基于力控的液位测量控制系统的设计概要.docx

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基于力控的液位测量控制系统的设计概要

武汉理工大学

毕业设计（论文

基于力控的液位测量控制系统的设计

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摘要

油罐在石油化工工业生产及贮油方面具有不可忽视的作用,既然这样,油罐的液位测量就显得非常重要。

本论文在对比国内外相关课题后,提出了一套完整的油罐液位系统测量方案。

该系统采用可编程控制器（PLC的电源模块,CPU模块及模拟、数字的输入、输出模块作为硬件,并将其相互连接达到液位和温度的测量及显示作用,同时利用Pro-32程序作为该系统的软件对其进行温度信号的采集和液位信号的测量。

最后,再应用力控软件对该系统进行仿真。

该系统包括三套液位测量装置,在本次设计中应用小型以太网联接在一起,达到分散设备,集中控制的目的。

关键词:

液位测量PLC以太网

Abstract

Oilcanhasthefunctionthathavetocan'tneglectinpetroleumchemicalengineeringindustryproductionandtheoilofstoring,sincelikethis,themeasuresliquidoftheoilcanandthenseemtobeveryimportant.Mythesisputforwardasetofcompleteoilcansliquidsystemdiagraphprojectaftercontrastingdomesticandinternationalandrelatedlesson.Thesystemsupplypowermodel,CPUmodelandanalog,digitalinput,outputmodelasitshardware,combiningitsmutuallyconnectiontoattaintheliquidadiagraphwithmanifestationfunctionoftemperature,combiningexploitationprocedurePro-32conductandactionsthatsystemoftheprogrammablecontroller（PLCinadoptioninthesystemproceedthetemperaturesignalcollectswiththediagraphoftheliquidasignal.Finally,thentheapplieddintreallycontrolthesoftwaretoproceedtoimitatetothesystem.

Thesystemincludesthreesetsofequipmentformeasuringliquiddevice,inthisdesignTheyareconnectedtogetherbyappliedsmallscaledethernet,andgetdispersionequipments,concentratingcontrol.

Keyphrase:

TheliquidmeasuresThePLCEthernet

第一章前言

1.1课题概述（4

1.2课题意义（4

第二章系统设计概述

2.1概述（5

2.2液位测量系统工艺流程图（5

2.3系统控制面板（7

2.4电气主回路（8

第三章基于以太网的现场总线技术

3.1什么是以太网（9

3.2什么是现场总线（9

3.3基于以太网的现场总线技术（9

第四章系统硬件设计

4.1概述（11

4.2模块选取（11

4.3模块简介及接线（13

第五章系统软件设计

5.1概述（29

5.2梯形图编程（29

5.3Pro-32软件在本设计中的应用（31

第六章力控软件简介及在其本系统中的应用

6.1力控软件简介（33

6.2力控软件的组成（33

6.3力控软件在本系统中的应用（34

参考文献（36

致谢（37

第一章前言

1.1课题概述

此课题为油罐的液位测量系统的设计。

通过对液位测量系统的充分调研基础上,提出一套性价比较高的硬件配套方案,采用开放、标准和价廉的以太网络,实现底层网络与工厂管理网络的无缝连接,为企业信息化的顺利实现奠定基础。

本课题主要实现控制系统的硬件配置、通信系统配置、人机界面组态、控制软件设计等。

利用控制以太网和通用组态软件技术完成上下位机数据交换,现场总线通信系统的设计,上位监控系统的人机界面设计等,利用专用控制软件完成液位测量系统控制软件的设计。

1.2课题意义

该课题通过对几套油罐装置的以太网连接,实现在本地及上位机远程端的控制。

因此通过本次设计可以脱离课本,亲自融入到计算机控制的实际应用中;通过对油罐液位测量系统软、硬件方面的设计,让我们更加全面的掌握PLC这一控制工具在本设计中的应用。

