基于plc的液位測(cè)量課設(shè)

1、 目錄第一章 設(shè)計(jì)課題和總體方案確 1.1設(shè)計(jì)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(diǎn)誤差2.2.4液位變送器的滿度誤差 第三章 西門子CPU222系列PLC介紹3.1 西門子PLC控制系統(tǒng)3.1.1 CPU模塊3.1.2I/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(jì)4.1水箱的選擇4.2貯水槽的選擇4.3 水泵選擇第五章 變頻器的選

2、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(shí)間 6.1.5分辨率第七章 設(shè)計(jì)小結(jié)第八章 參考文獻(xiàn)15 / 17第一章 設(shè)計(jì)課題和總體方案確1.1設(shè)計(jì)課題實(shí)驗(yàn)水箱熱工參數(shù)測(cè)量與控制測(cè)量裝置的設(shè)計(jì)（液位測(cè)量）。設(shè)計(jì)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(cè)總體上可分為直接檢測(cè)和間接檢測(cè)兩種方法，由于測(cè)量狀況與條件復(fù)雜多樣，

3、因而往往采用間接測(cè)量，即將液位信號(hào)轉(zhuǎn)化為其它相關(guān)信號(hào)進(jìn)行測(cè)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(cè)量。由于液體對(duì)容器底面產(chǎn)生的靜壓力與液位高度成正比，因此通過測(cè)容器中液體的壓力即可測(cè)算出液位高度。對(duì)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=gh 式中,是被測(cè)液體的密度()。如圖所示：設(shè)計(jì)一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，被測(cè)對(duì)象是水箱中水的液位，通過閥門手動(dòng)調(diào)節(jié)液位，在顯示器中可以與水箱刻度對(duì)比校準(zhǔn)。下面是裝置設(shè)計(jì)圖：水箱儲(chǔ)水池溢出管管道水泵穩(wěn)壓包液位傳感器放水閥打開水泵和進(jìn)水閥，水箱上水；若超過500mm，則通過溢出管返流到儲(chǔ)水箱。液位傳感器/變送器進(jìn)過運(yùn)算之

4、后在顯示器上。關(guān)閉水泵和進(jìn)水閥，打開出水閥；手動(dòng)調(diào)節(jié)液位，對(duì)比刻度和顯示器。結(jié)構(gòu)圖如下：液位控制對(duì)象液位傳感變送器數(shù)字顯示PLCPID變頻器和水泵給定值SV儀表測(cè)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(cè)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(cè)介質(zhì)的兩種壓力通入高、低兩壓力室，作用在元件(即敏感元件)的兩側(cè)隔離膜片上，通過隔離片和元件的填充液傳送到測(cè)量膜片兩側(cè)。測(cè)量膜片與兩側(cè)絕緣片上的電極各組成一個(gè)電容器。 當(dāng)兩側(cè)壓力不一致時(shí)，致使測(cè)量膜片產(chǎn)生位移，其位移量和壓力差成

5、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(hào)。壓力變送器和絕對(duì)壓力變送器的工作原理和差壓變送器一樣，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(hào)，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(cè)量圍。工程單位換算、阻尼、開方，傳感器微調(diào)等運(yùn)算，以與診斷和數(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(hào)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EEPROM，即使斷電也保存完整。 數(shù)字通信線路為變送器提供一個(gè)與外部設(shè)備(如275型智能通信器或采用HART協(xié)議的控制系統(tǒng))的連接接口

6、。此線路檢測(cè)疊加在4-20mA信號(hào)的數(shù)字信號(hào)，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-L桿式靜壓液位變送器測(cè)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(diǎn)的靜壓力與該點(diǎn)到液面的距離成正比，即：其中:P被測(cè)點(diǎn)的壓力(壓強(qiáng))、介質(zhì)密度、g重力加速度 、h被測(cè)點(diǎn)到液面的高度，對(duì)已確定的被測(cè)介質(zhì)與地點(diǎn)，、g為常數(shù)，故被測(cè)點(diǎn)到液面的位置的變化只與被測(cè)的壓力（壓強(qiáng)）有關(guān)。靜壓液位變送器就是通過

7、測(cè)定被測(cè)點(diǎn)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××g，桿式液位變送器實(shí)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×500 mmH2O=4.9kPa。2.2.2技術(shù)參數(shù)WIDEPLUS-L桿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(hào) 4mA20mA DC，測(cè)量圍 04m (最大)，精度0.2級(jí)、0.5級(jí)，穩(wěn)定性優(yōu)于0.1%FS/年，允許溫度：常溫型介質(zhì) -2070，環(huán)境 -2070，貯存 -20 80，相對(duì)濕度 095%RH ，

8、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(jí)：傳感器部分防護(hù)等級(jí)IP68接線盒部分IP65（K1殼 體為IP67）特點(diǎn)：精度高,可靠性好，溫度影響小，穩(wěn)定性±0.1%FS/年，智能化,小型化，控制參數(shù)密碼鎖定、確保安全，測(cè)量圍大，軟件補(bǔ)償，量程改變時(shí)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(chǎng)總線HART協(xié)議通信2.2.3液位變送器的零點(diǎn)誤差 為了使流體的壓力能夠傳遞到變送器的膜片，因此桿式液位變送器的

