m。工作溫度-1540°C/濕度90%.。EJ15系列電動(dòng)機(jī)效率高、節(jié)能、堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩高、噪音低、振動(dòng)小、運(yùn)行安全可靠。其硬件電路圖如下： 第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)4.1 軟件設(shè)計(jì)思想要實(shí)現(xiàn)整個(gè)液體混合控制系統(tǒng)的精確控制，區(qū)別于之前的以開(kāi)關(guān)量為主的傳感器和執(zhí)行器的模糊控制，需要從怎樣實(shí)現(xiàn)各電動(dòng)閥的開(kāi)度控制以及混合液體加熱的控制這兩個(gè)角度去考慮，現(xiàn)在就這兩個(gè)問(wèn)題的如何實(shí)現(xiàn)以及選擇怎樣的方法來(lái)去確定系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方案。既然在過(guò)去的控制領(lǐng)域中

55、，無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)混合液提的精確控制和溫度的精確加熱，這次設(shè)計(jì)的主題問(wèn)題就是完成對(duì)混合液體的精確控制和對(duì)其混合液體的精確加熱，兩個(gè)同時(shí)使用PID控制執(zhí)行。軟件部分完成由流量而算出的液體體積作為設(shè)定值，來(lái)控制混合液體電動(dòng)閥的開(kāi)度；完成由既定工藝加熱溫度作為設(shè)定值的溫度恒值加熱控制，從定比例混合到攪拌加熱均實(shí)現(xiàn)對(duì)液體混合過(guò)程的精確控制。系統(tǒng)的控制框圖如下，其中溫度T控制原理和流量Q的控制原理均由該框圖示意：SpnE（t）M(t)c（t）執(zhí)行機(jī)構(gòu)被控對(duì)象PID控制器敏感元件pv（t）為了完成對(duì)混合液體的精確控制，電動(dòng)調(diào)節(jié)閥要以一定的開(kāi)度來(lái)控制進(jìn)入容器的液體流量，調(diào)節(jié)手段是通過(guò)將超聲波液位儀檢測(cè)到的電信號(hào)送

56、入PLC中，經(jīng)過(guò)A/D變換成數(shù)字信號(hào)，送入數(shù)字PID調(diào)節(jié)器中，經(jīng)PID算法后將控制量經(jīng)過(guò)D/A轉(zhuǎn)換成與電動(dòng)調(diào)節(jié)閥開(kāi)度相對(duì)應(yīng)的電信號(hào)送入電動(dòng)調(diào)節(jié)閥中控制通道中的液體流量。 系統(tǒng)的控制框圖如圖4.2所示。其中SP為給定信號(hào)，由用戶(hù)通過(guò)計(jì)算機(jī)設(shè)定，PV為控制變量，它們的差是PID調(diào)節(jié)器的輸入偏差信號(hào)，經(jīng)過(guò)PLC的PID程序運(yùn)算后輸出，調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)PLC的D/A轉(zhuǎn)換成4-20mA的模擬電信號(hào)后輸出到電動(dòng)調(diào)節(jié)閥中調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度，以控制水的流量，使水箱的液位保持設(shè)定值。水箱的液位經(jīng)過(guò)壓力變送器檢測(cè)轉(zhuǎn)換成相關(guān)的電信號(hào)輸入到PLC的輸入接口，再經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換成控制量PV，給定值SP與控制量PV經(jīng)過(guò)PLC的CPU的減法運(yùn)算成了偏差信號(hào)e ,又輸入到PID調(diào)節(jié)器中，又開(kāi)始了新的調(diào)節(jié)。所以系統(tǒng)能實(shí)時(shí)地調(diào)節(jié)水箱的液位。當(dāng)上水箱的液位小于設(shè)定值時(shí)，壓力變送器檢測(cè)到的信號(hào)小于設(shè)定值，設(shè)定值與反饋值的差就是PID調(diào)節(jié)器的輸入偏差信號(hào)。經(jīng)過(guò)運(yùn)算后即輸出控制信號(hào)給電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，使其開(kāi)度增大，以使通道里的水流量變大，增加水箱里的儲(chǔ)水量，液位升高。當(dāng)液位升高到設(shè)定高度時(shí)，設(shè)定值與控制變量平衡，PID調(diào)節(jié)器的輸入偏差信號(hào)為零，電動(dòng)調(diào)節(jié)閥就維持在那個(gè)開(kāi)度，流量也不變，同時(shí)水箱的液位也維持不變。系統(tǒng)的控制框圖如圖4.2所示。其中SP為給定信號(hào)，由用戶(hù)通過(guò)計(jì)算機(jī)設(shè)定，PV為控制變量，它們的差是P