另外,该设计在计算机直接控制系统基本模式的基础上,更多的融入了现场总线技术和以太网技术。

重在培养建立控制体系的概念和基本过程,为了更好地和自动控制领域前沿接轨,对实验室建设是一个很好的范例,并对实际生产具有指导意义。

第二章系统设计概述

2.1概述

该油罐液位测量系统的任务是分别应用本地及上位机对油罐液位的测量,系统共三套设备,其中测量部分不是简单的应用传感器来测量,而是应用WOGO公司的编码器来实现的。

如图所示,油罐通过浮子把液位变化传递给编码器,编码器再把液位的位移信号变成脉冲信号来处理,编码器和浮子之间还要通过滑轮和拉线盒来连接。

上位机监控则是应用通用组态软件—力控来实现的,

利用控制以太网和通用组态软件技术完成上下位机数据交换,现场总线通信系统的设计,上位监控系统的人机界面设计等,利用专用控制软件完成液位测量系统控制软件的设计。

2.2液位测量系统工艺流程图

如图2.1所示,该系统为12米高的油罐,工业上用来贮油,为了保持油位有一个稳定的高度,油罐有入口和出口,分别用泵来送油和用电磁阀来出油。

其中,泵和电磁阀可用手动面板和上位机分别控制。

另外,为了检测油罐液位,该系统设置了浮子和拉线盒把液位信号传送到编码器,编码器再把位移信号变成脉冲信号,从而用PLC来控制。

编码器的转换精度为120mm/1000个脉冲,也就是说浮子每上升120mm,编码器就产生1000个脉冲,PLC通过检测到的脉冲信号便可知道油位的变化,以达到检测油位的目的。

另外,为了保证油罐的安全生产,该系统用三个热电阻来检测温度信号,检测出温度信号后,取其平均值显示到温度仪表上,用来监测该系统温度的变化,确保了系统的安全性。

图2.1液位测量系统工艺流程图

2.3系统控制面板

图2.2系统控制面板

如图2.2所示为本系统的控制面板,也是该油罐液位测量系统的手动操作平台,包括电源开关及其指示灯、“本地/远程”选择开关、三套设备的泵起泵停选择开关及各设备指示灯、电磁阀手动开关,以及各套设备的液位和温度显示。

设备1液位显示设备2液位显示设备3液位显示

设备1温度显示设备2温度显示设备3温度显示Power泵1启指示泵2启指示泵3启指示

本地/远程

Power开关泵1启/停泵2启/停泵3启/停

电磁阀1手动开关电磁阀2手动开关电磁阀3手动开关

2.4电气主回路

U

V

W

N

FUFUFUFU

K电源开关

KM1KM2KM3

FR1FR2FR3

弱电设备强电设备图2.3系统电气主回路

如图2.3所示为该系统的电气主回路图,其中包括三台异步电动机,分别控制三套设备中泵的接触器线圈的吸合。

另外还有两条分别供给强电设备和弱电设备的线路。

M1变压器

LDC24VAC

220V

M3

M2

第三章基于以太网的现场总线技术

3.1什么是以太网

以太网是当今现有局域网采用的最通用的通信协议标准。

该标准定义了在局域网（LAN中采用的电缆类型和信号处理方法。

以太网在互联设备之间以10~100Mbps的速率传送信息包,双绞线电缆10BaseT以太网由于其低成本、高可靠性以及10Mbps的速率而成为应用最为广泛的以太网技术。

直扩的无线以太网可达11Mbps,许多制造供应商提供的产品都能采用通用的软件协议进行通信,开放性最好。

3.2什么是现场总线

现场总线是当今自动化领域技术发展的热点之一,被誉为自动化领域的计算机局域网。

它的出现,标志着工业控制技术领域有一个新时代的开始,并将对该领域的发展产生重要影响。

现场总线技术将专用微处理器置入传统的测量控制仪表,使他们各自都具有了数字计算和通信能力,采用进行简单连接的双绞线等作为总线,把多个测量控制仪表连接成的网络系统,并按公开、规范的通信协议,在位于现场的多个微机化测量控制设备之间以及现场仪表与远程监控计算机之间,实现数据传输与信息交换,形成各种适应实际需要的自动控制系统。

