基于plc的液位测量课设.docx

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基于plc的液位测量课设

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

3.1.1CPU模块

3.1.2I/O模块

3.1.3电源模块

3.2过程建模

3.3PLC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

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，24VDC供电，二线制接法，电流4～20mA或电压1～5V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，由于测量状况及条件复杂多样，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=ρgh

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：

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：

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δ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相同，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，以及诊断和数字通信。

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。

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）、ρ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及地点，ρ、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×ρ×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×500mmH2O=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12.5V～36VDC，输出信号4mA～20mADC，测量围0～4m（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-20℃～70℃，环境-20℃～70℃，贮存-20℃～80℃，相对湿度0～95%RH，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G11/2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1～5V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ＰＬＣ的硬件组成。

图2.1为PLC的原理图。

图2.1PLC的原理图

3.1.1CPU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变换以及其他功能模块等。

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。

3.3PLC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，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及其扩展模块

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

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，24VDC供电，二线制接法，电流4～20mA或电压1～5V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，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，有时还需要一个进行转矩计算的CPU以及一些相应的电路。

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：

380V~480V，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、工业控制及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0～18V，额定工作电流为0.5A，并具有"+"、"-"步进电压调节功能，其最小步进为0.05V，纹波不大于10mV，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、D／A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220V市电经220V／17.5V变压器降压后得到的双17.5V交流电压，经过一个全桥整流后可得到±21V两路电压，其中一路+21V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+15V，再经过7805得到+5V的电压。

-21V的电压则经三端稳压器MC7915得到-15V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

几乎所有的直流电源都工作在恒压源模式，也就是说在整个电流变化围输出电压可保持不变。

也有一批电源还可以在一定围工作在值流源模式。

电源输出的变化围不驻受限于电源本身的电压或电流输出能力，而且还与电源工作状态有关，在自适应模式，电源可在容量不变的前提下自动调整电压或电流的输出围。

有少数电源还起电子设备负载的作用，在这种模式下，此电源可用来测试别的恒压或恒流源。

6.1.4响应时间

当电源能够远程摇控或电源是作为测试系统的一部分时，那么从发出控制命令到电源输出稳定到希望值的延迟时间就是一个非常重要的因素（例如，打开或改变电压）。

响应时间从几毫秒到几十毫秒不等。

少量的电源可有超过IV／us的快速转换率。

这些电源可用于制造大功率的任意波形发生器。

6.1.5分辨率

技术参数限定的输出电压或电流的最小可调增量。

有些电源在整个输出围具有相同的分辨率，而有些在不同的输出围分辨率各不相同。

第七章设计小结

这次课程设计使我有了一次通过理论联系实际，来解决实际问题的经历，它培养了自己分析问题，解决问题的能力，以及上网检索信息的能力。

其实学到的知识其实是次要的，重要的是我们探索知识的过程，这个过程便是一个人自主学习能力的体现，它将影响着我今后的发展。

第八章参考文献

1.毅等编著自动检测技术及仪表控制系统化学工业2005

2.贺安之等编著现代传感器原理及应用宇航1995

3.厉玉鸣主编化工仪表及自动化第三版化学工业1999

4.君华主编智能传感器系统电子科技大学1999

5.王立吉编著计量学基础中国计量1988

6.施仁，文江编自动化仪表与工程控制电子工业1991