9、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(cè)量固定的系統(tǒng)誤差（零點(diǎn)誤差）。而桿式液位變送器沒有調(diào)零的功能，該零點(diǎn)誤差可在數(shù)顯儀表的測(cè)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(cè)量，從而校驗(yàn)出變送器的滿度誤差和非線性誤差；該桿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(cè)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、SUH值來解決。第三章 西門子CPU222系列PLC介紹3.1 西門子PLC控制系統(tǒng) CPU222系列是西門

10、子公司推出的產(chǎn)品，是目前運(yùn)行速度最快的小型PLC之一。下面我們以CPU222系列為例介紹的硬件組成。圖2.1為PLC的原理圖。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的原理圖3.1.1 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(chǔ)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(chǎng)輸入裝置的狀態(tài)，并存入映像寄存器。3、診斷電源、PLC部電路工作狀態(tài)

11、和編程過程中的語法錯(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。3.1.2I/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(yàn)、A/D或D/A變換以與其他功能模塊等。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)要通過光電隔離，通過濾波進(jìn)入CPU控制板，CPU發(fā)出輸出

12、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。3.1.3電源模塊根據(jù)PLC的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，它對(duì)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(cè)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(jì)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(duì)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程自動(dòng)化有著十分重要的意義。可以這樣說，一個(gè)過程控制系統(tǒng)的優(yōu)劣，主要取決于對(duì)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Plc面板見前頁，PV為測(cè)量值，SV為設(shè)定值，SET為參數(shù)設(shè)定選擇鍵，、為設(shè)定值的增減鍵。按壓SET鍵

13、，查看或設(shè)定一級(jí)參數(shù)。在現(xiàn)實(shí)一級(jí)參數(shù)CLK=132時(shí)，同時(shí)按壓SET鍵和鍵30秒，則進(jìn)入二級(jí)參數(shù)設(shè)定在一、二級(jí)參數(shù)設(shè)定后，按SET鍵30秒，則返回測(cè)量值顯示。在儀表自動(dòng)控制輸出下，同時(shí)按SET鍵和鍵，儀表將進(jìn)入手動(dòng)控制輸出模式，A/M指示燈亮，此時(shí)按、鍵，可改變SV值，從而儀表自動(dòng)跟蹤輸出量。再同時(shí)按SET鍵和鍵，A/M指示燈滅，儀表進(jìn)入自動(dòng)控制輸出模式。PLC的CPU222與其擴(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(dòng)PVPER_ON:=過程變量外設(shè)接通P_SEL :=比例分量接通I_SEL :=積

14、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(shí)間SP_INT :=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(dòng)值GAIN :=比例增益TI :=復(fù)位時(shí)間TD :=微分時(shí)間TM_LAG :=微分分量的滯后時(shí)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 :=被控量系數(shù)LMN_OFF :=被控量偏移量I_ITLVAL:=積分分量初始值DISV :=干擾變量

15、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(hào)3.5在PLC中的PID控制的編程第四章 水箱設(shè)計(jì)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，二線制接法，電流420mA或電壓15V輸出，精度達(dá)0.5%水箱必須比要求稍微高點(diǎn)，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=300mm，

16、材料：有機(jī)玻璃。必須比需要的水的總體積多，V=0.108(m3)。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)水管的水流量，使這三個(gè)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(shí)現(xiàn)電機(jī)的變速運(yùn)行的設(shè)備，其中控制電路完成對(duì)主電路的控制，整流電路將交流電變換成直流電，直流中間電路對(duì)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(duì)于如矢量控制變頻器這種需要大量運(yùn)算的變頻器來說，有時(shí)還需要一個(gè)進(jìn)

17、行轉(zhuǎn)矩計(jì)算的CPU以與一些相應(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(dòng)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(gè)部分組成。整流部分為三相橋式不可控整流器，逆變部分為IGBT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(chǔ)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(dòng)機(jī)速度的變

18、頻器系列。該系列有多種型號(hào)。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：0·75KW 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變頻器方框圖第六章 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(dòng)或負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，輸出穩(wěn)定的電壓。一個(gè)低紋波、高精度的穩(wěn)壓源在儀器儀表、工業(yè)控制與測(cè)量領(lǐng)域中有著重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。本設(shè)計(jì)給出的穩(wěn)壓電源的輸出電壓圍為018 V，額定工

19、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(jì)本系統(tǒng)由電源模塊、調(diào)壓模塊、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 V17.5 V變壓器降壓后得到的雙17.5 V交流電壓，經(jīng)過一個(gè)全橋整流后可得到±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(duì)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)電壓和電流圍，這是兩個(gè)最容易確定的指標(biāo)，只要根據(jù)電路的功耗計(jì)算出即可。不過若僅用單一的直流電壓給UUT供電時(shí)，應(yīng)考慮測(cè)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的圍變化，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(gè)電源提供，不夠部分可并接兩個(gè)或更多電源。為半固定檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)供電的電源，必須具有檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)所需電流的至少125的容量。6.1.3工作模式幾乎所有的