简而言之,它把单个分散的测量控制设备变成网络节点,以现场总线为纽带,把它们连接成可以相互沟通信息、共同完成自控任务的网络系统与控制系统。

它给自动化领域带来的变化,正如众多分散的计算机被网络连接在一起,使计算机的功能、作用发生的变化。

现场总线则使自控系统与设备具有了通信能力,把它们连接成网络系统,加入到信息网络的行列。

3.3基于以太网的现场总线技术

从两年前开始,现场总线开始转向在IT领域广泛应用的、开20多年来发展最为成功的Ethernet网络技术。

把以太网技术融入到现场总线中,形成了现代控制领域发展的一个热点和流行趋势。

目前,profibus、DeviceNet、ControlNet和LonWorks等都已经使用Ethernet技术。

这些公司都在研究通过一种称作管道（Tunnel的简单传递机构,使用Ethernet网络传送它们的报文。

这种方法简单可行,现场装置保持不变,仅需要一个专用的Ethernet网络接口取代原来的线驱动器,就可完成与以太网的连接。

与此同时,美国电气工程师协会（IEEE正着手制定现场装置与Ethernet通信的新标准,该标准能够使网络直接"看到"对象（Object。

这些工作为Ethernet进入工业自动化的现场级打下了基础。

1995年WAGO公司率先研制了现场分布式输入/输出自动化控制系统WAGO-I/O-SYSTEM750并在其广泛的应用中被世人所承认。

近年来WAGO公司推出的现场总线输入/输出系统不仅支持PROFIBUS-DP/FMS、CANopen、INTERBUS、DeviceNET、MODBUS、LonWorks、EthernetTCP/IP、LIGHTBUS、CAL等多种开放式标准现场总线,还支持使用RS232C、RS485TTY-20mA接口的通讯,而且网络功能强大可与具有开放式标准的任何控制产品兼容,所以可用于各种工业现场,如汽车制造、造纸、纺织、石油化工、烟厂、冶金工业、电力、铁路交通与楼宇自动化等。

本次毕业设计就采用的是WAGO公司的现场总线输入/输出系统（WAGO750-842。

WAGO750-842（TCP/IP现场总线控制器系统采用工业以太网接口实现现场总线与INTERNET的连接。

第四章系统硬件设计

4.1概述

工业自动化可以分成过程自动化和机械自动化。

过程自动化是对化工、石油、石化、冶金、电站、轻工等工业部门的连续生产过程进行自动化控制,其所处理的对象是以流体为主的温度、压力、流量、液位、等连续的物理量。

机械自动化则是对原料及产品进行加工、组装、检测、搬运、包装、入库等机械作业进行自动控制。

其所处理的对象是以固体为主的离散物理量。

一般过程自动化用PPC（可编程控制器来组成系统进行控制,而机械自动化则用PLC（可编程控制器组成系统进行控制。

但自七十年代以来,由于微处理器,大规模、超大规模集成电路的出现及迅速发展,用于工业自动控制的部件及系统结构也不断地革新。

自七十年代后期国内外出现了总体分散型计算机控制系统（简称分散系统TotalDistributedControlSystem或DistributedComputerControlSystem。

它具有控制功能和信息存储分散、显示、操作、管理集中等优点,为此它在国外的过程控制的领域中得到很快发展。

同样,PLC在这期间亦得到很快发展,且其控制功能不断向PPC领域渗透,增加了PID运算及其他适合于过程控制用的先进算法和相应的I/O模块。

在通讯功能上,不仅PLC间可联网,而且还可联到其他系统的网上,如以太网等。

DCS是计算机控制系统的一种体系结构,因此它可以用PPC组成DCS,也可用PLC构成DCS。

由于PPC和PLC的功能相互渗透,所以由它们组成的DCS功能也逐步接近甚至可相同。

本系统的设计中就考虑到了PLC的诸多优点及方便性,而采用WAGO公司的电源、CPU、模拟输入和输出以及数字输入和输出模块来完成油罐的液位测量,同时实现本地和上位机的监控。

4.2模块选取

4.2.1模块选取原则

4.2.1.1数字量输入模块的选取原则

a根据输入信号是有源触电还是无源触电。

（1有源触电也称电开关,分为直流DC型（一般为晶体管型电路结构,例如接近开关,激光传感器（开关等和交流AC型。

（2无源触电,即机械触电,例如按钮开关、转换开关、机械式的限位开关等。

若输入信号为无源触电,则可选择直流型（一般为DC24V数字输入模块,

也可选择交流型（一般为220V数字输入模块。

（3若输入信号为有源触电直流型,则必须选择直流型（一般为DC24V数字输入模块。

（4若输入信号为有源触电交流型,则必须选择交流型数字输入模块。

（注意有源触电工作电压值

b根据输入信号的工作频率

（1若此信号的工作频率不高,没有特殊要求,则可以选用一般型,例如选用WAGO公司数字输入模块中输入滤波时间为最大3ms,就可以了。

（2若此信号的工作频率较高,则要注意输入模块的滤波时间这个参数。

4.2.1.2数字量输出模块的选取原则

数字量输出模块的选取要根据输出信号的类型（信号电流0.5A、2.0A、节点的输出电流（2AAC/DC、触点电压、是否带短路保护装置、有无公共点来选取。

4.2.1.3模拟量输入模块的选取原则

模拟量输入模块的选取要根据输入信号的类型（电压型0-5V、0-10V、-10V-+10V等,电流型0-20mA、4-20mA等、精度要求（8位A/D、10位A/D、12位A/D、16位A/D等、抗干扰要求（单端输入、差分输入来选取,但需注意对温度信号一般厂家都有专用模块,它分热电阻和热电偶型。

4.2.1.4模拟量输出模块的选取原则

模拟量输出模块的选取要根据模块输出的标准信号（0-20mA、4-20mA、0-10V、+/-10VDC来选取。

4.2.2系统输入输出点数

数字输入（DI:

1泵启/停开关（SA1,SA2,SA3

2本地/远程选择开关（XL

3热继电器辅助触点（FR1,FR2,FR3

4电磁阀开关控制（SA4,SA5,SA6

DI共10个

模拟输入（AI:

1热电阻1测温信号（T11,T21,T31

2热电阻2测温信号（T12,T22,T32

3热电阻3测温信号（T13,T23,T33

AI共9个

数字输出（DO:

1泵启/停指示灯（HL1,HL2,HL3

2电磁阀控制（F1,F2,F3

3接触器线圈（KM1,KM2,KM3

DO共9个

模拟输出（AO:

1液位显示

2温度显示

AO共6个

根据模块选取规则及系统输入输出点数可确定该系统的输入输出模块如下:

DI:

750-402三块

AI:

750-461五块

DO:

750-501三块

AO:

750-554三块

750-917750-842750-637750-637750-637750-461750-461750-461750-461750-461750-402750-402750-402750-554750-554750-554750-501750-501750-501750-501750-501750-600

图4.1系统输入输出点数

4.3模块简介及接线

4.3.1现场总线适配器模块750-842

图4.2WAGO750-842结构图

750-842用于EthernetTCP/IP的可编程现场总线控制器;集线器到750-842之间最大传输距离100m,波特率10Mbits/s;节点中允许有数字量信号和模拟量信号,每个节点中最多64个输入/输出模块,输入/输出过程映象为512字节,输入/输出变量为512字节;程序内存为128K字节,数据内存为64K字节,固态内存为8K字节

表4.1WAGO750-842系统数据

最大节点数受以太网集线器限制传输介质S-UTP100Ω双绞线总线连接适配器RJ45

现场总线节点最大距离

在集线器与842最大距离100m（最大距离受以太网规格影响

波特率10Mbits/s

协议Modbus/TCP,HTTP,Bootp编程WAGO-I/O-PRO32IEC61131-3

IL,LD,FBD,ST,FC

以太网接口

编程接口

电源电压状态灯连接跳线

模式开关

打开封盖24V0V

24V跳线电压

24V跳线电压跳线状态灯数据通讯

图4.3750-842内部电路图结构

表4.2WAGO750-842技术数据

最大I/O模块节点数64

输入过程映像最大512bytes

输出过程映像最大512bytes

最大512bytes

输入变量

输出变量最大512bytes

初始化自动

程序存储区128kbytes

数据存储区64kbytes

可变存储区8kbytes

扫描周期<3ms1000stadements/256dig.I/O工作电压DC24V（-15%~+20%

输入电流500mA（工作电压24v

隔离保护500V

电源效率87%

流向I/O模块总电流在5v时1800mA

电流损耗在5v时200mA

跳线电压DC24V（-15%~+20%

跳线电流DC10A

工作温度0℃~55℃

连接电缆CAGECLAMP2

0.08mm2-2.5mm2

AWG28-14

8-9mm/0.33instrippedlength规格（W×H×L51×65×100

重量195g

存储温度-25℃~85℃

WAGO750-842用状态指示灯显示内部控制器工作状态,数据交换状态各状态指示灯表示的含义如下:

表4.3750-842指示灯含义

LED颜色含义

ON绿色现场总线初始化成功

LINK绿色以太网接口连通

TXD/RXD绿色数据交换

ERROR红色现场总线错误

I/O红色-绿色-橙色节点信号发生错误]

USER红色-绿色-橙色在现场总线控制其中选择程序

A绿色电源工作电压正常

C绿色跳线工作电压正常

4.3.2编码器模块750-637

WAGO公司的750-637模块具有增量型编码器接口;最大频率1MHz,可4倍频;32位二进制计数

在本系统中为了测量油位,采用了浮子采样位移信号传送到编码器转换成脉冲信号再在PLC中进行处理的方法,其中编码器采用了WAGO公司的750-637模块,它的转换精度为120mm/1000个脉冲,也就是说浮子每上升或下降120mm,编码器就产生1000个脉冲,PLC经过读取编码器的脉冲数,便可以知道浮子移动了多大距离,

从而测出系统的液位变化。

假设系统初始的油位为0L,编码器产生了X个脉冲,则浮子产生的位移1L为:

（4-1

系统油位L为:

（4-2

图4.4WAGO750-637结构图

1000

120

1XL=1

0LLL+

=

AI:

750-461五块

图4.5750-637内部电路图结构

图4.6750-637的I/O接口数据

如图4.4所示,A/A,B/B,C/C分别是相位差为90度的反相输入,而图4.6所示的C1,C2为控制位,根据750-637编码器模块的性质可知,只有将C1和C2（也就是%QW的低十六位地址都置零,才能将该模块置于写状态下,余下的P0、P1、P2、P3输入、输出模块则分别对应着%QW和%IW的高三十二位地址（P0和P1一组、P2和P3一组,每组的两个数据都是八位。

另外,S1和S2代表%IW的低十六位。

该系统共三套设备,每套设备都有一个编码器,因此整个系统共3个编码器,

每个编码器都占4个模拟输入点,三个编码器占12个模拟输入点（地址从%IW0—%IW11和12个模拟输出点（地址从%QW0—%QW11。

4.3.3模拟输入模块750-461

WAGO750-461模块是2通道模拟量输入模块RTD,用于热敏电阻,适用类型为PT100,PT200,PT500,PT1000,Ni100,Ni120,Ni1000,该油罐液位测量系统的测温装置就是应用铂热电阻完成的。

其内部结构图如下:

图4.7750-461内部电路

模块简介:

RTD（温度测量装置输入模块允许直接连接到Pt或Ni测温材料上,它不但可以连接两线制的温度感应器,而且还可以连接三线制的温度感应器。

该模块可自动排列整个的温度范围。

红色指示灯表示感应器错误,绿色指示灯则表示正在读入数据或正在与耦合器通讯。

模块接线:

图4.8模拟输入模块750-461接线

图中Txy的x,y分别表示x号设备的第y个热电阻,如T23表示2号设备热电阻3的测温信号。

五个模拟输入模块共占用%IW12—%IW21的绝对地址。

4.3.4数字输入模块750-402

WAGO750-402是4通道数字量输入模块;输入信号电流5mA;24VDC;输入滤波3.0ms;正逻辑,其内部电路如下:

图4.9750-402内部电路

模块简介:

模块简介:

数字量输入模块从数字量现场设备（如传感器等接受信号。

每个输入模块都有一个抗干扰滤波器,滤波器有不同的时间常数。

从总线到现场通过光电耦合器隔离。

扣压在DIN导轨上的所有输入模块都独立于现场总线,并自动与下一个模块连接。

装有I/O系统柜体的接地端必须与I/O系统的安装DIN导轨通过低阻抗导体进行连接。

模块接线:

图4.10数字输入模块750-402接线

1#泵启/停开关2#泵启/停开关本地/远程选择开关3#泵启/停开关

1#热继电器辅助触点1#电磁阀开关控制3#热继电器辅助触点2#热继电器辅助触点3#电磁阀开关控制

2#电磁阀开关控制

数字输入主要包括泵的启停开关、本地/远程选择开关、热继电器辅助触点和电磁阀控制开关。

数字输入模块占用地址从%IX22.0到%IX22.11。

4.3.5模拟输出模块750-554

WAGO750-554是2通道模拟量输出模块;接收4-20